一種雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，采用多次外延和圖形注入的工藝方法，僅需要短時(shí)間的熱擴(kuò)散就可以獲得常規(guī)平面工藝和溝槽工藝都難以實(shí)現(xiàn)的大結(jié)深雪崩二級管結(jié)構(gòu)，可以在保持傳統(tǒng)平面工藝抗浪涌能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，大幅縮小器件的芯片尺寸。此外，該技術(shù)可以通過改變不同外延層的P型摻雜濃度和逐次N型摻雜圖形注入濃度，更靈活地調(diào)控雪崩擊穿區(qū)域的形貌分布，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的器件優(yōu)化。本發(fā)明可以大幅縮小器件面積、提高抗浪涌能力，在半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法，特別是涉及一種雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]雪崩二極管廣泛應(yīng)用于高頻電路的瞬態(tài)電壓保護(hù)和浪涌防護(hù)上。一個(gè)單向截至型的瞬態(tài)電壓抑制器件(TVS)由一個(gè)低擊穿電壓雪崩二極管Dl和一個(gè)低電容的導(dǎo)引二極管D2串聯(lián)構(gòu)成，如圖1a所示。其中雪崩二極管Dl在瞬態(tài)高電壓脈沖到來時(shí)起電壓鉗位作用，而串聯(lián)低電容導(dǎo)引二極管D2后，整個(gè)回路的電容值減小，更符合高頻應(yīng)用要求。TVS器件還可以根據(jù)應(yīng)用需要，在一個(gè)單向截至型的TVS器件旁，并聯(lián)一個(gè)低電容導(dǎo)引二極管D3，成為單向?qū)ㄐ蚑VS器件，提供對正反雙向浪涌的保護(hù)，如圖2b所示。
[0003]為了提高電壓瞬態(tài)事件中的抗浪涌能力，需要使雪崩二極管的雪崩擊穿發(fā)生在高摻PN結(jié)的深處，此外，pn結(jié)雪崩擊穿時(shí)面積越大、電流瀉放能力越好、對電壓瞬態(tài)防護(hù)能力也越強(qiáng)?，F(xiàn)有的高耐量TVS采用兩種結(jié)構(gòu)制造工藝:平面工藝和深槽工藝。平面工藝是傳統(tǒng)工藝，雖然工藝簡單但熱過程時(shí)間長、橫向擴(kuò)散大，所以器件的芯片面積大，如圖2a所示。深槽工藝是近年來新發(fā)展的工藝，先在低摻雜的外延襯底上通過刻蝕方法形成深槽，再將濃摻雜的η型多晶硅添入槽中作為高摻雜擴(kuò)散源，短時(shí)間高溫?cái)U(kuò)散后即可與p+襯底形成大結(jié)深ρ+η+雪崩二極管結(jié)構(gòu)，如圖2b所示。深槽工藝的優(yōu)點(diǎn)是η+橫向擴(kuò)散小，因而可以大幅縮小器件面積;缺點(diǎn)是刻蝕深槽并填充多晶硅后，深槽底部容易產(chǎn)生缺陷，器件漏電流較高；同時(shí)溝槽工藝的均勻性和一致性不如傳統(tǒng)平面工藝，用該工藝制造的TVS器件浪涌防護(hù)能力較弱。
[0004]基于以上所述，提供一種可以在保持傳統(tǒng)平面工藝抗浪涌能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，有效縮小器件的芯片尺寸的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法工藝復(fù)雜、抗浪涌能力弱或器件面積過大的問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，所述制造方法包括步驟:步驟I)，提供一P型半導(dǎo)體襯底，于所述P型半導(dǎo)體襯底表面形成帶注入窗口的阻擋層，基于注入窗口于所述P型半導(dǎo)體襯底中注入N型雜質(zhì)離子;步驟2)，去除所述阻擋層，于所述P型半導(dǎo)體襯底表面形成P型外延層，于所述P型外延層表面形成帶注入窗口的阻擋層，基于注入窗口于所述P型外延層中注入N型雜質(zhì)離子;步驟3 )，重復(fù)進(jìn)行步驟2)，形成多個(gè)注入有N型雜質(zhì)離子的P型外延層疊層結(jié)構(gòu)；步驟4)，進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，使垂直方向?qū)?zhǔn)的各P外延層中的N型雜質(zhì)離子連接貫通，形成大結(jié)深的雪崩二極管結(jié)構(gòu)。
[0007 ]作為本發(fā)明的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法的一種優(yōu)選方案，N型雜質(zhì)離子的注入劑量范圍為I X 1015/cm2-3 X 11Vcm2。
[0008]進(jìn)一步地，所述N型雜質(zhì)離子為通過單一能量注入或分為不同能量注入。
[0009 ] 優(yōu)選地，~型雜質(zhì)離子的注入能量范圍為15Ke V_500Ke V。
[0010]作為本發(fā)明的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法的一種優(yōu)選方案，所述P型外延層的厚度范圍為3-10微米，P型雜質(zhì)離子的摻雜濃度范圍為lX1018/Cm3-2X1019/Cm3。
[0011]作為本發(fā)明的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法的一種優(yōu)選方案，還包括步驟:基于所述雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，通過外延工藝、離子注入工藝及熱擴(kuò)散工藝制備出單向截至型的瞬態(tài)電壓抑制器件或單向?qū)ㄐ偷乃矐B(tài)電壓抑制器件。
[0012]優(yōu)選地，制備單向截至型的瞬態(tài)電壓抑制器件包括步驟:步驟a)，去除最頂層的P型外延層上的阻擋層厚，于該最頂層的P型外延層表面注入N型雜質(zhì)離子，并通過后續(xù)的熱擴(kuò)散處理形成η+型埋層;步驟b)，于最頂層的P型外延層表面形成N型外延層，于所述N型外延層表面形成帶注入窗口的阻擋層，基于注入窗口于所述P型外延層中注入N型雜質(zhì)離子；步驟C)，重復(fù)進(jìn)行步驟b)后進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，形成與所述雪崩二極管結(jié)構(gòu)串聯(lián)的導(dǎo)引二極管。
[0013]進(jìn)一步地，在進(jìn)行步驟b)及步驟c)的過程中，還包括于N型外延層的兩側(cè)注入P型雜質(zhì)離子，并通過后續(xù)的熱擴(kuò)散處理形成P+型隔離區(qū)的步驟。
[0014]進(jìn)一步地，還包括步驟:于最頂層的N型外延層上形成p+型摻雜區(qū)的步驟，所述p+型摻雜區(qū)位于N型雜質(zhì)離子注入?yún)^(qū)與P型雜質(zhì)離子注入?yún)^(qū)之間。
[0015]如上所述，本發(fā)明的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，具有以下有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用多次外延和圖形注入的工藝方法，僅需要短時(shí)間的熱擴(kuò)散就可以獲得常規(guī)平面工藝和溝槽工藝都難以實(shí)現(xiàn)的大結(jié)深雪崩二級管結(jié)構(gòu)，可以在保持傳統(tǒng)平面工藝抗浪涌能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，大幅縮小器件的芯片尺寸。此外，該技術(shù)可以通過改變不同外延層的P型摻雜濃度和逐次N型摻雜圖形注入濃度，更靈活地調(diào)控雪崩擊穿區(qū)域的形貌分布，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的器件優(yōu)化。本發(fā)明可以大幅縮小器件面積、提高抗浪涌能力，在半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0016]圖1a顯示為單向截至型的瞬態(tài)電壓抑制器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖1b顯示為單向?qū)ㄐ偷乃矐B(tài)電壓抑制器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2a顯示為傳統(tǒng)平面工藝制作的雪崩二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2b顯示為傳統(tǒng)深槽工藝制作的雪崩二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3?圖9顯示為本發(fā)明的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法各步驟所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]元件標(biāo)號(hào)說明
[0022]101P型半導(dǎo)體襯底
[0023]102阻擋層
[0024]103P型外延層
[0025]104N型外延層
[0026]105η+型埋層
[0027]106P+型隔離區(qū)
[0028]107P+型摻雜區(qū)
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0030]請參閱圖3?圖9。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0031 ]如圖3?圖9所示，本實(shí)施例提供一種雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，所述制造方法包括步驟:
[0032]如圖3所示，首先進(jìn)行步驟I)，提供一P型半導(dǎo)體襯底101，于所述P型半導(dǎo)體襯底101表面形成帶注入窗口的阻擋層102，基于注入窗口于所述P型半導(dǎo)體襯底101中注入N型雜質(zhì)尚子。
[0033]作為示例，所述N型雜質(zhì)離子的注入劑量范圍為I X 1015/cm2-3 X 1016/cm2。所述N型雜質(zhì)離子為通過單一能量注入或分為不同能量注入。所述N型雜質(zhì)離子的注入能量范圍為15KeV-500KeVo
[0034]具體地，基于P型半導(dǎo)體襯底101上涂覆光刻膠層，曝光、顯影后獲得帶注入窗口的圖形(如光刻膠阻擋層102);在注入窗口注入I X 1015/cm2-3 X 11Vcm2的大劑量N型雜質(zhì)離子(如磷)，上述劑量可以以單一能量注入，也可以分成不同能量注入，注入能量范圍在15KeV-500KeVo
[0035]如圖4?圖5所示，然后進(jìn)行步驟2)，去除所述阻擋層102，于所述P型半導(dǎo)體襯底101表面形成P型外延層103，于所述P型外延層103表面形成帶注入窗口的阻擋層102，基于注入窗口于所述P型外延層103中注入N型雜質(zhì)離子；
[0036]作為示例，所述P型外延層103的厚度范圍為3-10微米，P型雜質(zhì)離子的摻雜濃度范圍為I X 1018/cm3-2 X 11Vcm3。
[0037]具體地，清除光刻膠并清洗P型半導(dǎo)體襯底101后，在表面上生長P型外延層103W型外延層103的厚度范圍為3微米至10微米，摻雜濃度為IX 1018/cm3-2X 11Vcm3;然后，在P型外延層103上涂覆光刻膠層，曝光、顯影后獲得帶注入窗口的圖形(如光刻膠阻擋層102);在注入窗口注入IX 1015/cm2-3 X 11Vcm2的大劑量N型雜質(zhì)離子(如磷)，上述劑量可以以單一能量注入，也可以分成不同能量注入，注入能量范圍在15KeV-500KeV。
[0038]如圖6?圖7所示，接著進(jìn)行步驟3)，重復(fù)進(jìn)行步驟2)，形成多個(gè)注入有N型雜質(zhì)離子的P型外延層103疊層結(jié)構(gòu)；
[0039]具體地，清除光刻膠并清洗基片后，在P型外延層103表面上再次生長P型外延層103 J型外延層103的厚度范圍為3微米至10微米，摻雜濃度為IX 1018/cm3-2 X 11Vcm3。重復(fù)進(jìn)行步驟2)，得到累積外延厚度達(dá)到要求的厚度。在最表面P型外延層103上涂覆光刻膠層，曝光、顯影后獲得帶注入窗口的圖形(如光刻膠阻擋層102);在注入窗口注入I X 115/cm2-3X 11Vcm2的大劑量N型雜質(zhì)離子(如磷)，上述劑量可以以單一能量注入，也可以分成不同能量注入，注入能量范圍在15KeV-500KeV.最后清除表面光刻膠。
[0040]如圖8所示，接著進(jìn)行步驟4)，進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，使垂直方向?qū)?zhǔn)的各P外延層中的N型雜質(zhì)離子連接貫通，形成大結(jié)深的雪崩二極管結(jié)構(gòu)。
[0041 ]具體地，在高溫爐管中進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，使垂直方向?qū)?zhǔn)的各外延層中的高摻雜η+區(qū)連接貫通，即形成大結(jié)深的雪崩PN 二極管結(jié)構(gòu)。
[0042]如圖9所示，最后進(jìn)行步驟5)，可以根據(jù)應(yīng)用要求，基于所述雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，通過外延工藝、離子注入工藝及熱擴(kuò)散工藝制備出更加復(fù)雜的功能性器件，如單向截至型的瞬態(tài)電壓抑制器件或單向?qū)ㄐ偷乃矐B(tài)電壓抑制器件。
[0043]在本實(shí)施例中，制備單向截至型的瞬態(tài)電壓抑制器件包括步驟:
[0044]步驟a)，去除最頂層的P型外延層103上的阻擋層102厚，于該最頂層的P型外延層103表面注入N型雜質(zhì)離子，并通過后續(xù)的熱擴(kuò)散處理形成η+型埋層105;
[0045]步驟b)，于最頂層的P型外延層103表面形成N型外延層104，于所述N型外延層104表面形成帶注入窗口的阻擋層102，基于注入窗口于所述P型外延層103中注入N型雜質(zhì)離子；
[0046]步驟C)，重復(fù)進(jìn)行步驟b)后進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，形成與所述雪崩二極管結(jié)構(gòu)串聯(lián)的導(dǎo)引二極管。
[0047]進(jìn)一步地，在進(jìn)行步驟b)及步驟c)的過程中，還包括于N型外延層104的兩側(cè)注入P型雜質(zhì)離子，并通過后續(xù)的熱擴(kuò)散處理形成P+型隔離區(qū)106的步驟。
[0048]進(jìn)一步地，還包括步驟:于最頂層的N型外延層104上形成p+型摻雜區(qū)107的步驟，所述P+型摻雜區(qū)107位于N型雜質(zhì)離子注入?yún)^(qū)與P型雜質(zhì)離子注入?yún)^(qū)之間。
[0049]如上所述，本發(fā)明的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，具有以下有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用多次外延和圖形注入的工藝方法，僅需要短時(shí)間的熱擴(kuò)散就可以獲得常規(guī)平面工藝和溝槽工藝都難以實(shí)現(xiàn)的大結(jié)深雪崩二級管結(jié)構(gòu)，可以在保持傳統(tǒng)平面工藝抗浪涌能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，大幅縮小器件的芯片尺寸。此外，該技術(shù)可以通過改變不同外延層的P型摻雜濃度和逐次N型摻雜圖形注入濃度，更靈活地調(diào)控雪崩擊穿區(qū)域的形貌分布，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的器件優(yōu)化。本發(fā)明可以大幅縮小器件面積、提高抗浪涌能力，在半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0050]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括步驟: 步驟I)，提供一 P型半導(dǎo)體襯底，于所述P型半導(dǎo)體襯底表面形成帶注入窗口的阻擋層，基于注入窗口于所述P型半導(dǎo)體襯底中注入N型雜質(zhì)離子； 步驟2)，去除所述阻擋層，于所述P型半導(dǎo)體襯底表面形成P型外延層，于所述P型外延層表面形成帶注入窗口的阻擋層，基于注入窗口于所述P型外延層中注入N型雜質(zhì)離子； 步驟3)，重復(fù)進(jìn)行步驟2)，形成多個(gè)注入有N型雜質(zhì)離子的P型外延層疊層結(jié)構(gòu)； 步驟4)，進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，使垂直方向?qū)?zhǔn)的各P外延層中的N型雜質(zhì)離子連接貫通，形成大結(jié)深的雪崩二極管結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于:N型雜質(zhì)離子的注入劑量范圍為I X 1015/cm2-3 X 11Vcm2。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于:所述N型雜質(zhì)離子為通過單一能量注入或分為不同能量注入。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于:N型雜質(zhì)離子的注入能量范圍為15KeV-500KeV。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于:所述P型外延層的厚度范圍為3-10微米，P型雜質(zhì)離子的摻雜濃度范圍為lX1018/Cm3-2X1019/Cm3。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于:還包括步驟:基于所述雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，通過外延工藝、離子注入工藝及熱擴(kuò)散工藝制備出單向截至型的瞬態(tài)電壓抑制器件或單向?qū)ㄐ偷乃矐B(tài)電壓抑制器件。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于:制備單向截至型的瞬態(tài)電壓抑制器件包括步驟: 步驟a)，去除最頂層的P型外延層上的阻擋層厚，于該最頂層的P型外延層表面注入N型雜質(zhì)離子，并通過后續(xù)的熱擴(kuò)散處理形成η+型埋層； 步驟b)，于最頂層的P型外延層表面形成N型外延層，于所述N型外延層表面形成帶注入窗口的阻擋層，基于注入窗口于所述P型外延層中注入N型雜質(zhì)離子； 步驟c)，重復(fù)進(jìn)行步驟b)后進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，形成與所述雪崩二極管結(jié)構(gòu)串聯(lián)的導(dǎo)引二極管。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于:在進(jìn)行步驟b)及步驟c)的過程中，還包括于N型外延層的兩側(cè)注入P型雜質(zhì)離子，并通過后續(xù)的熱擴(kuò)散處理形成P+型隔離區(qū)的步驟。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雪崩二極管結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于:還包括步驟:于最頂層的N型外延層上形成p+型摻雜區(qū)的步驟，所述p+型摻雜區(qū)位于N型雜質(zhì)離子注入?yún)^(qū)與P型雜質(zhì)離子注入?yún)^(qū)之間。
【文檔編號(hào)】H01L21/329GK105931952SQ201610327054
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】龔大衛(wèi)
【申請人】中航（重慶）微電子有限公司