CN1707762A - 齐纳二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种齐纳二极管及其制造方法。根据本发明，可通过不采用扩散掩模进行扩散处理制造电压调节器装置。而且，可不用任何光刻处理或采用最少的处理步骤制造具有双向阈电压特性的PNP(或NPN)齐纳二极管或PN齐纳二极管。因此，可减少处理步骤并提高产率。
Description
技术领域
本发明涉及用作电压调节器装置的齐纳二极管及其制造方法。具体地说，本发明涉及能够在没有选择性扩散所需的扩散掩模的情况下产生齐纳击穿的齐纳二极管及其制造方法。
背景技术
通常，由于薄膜生长技术以及半导体材料领域的发展，直接跃迁型半导体的III-V族化合物半导体材料的发光器件如发光二极管或激光二极管产生各种颜色的光，包括绿、蓝、紫外等。
另外，通过采用荧光材料或组合各种颜色也可产生具有良好效率的白光。
由于这些技术进步，除显示装置以外，发光器件具有广泛的应用范围，如光通信系统的传输模块、可替代构成液晶显示器(LCD)装置的背光的冷阴极荧光灯(CCFL)的LED(发光二极管)背光、可替代荧光灯或白炽灯的白光LED系统，以及交通灯。
图1为普通的LED装置的截面视图。为了制造这种LED器件，采用化学气相沉积的方法在由蓝宝石、n-砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等构成的衬底101的上面顺序淀积缓冲层102、n-接触层103和n-覆盖层(未示出)、激活层104、p-覆盖层(未示出)和p-接触层105。
接着，通过光蚀刻法和干/湿蚀刻法进行台面蚀刻以使得n-接触层103暴露。
其后，在p-接触层105上面形成电流扩散层106，其由具有良好光传输性能的透明电极形成。为了与外部电路电连接，在电流扩散层106和n-接触层103上分别形成p-电极107-p和n-电极107-n，从而形成LED器件100。
也就是说，当外部电路的电压加到该发光器件的p-电极107-p和n-电极107-n之间时，空穴和电子被注入到p-电极107-p和n-电极107-n。当空穴和电子在激活层104中重新结合时，额外的能量转变为光，随后通过电流扩散层和衬底发射到外面。
同时，若这种发光器件中产生静电或浪涌电压，过多的电荷流入半导体层并最终引起发光器件的故障。
当在介电基质上面制作这些器件时这种问题变得更为严重。当该器件中产生浪涌电压时，所加的电压可上升到几千伏。因而，当发光器件具有较低的耐压(容许电压)时，须安装附加的保护装置。
作为保护装置，如多个普通二极管串联连接以使得在电压高于发光器件的驱动电压时这些二极管可导通。
因此，如图2a和2b所示，用作稳压装置的PN或PNP(NPN)齐纳二极管200或300以其相对电极相互连接的方式与发光器件100连接。因而，加到发光器件的电压被限制于齐纳二极管的Vz(齐纳电压)。
也就是说，若齐纳二极管的反向电压等于或大于Vz，反向电流(从n-电极流向p-电极的电流)增加而齐纳二极管两端之间的端电压几乎保持不变，即Vz。
以这种方式，齐纳二极管不仅用作保护装置而且广泛用作不管输入电压或负载如何变化而保持负载电压恒定的电压调节器装置。
这种作为保护装置的齐纳二极管与保护的器件如发光器件分开制作，然后与其并联连接。或者，发光器件和齐纳二极管可通过倒装接合(flip-chip)的方式在硅辅助底座上连接。
图3a至3g为用于说明制造传统的PN齐纳二极管的方法的截面图。图3a和3b所示为采用扩散掩模的方法。
首先，齐纳二极管是-种利用量子力学的隧道效应的器件，因而，须采用具有低阻抗的衬底201。由于该器件的Vz(齐纳电压)由衬底的电阻率及其扩散杂质的浓度确定，因此须采用其中具有适当的杂质浓度的衬底(图3a)。
另外，为了有选择地扩散杂质到衬底中，在衬底的上下表面淀积扩散掩模202(通常采用氧化硅膜)。然后，在衬底的上表面淀积的扩散掩模有选择地进行蚀刻并构成图案(图3b)。
图3c所示为扩散步骤。在形成扩散掩模图案之后，进行扩散处理。不同于衬底的类型的杂质通过扩散掩模被蚀刻的部分(部分“B”)注入到衬底中。杂质注入方法可采用扩散方法和利用加热炉的离子注入方法。
在此，杂质不通过保留扩散掩模的部分“A”注入到衬底。
其后，去除扩散掩模(图3d)，而在衬底201的上表面上淀积形成保护薄膜203。然后，使得衬底201的扩散区域D暴露(图3e)。
最后，如图3f和3g所示，在衬底201的暴露的扩散区域D的上表面上形成电极204-f，并在衬底201的下表面上形成电极204-b。从而，制成齐纳二极管200。
图4a至4f为用于说明传统PNP(NPN)齐纳二极管的制造方法的截面图。首先制备其中包含有适当的杂质浓度的衬底301(图4a)。为了有选择地将杂质扩散到衬底301，在该衬底的上和下表面上淀积形成扩散掩模302，然后再有选择地对在衬底301的上表面上所淀积的扩散掩模进行蚀刻并形成图案(图4b)。
其后，将杂质注入到用扩散掩模302遮蔽的衬底301中，再进行扩散处理(图4c)。
在此，如图4c所示，试图通过保留扩散掩模302的区域注入到衬底的杂质由于该保留的扩散掩模而不会渗透到衬底301中。
另外，杂质E和F通过去除扩散掩模302的区域注入到衬底301。
在注入杂质后，进行扩散处理。
其后，如图4d所示，若去除掩模302，则在衬底301上形成两个扩散区域G。
接着，以可以暴露衬底301的扩散区域的方式在该衬底的上表面和下表面上形成保护薄膜303(图4e)。
最后，若在已暴露的扩散区域上形成电极304，则完成齐纳二极管的制作(图4f)。
如此制成的齐纳二极管被分成芯片，再与易受静电损坏的器件如发光器件并联连接。
另外，为了通过倒装接合的方式在制成的齐纳二极管的上表面上连接器件，进行金属焊接处理并将发光器件结合到齐纳二极管的上表面上。
如上所述，由于制造传统的齐纳二极管需要许多处理步骤，因此存在制造成本增加的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述的现有技术中的问题而提出的。本发明的目的是提供一种用于保护易受静电、浪涌电压或电荷积聚损坏的器件的齐纳二极管，以及该齐纳二极管的制造方法，其中不需要扩散掩模并可使处理步骤最少，从而增加产率同时使制造成本最小化。
为实现所述目的，根据本发明的第一方面，所提供的齐纳二极管的制造方法，包括步骤：通过注入和扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质到掺有第一极性杂质的衬底的上表面和下表面中形成第一和第二扩散层；去除在衬底的下表面上形成的第二扩散层；在第一扩散层的上表面上淀积形成保护薄膜并去除一部分保护薄膜以暴露第一扩散层的一部分；以及在第一扩散层的暴露部分上形成第一电极且在衬底的下表面上形成第二电极。
为实现所述目的，根据本发明的第二方面，所提供的齐纳二极管的制造方法，包括步骤：通过注入和扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质到掺有第一极性杂质的衬底的上表面和下表面中形成第一和第二扩散层；和在第一扩散层的上表面上形成第一电极并在第二扩散层的下表面上形成第二电极。
为实现所述目的，根据本发明的第三方面，所提供的齐纳二极管的制造方法，包括步骤：制备掺入第一极性杂质的衬底；通过注入和扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质到衬底的上表面和下表面中形成第一和第二扩散层；在形成于衬底的上表面的第一扩散层的上表面上淀积形成电极；以及有选择地将从该电极到衬底的一部分材料去除以使得该电极和第一扩散层分成两部分。
为实现所述目的，根据本发明的第四方面，所提供的齐纳二极管，包括：掺入第一极性杂质的衬底；通过扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质到衬底的上表面中而形成的第一扩散层；以暴露第一扩散层的一部分的状态淀积在第一扩散层的上表面上的保护薄膜；在暴露的第一扩散层上形成的第一电极；和在衬底的下表面上形成的第二电极。
为实现所述目的，根据本发明的第五方面，所提供的齐纳二极管，包括：掺入第一极性杂质的衬底；通过分别扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质到衬底的上表面和下表面中而形成的第一扩散层和第二扩散层；在第一扩散层的上表面上形成的第一电极；以及在第二扩散层的下表面上形成的第二电极。
为实现所述目的，根据本发明的第六方面，所提供的齐纳二极管，包括：掺入第一极性杂质且包括通过在该衬底的上表面形成的凹槽而相互分隔的第一和第二突起的衬底；通过分别在衬底的第一和第二突起的上表面上扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质而形成的一对扩散层；以及分别在所述的一对扩散层的上表面上形成的一对电极。
附图说明
从下面结合附图对所提供的优选实施例的描述，本发明的上述和其他目的、特性和优点将更为清楚。附图中：
图1为普通的发光器件的截面图；
图2为发光器件和电压调节器装置的等效电路图；
图3a至3g为用于说明传统的PN齐纳二极管的制造方法的截面图；
图4a至4f为用于说明传统的PNP(NPN)齐纳二极管的制造方法的截面图；
图5a至5f为用于说明根据本发明的第一实施例的PN齐纳二极管的制造方法的截面图；
图6a至6d为用于说明根据本发明的第二实施例的PNP(或NPN)齐纳二极管的制造方法的截面图；
图7a至7d为用于说明根据本发明的第三实施例的PNP(NPN)齐纳二极管的制造方法的截面图；以及
图8为根据本发明的第三实施例的齐纳二极管截面图。
具体实施方式
下面，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
图5a至5f为用于说明根据本发明的第一实施例的PN齐纳二极管的制造方法的截面图。
如图5a所示，首先制备掺入第一极性杂质的衬底510。
在此，优选衬底510为硅衬底。
随后，在衬底510的上表面和下表面上注入并扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质，从而在该衬底的上表面和下表面上形成第一和第二扩散层511和512(图5b)。
在此，根据本发明，将第二极性杂质注入并扩散到衬底510的整个上表面和下表面中而不采用任何扩散掩模。
接着，去除已经在衬底的下表面上形成的第二扩散层512(图5c)。
可以通过化学机械研磨(CMP)方法或薄膜蚀刻方法去除第二扩散层512。
其后，在衬底510的第一扩散层511的上面淀积形成保护薄膜513，其随后被局部去除以暴露第一扩散层511的一部分(图5d)。
最后，在第一扩散层511的暴露部分上形成第一电极514(图5e)，且在衬底510的下表面上形成第二电极515(图5f)。
以这种方式，得到第一扩散层511和衬底510以具有不同极性的状态相互结合在一起的PN齐纳二极管。
也就是说，若第一扩散层511为P-型，则衬底510为N-型。因而制成PN齐纳二极管。
因此，根据本发明的第一实施例的PN齐纳二极管，包括：掺入第一极性杂质的衬底510；以将具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质扩散到衬底510的上表面中的方式而形成的第一扩散层511；在第一扩散层的上表面上淀积形成以使得第一扩散层511的一部分暴露的保护薄膜513；在第一扩散层511的暴露部分上形成的第一电极514；以及在衬底的下表面上形成的第二电极515。
图6a至6d为用于说明根据本发明的第二实施例的PNP(或NPN)齐纳二极管的制造方法的截面图。首先，将具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质注入并扩散到掺有第一极性杂质的衬底610的上表面中，以形成第一和第二扩散层611和612(图6a至6c)。
在此，若第一极性杂质为P-型杂质，则第二极性杂质为N-型杂质。
其后，如图6d所示，在第一扩散层611的上表面上形成第一电极621；以及在第二扩散层612的下表面上形成第二电极6622。
因此，获得包括第一扩散层611、衬底610和第二扩散层612的PNP(或NPN)齐纳二极管。
另外，在本发明的第二实施例中，可以在形成第一和第二扩散层的步骤和形成第一和第二电极的步骤之间提供在第一扩散层的上表面和第二扩散层的下表面分别形成第一和第二保护薄膜和有选择地蚀刻第一和第二保护薄膜的某些部分以暴露第一和第二扩散层的某些部分的步骤。另外，可在第一和第二扩散层的暴露部分上形成第一和第二电极，从而制成齐纳二极管。
因此，这种具有双向阈电压特性的PNP(或NPN)齐纳二极管可与被保护的器件如发光器件并联连接而不需考虑其极性。
通过采用根据本发明的第二实施例的PNP(或NPN)齐纳二极管的制造方法，可不采用任何选择性扩散需要的薄膜(通常由氧化硅制成)和光掩模来制造稳压齐纳二极管。
因此，根据本发明的第二实施例的PNP(或NPN)齐纳二极管，包括：掺入第一极性杂质的衬底610；以将具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质扩散到衬底610的上表面和下表面中的方式形成的第一扩散层611和第二扩散层612；在第一扩散层611的上面形成的第一电极621；以及第二扩散层612的下面形成的第二电极622。
图7a至7d为用于说明根据本发明的第三实施例的PNP(或NPN)齐纳二极管的制造方法的截面图。与前面的实施例类似，首先制备掺入第一极性杂质的衬底710(图7a)。
接着，在衬底710的上表面和下表面上注入并扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质以形成第一和第二扩散层711和712(图7b)。
作为优选，第一和第二扩散层711和712为通过使杂质在衬底的整个表面扩散而获得的扩散层。
其后，在衬底710的上面已形成的第一扩散层711的上面淀积形成电极721(图7c)。
然后，有选择地将从电极721到衬底710的一部分的一些材料去除以将电极721和第一扩散层711分成两部分(图7d)。
通过前述的过程，电极721被分成两个电极721a和721b，并且第一扩散层711也被分成两个扩散层711a和711b。
因此，所述分开的第一扩散层711a、衬底710和分开的第一扩散层711b构成PNP(或NPN)齐纳二极管。
另外，在本发明的第三实施例中，在第一和第二扩散层的形成步骤和淀积电极的步骤之间可提供在第一扩散层的上面形成保护薄膜和有选择地蚀刻该保护薄膜的两部分以分别形成相互分开且第一扩散层的两部分通过其暴露的两个区域的步骤。而且，可在保护薄膜上面形成电极以与第一扩散层的暴露部分接触，且在两个区域之间可将从电极到衬底的一部分的一些材料去除，从而制成齐纳二极管。
如图8所示，根据本发明的第三实施例的PNP(或NPN)齐纳二极管，包括：掺入第一极性杂质且包括通过在其上表面形成的凹槽相互分隔的第一和第二突起710a和710b的衬底710；以分别在衬底的第一和第二突起710a和710b的上面扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质的方式而形成的一对扩散层711a和711b；以及在所述的一对扩散层711a和711b的上面分别形成的一对电极721a和721b。
如上所述，本发明不采用在制作齐纳二极管的扩散步骤中所需的扩散掩模(通常采用氧化硅薄膜)。因此，可省略扩散掩模淀积、光刻及蚀刻处理步骤。
因此，在硅衬底的整个上和下表面上进行扩散处理，再进行CMP处理或干蚀刻处理以从衬底下表面去除扩散层，从而制成PN齐纳二极管。
而且，在制造具有双向阈电压特性的PNP(或NPN)齐纳二极管的情况下，在衬底的上表面和下表面形成电极而不需从衬底上表面去除扩散层，从而制作电压调节器装置。
另外，在衬底的同一表面形成具有双向阈电压特性的PNP(或NPN)齐纳二极管的情况下，通过切割处理将该器件分开时进行半切割(half_cut)处理，从而制成PNP(或NPN)器件。
如上所述，根据本发明，可通过不用扩散掩模进行扩散处理制造电压调节器装置。而且，可不用任何光刻处理或采用最少的处理步骤制造具有双向阈电压特性的PNP(或NPN)齐纳二极管或PN齐纳二极管。因此，可减少处理步骤并提高产率。
另外，可以较低的制作成本制造这种可管芯接合(die bond)的优良器件。当在辅助底座上采用倒装接合法(flip-chip)集成本发明的齐纳二极管时，其效果得到进一步改善。
虽然是结合优选实施例对本发明进行说明和描述，这只是例证性的。本领域技术人员可以理解，在不脱离所附的权利要求所确定的本发明的实质和范围的前提下，可进行各种修改和变更。
Claims (13)
1、一种制造齐纳二极管的方法，包括步骤：
(a)通过注入和扩散具有与第一极性杂质不同的极性的第二极性杂质到掺有第一极性杂质的衬底的上表面和下表面而形成第一和第二扩散层；
(b)去除在衬底的下表面上形成的第二扩散层；
(c)在第一扩散层的上表面上淀积形成保护薄膜并去除一部分保护薄膜以暴露第一扩散层的一部分；以及
(d)在第一扩散层的暴露部分上形成第一电极并在衬底的下表面上形成第二电极。
2、一种制造齐纳二极管的方法，包括步骤：
(a)通过注入和扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质到掺有第一极性杂质的衬底的上表面和下表面形成第一和第二扩散层；和
(b)在第一扩散层的上表面上形成第一电极并在第二扩散层的下表面上形成第二电极。
3、一种制造齐纳二极管的方法，包括步骤：
(a)制备掺入第一极性杂质的衬底；
(b)通过注入和扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质到衬底的上表面和下表面形成第一和第二扩散层；
(c)在形成于衬底的上表面上的第一扩散层的上表面上淀积形成电极；以及
(d)有选择地将从该电极到衬底的一部分的材料去除以使得该电极和第一扩散层分成两部分。
4、如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中第一极性杂质为P-型杂质而第二极性杂质为N-型杂质。
5、如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中该衬底包括硅衬底。
6、如权利要求1所述的方法，其中所述第二扩散层通过化学机械研磨(CMP)方法或薄膜蚀刻方法去除。
7、如权利要求2所述的方法，在步骤(a)和(b)之间还包括在第一扩散层的上表面上形成第一保护薄膜，在第二扩散层的下表面上形成第二保护薄膜，以及有选择地蚀刻第一和第二保护薄膜的一部分以部分地暴露第一和第二扩散层的步骤，
其中在所暴露的第一扩散层的上表面上形成第一电极，并在所暴露的第二扩散层的下表面上形成第二电极。
8、如权利要求3所述的方法，在步骤(b)和(c)之间还包括在第一扩散层的上表面上形成保护薄膜，和有选择地蚀刻该保护薄膜的两个部分以分别形成相互分开的两个区域的步骤，且第一扩散层的两部分分别通过该两个区域暴露出来，
其中在保护薄膜的上表面形成电极以和第一扩散层的暴露部分接触，且在两个区域之间将从电极到衬底的一部分的材料去除以使得该电极和第一扩散层分成两部分。
9、一种齐纳二极管，包括：
掺入第一极性杂质的衬底；
通过扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质到衬底的上表面而形成的第一扩散层；
以第一扩散层的一部分暴露的状态在第一扩散层的上表面上淀积形成的保护薄膜；
在第一扩散层的上表面上形成的第一电极；以及
在衬底的下表面上形成的第二电极。
10、一种齐纳二极管，包括：
掺入第一极性杂质的衬底；
通过分别扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质到衬底的上表面和下表面而形成的第一扩散层和第二扩散层；
在第一扩散层的上表面上形成的第一电极；以及
在第二扩散层的下表面上形成的第二电极。
11、一种齐纳二极管，包括：
掺入第一极性杂质且包括通过在该衬底的上表面形成的凹槽而相互分离的第一和第二突起的衬底；
通过分别在衬底的第一和第二突起的上表面上扩散具有与第一极性杂质不同极性的第二极性杂质而形成的一对扩散层；以及
分别在所述的该对扩散层的上表面形成的一对电极。
12、如权利要求9至11中任一项所述的齐纳二极管，其中第一极性杂质为P-型杂质而第二极性杂质为N-型杂质。
13、如权利要求9至11中任一项所述的齐纳二极管，其中所述衬底包括硅衬底。
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