DE102006031050A1

DE102006031050A1 - Zenerdiode

Info

Publication number: DE102006031050A1
Application number: DE102006031050A
Authority: DE
Inventors: Hidenori Fujii
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2007-03-15
Also published as: JP2007027449A; KR20070011103A; US20070018283A1; KR100739861B1; CN1901233A

Abstract

Eine Zenerdiode (100) beinhaltet: ein Halbleitersubstrat (1), eine erste Region (5) des ersten Leitungstyps, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist, und eine zweite Region (10) des zweiten Leitungstyps, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist und in der ersten Region (5) enthalten ist, und weist einen pn-Übergang zwischen der ersten und der zweiten Region (5, 10) auf. Die Verunreinigungskonzentration des ersten Leitungstyps in der ersten Region (5) ist am höchsten nahe der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) und die Verunreinigungskonzentration des zweiten Leitungstyps in der zweiten Region (10) ist am höchsten nahe der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zenerdiode und insbesondere auf eine Zenerdiode mit einer Gateelektrode auf einem Zenerübergang über einem Gateoxidfilm.

5 ist eine Querschnittsansicht einer bekannten Zenerdiode, die allgemein mit 500 bezeichnet wird (JP 03-87072 A). Die Zenerdiode 500 beinhaltet ein n-Siliziumsubstrat 51. Eine p-Wannenregion 52 ist in dem Siliziumsubstrat 51 ausgebildet. In der p-Wannenregion 52 sind eine p⁺-Anodenregion 53, die tief eingebracht ist, und eine n⁺-Kathodenregion, die so eingebracht ist, daß sie mit der p⁺-Anodenregion 53 überlappt und flacher als diese ist, ausgebildet (die Beziehung zwischen der Konzentration und der Tiefe jeder Region ist auf der rechten Seite von 5 gezeigt). Auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 51 ist eine Oberflächenoxidschicht 55 ausgebildet und auf der Oberflächenoxidschicht 55 ist eine Isolationsschicht 56 ausgebildet. Weiterhin ist eine Anodenelektrode 57 so ausgebildet, daß sie mit der p-Wannenregion 52 verbunden ist, und eine Ka thodenelektrode 58 ist so ausgebildet, daß sie mit der n⁺-Kathodenregion 54 verbunden ist.

Bei der Zenerdiode 500 ist eine pn-Übergangsfläche der Diode an der Bodenfläche der n⁺-Kathodenregion 54 ausgebildet, die die p⁺-Anodenregion 53 überlappt (das Symbol der Diode ist in 5 angedeutet). Die Zenerspannung (Durchbruchsspannung) wird durch die Konzentrationen der Verunreinigungen in der p⁺-Anodenregion 53 und der n⁺-Kathodenregion 54, welche über die pn-Übergangsfläche aneinander grenzen, bestimmt.

Es ist jedoch schwierig, nahe der pn-Übergangsfläche die Konzentrationen der Verunreinigungen genau zu kontrollieren. Da die p⁺-Anodenregion 53 und die n⁺-Kathodenregion 54 unter Verwendung von Ionenimplantation oder einem Diffusionsverfahren ausgebildet werden. Daher entsteht das Problem, daß die Zenerspannung jeder Zenerdiode 500 unterschiedlich zu den anderen ist.

Weiterhin gibt es auch das Problem, daß die Zenerspannung variiert, wenn die p⁺-Anodenregion 53 und die n⁺-Kathodenregion 54 als flache Gebiete ausgebildet sind. Da der pn-Übergang (Zenerübergang) nahe der Oberfläche des Substrates 51 ausgebildet ist, werden durch einen Zenerdurchbruch gebildete Elektronen in der Oberflächenoxidschicht 55 gefangen (Aufladephänomen).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Zenerdiode mit einer Zenerspannung, die genau gesteuert wird und nicht variiert.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Zenerdiode gemäß Anspruch 1.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Zenerdiode gerichtet, die beinhaltet: Ein Halbleitersubstrat, eine erste Region des ersten Leitungstyps, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und eine zweite Region des zweiten Leitungstyps, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist und in der ersten Region enthalten ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Region ein pn-Übergang vorhanden ist. Die Verunreinigungskonzentration des ersten Leitungstyps in der ersten Region ist am höchsten nahe der Oberfläche des Halbleitersubstrates und die Verunreinigungskonzentration des zweiten Leitungstyps in der zweiten Region ist am höchsten nahe der Oberfläche des Halbleitersubstrats.

Wie oben deutlich beschrieben wurde, ist es gemäß der Zenerdiode der vorliegenden Erfindung möglich, den Wert der Zenerspannung mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu steuern.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
1 eine Querschnittsansicht der Zenerdiode gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 die Beziehung zwischen der Gatespannung und der Zenerspannung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine Steuerschaltung der Zenerdiode gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4A bis 4D Querschnittsansichten von Schritten der Herstellung der Zenerdiode gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
5 eine Querschnittsansicht der bekannten Zenerdiode.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Zenerdiode gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die allgemein mit 100 bezeichnet wird. Die Zenerdiode 100 beinhaltet ein n-Siliziumsubstrat 1. Eine in einem Siliziumsubstrat ausgebildete n-Wannenregion kann als eine n-Region verwendet werden.
In dem Siliziumsubstrat 1 ist eine p⁺-Anodenregion 5 ausgebildet und eine n⁺-Kathodenregion 10 ist so ausgebildet, daß sie in der p⁺-Anodenregion 5 enthalten ist.
Auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 ist eine OberflächenSiliziumoxidschicht (Gateoxidschicht) 2 ausgebildet und auf der OberflächenSiliziumoxidschicht 2 ist eine Gateelektrode 6, beispielsweise aus PolySilizium, ausgebildet. Weiterhin ist auf der Gateelektrode 6 eine Gateverdrahtung 14 ausgebildet. Andererseits ist mit der p⁺-Anodenregion 5 eine Anodenverdrahtung 12 verbunden bzw. mit der n⁺-Kathodenregion 10 eine Kathodenverdrahtung 13 verbunden.
Die Anodenverdrahtung 12, die Kathodenverdrahtung 13 und die Gateverdrahtung 14 sind aus Metall, beispielsweise aus Aluminium. Die Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 ist mit einer Isolationsschicht 11, beispielsweise aus Siliziumoxid, und einer Oberflächenschutzschicht 15, beispielsweise aus BPSG bedeckt.
Wie in der rechten Figur von 1 gezeigt, hat in der Zenerdiode 100 die Verunreinigungskonzentration in der p⁺-Anodenregion 5 ihren höchsten Wert an der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1, ebenso wie jene der n⁺-Kathodenregion 10. Wie durch eine gestrichelte Linie in 1 gezeigt, hat folglich eine Verarmungsschicht, die sich von der n⁺-Kathodenregion 10 zu der p⁺-Anodenregion 5 erstreckt, eine gewisse Dicke an dem Boden der n⁺-Kathodenregion 10 und wird bei Annäherung an die Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 dünner.
In der Zenerdiode 100 wird die Zenerspannung (Durchbruchsspannung) durch die Verunreinigungskonzentrationen der p⁺-Anodenregion 5 und der n⁺-Kathodenregion 10 bestimmt. Da der Zenerdurchbruch dazu neigt, in der Region mit einer dünnen Verarmungsschicht aufzutreten, nämlich in der Region nahe der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1, ist in 1 ein Diodensymbol in diesem Bereich dargestellt.
Die Verunreinigungskonzentrationen in dem Bereich nahe der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 können mit einem hohen Grad an Genauigkeit gesteuert werden, sogar wenn die Verunreinigung durch ein Ionenimplantationsverfahren oder ein Diffusionsverfahren in das Siliziumsubstrat 1 eingebracht oder implantiert wird. Bei der Zenerdiode 100 gemäß dieser Ausführungsform wird die Zenerspannung (Durchbruchsspannung) durch die Verunreinigungskonzentrationen in den Bereichen nahe der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 bestimmt, wie oben beschrieben. Die Zenerspannung kann mit einem hohen Grad an Genauigkeit gesteuert werden.
Bei der Zenerdiode 100 gemäß dieser Ausführungsform ist die Gateelektrode 6 auf dem Zenerübergang (Grenze zwischen der p⁺-Anodenregion 5 und der n⁺-Kathodenregion 10) in dem Siliziumsub strat 1 über der OberflächenSiliziumoxidschicht 2 ausgebildet. Das Potential der Gateelektrode 6 kann über eine Gateverdrahtung 14 gesteuert werden.
Durch den Zenerdurchbruch erzeugte Elektronen werden in der Oberflächenoxidschicht 2 eingefangen, was ein Aufladungsphänomen verursacht, welches die Verschiebung der Zenerspannung verursacht, wenn der Zenerübergang nahe der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 ausgebildet ist. Bei der Zenerdiode 100 wird das Aufladephänomen durch Ausbilden der Gateelektrode 6 über dem Zenerübergang verhindert. Bei der Zenerdiode 100 werden nämlich die in der Oberflächenoxidschicht 2 gespeicherten Elektronen durch Zuführen einer bestimmten positiven Spannung an die Gateelektrode 6 beseitigt, so daß das Aufladephänomen verhindert werden kann. Hierdurch kann die durch das Aufladephänomen verursachte Verschiebung der Zenerspannung verhindert werden.
Durch Verändern der der Gateelektrode 6 zugeführten Spannung kann ebenfalls die Zenerspannung gesteuert werden. Wenn nämlich der Gateelektrode 6 eine positive Spannung zugeführt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 in die p⁺-Anodenregion 5. Hierdurch wird der Zenerdurchbruch, der die Zenerspannung der Zenerdiode 100 bestimmt, kaum an dem Zenerübergang nahe der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 erzeugt.
Im Gegenteil, die Verarmungsschicht, welche sich in die p⁺-Anodenregion 5 erstreckt, wird dünner, wenn der Gateelektrode 6 eine negative Spannung zugeführt wird. Hierdurch wird der Zenerdurchbruch auf einfache Weise erzeugt.
2 zeigt eine Beziehung zwischen der Gatespannung und der Zenerspannung bei der Zenerdiode 100. Die Horizontalachse zeigt die der Gateelektrode 6 zugeführte Gatespannung und die Vertikalachse zeigt die Zenerspannung der Zenerdiode 100.
Wie in 2 gezeigt, nimmt die Zenerspannung ab, wenn die positive Spannung der Gateelektrode 6 zugeführt wird. Auf der anderen Seite wächst die Zenerspannung an, wenn die negative Spannung der Gateelektrode 6 zugeführt wird. Folglich kann in der Zenerdiode 100 die Zenerspannung durch Verändern der der Gateelektrode 6 zugeführten Spannung gesteuert werden.
3 zeigt ein Beispiel eines Steuerschaltplans zum Steuern der Zenerspannung unter Verwendung der Gatespannung in der Zenerdiode 100. Zwischen den A-(Anoden) und K-(Kathoden)-Anschluss ist ein Controller parallel zu der Zenerdiode geschaltet. In dem Controller wird die Spannung (Zenerspannung) zwischen dem A-(Anoden) und dem K-(Kathoden)-Anschluss überwacht und die Spannung des G(Gate-)Anschlusses wird entsprechend der überwachten Spannung gesteuert. Unter Verwendung der Steuerschaltung für die Zenerdiode 100 kann die Gatespannung durch die Überwachung der Zenerspannung verändert werden. Hierdurch kann die Zenerspannung auf einem gewünschten Wert gehalten werden.
Als nächstes wird nun unter Bezugnahme auf 4A bis 4D ein Verfahren zum Herstellen der Zenerdiode 100 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte 1 bis 4.
Schritt 1: Wie in 4A gezeigt, wird das n-Siliziumsubstrat 1 vorbereitet. Ein Siliziumsubstrat mit einer n-Wannenregion kann verwendet werden. Danach wird auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 die Oberflächenoxidschicht 2 aus Siliziumoxid ausgebildet, beispielsweise durch Verwendung eines thermischen Oxidationsverfahrens.
Als nächstes wird eine Resistmaske 3 ausgebildet und danach ein p-Ion 4, Bor (B) oder dergleichen, in das Siliziumsubstrat 1 eingebracht unter Verwendung der Resistmaske 3 als einer Implantationsmaske. Die Implantationsenergie des p-Ions 4 ist in dem Bereich von beispielsweise 10 bis 30 keV und der Dosisbetrag ist in dem Bereich von beispielsweise 1 × 10¹⁴ bis 1 × 10¹⁵ cm^–2. Falls notwendig, kann nach dem Ionenimplantationsschritt ein Ausheilungsschritt durchgeführt werden.
Die Ionenimplantation unter der obigen Bedingung macht es möglich, die p⁺-Anodenregion 5 auszubilden, bei der die Konzentration der Verunreinigungen am höchsten nahe der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 wird und in der Tiefenrichtung fortlaufend abnimmt.
Schritt 2: Wie in 4B gezeigt, wird auf der Oberflächenoxidschicht 2, beispielsweise unter Verwendung eines CVD-Verfahrens, eine PolySiliziumschicht ausgebildet. Danach wird die PolySiliziumschicht unter Verwendung einer Resistmaske 7 strukturiert. Folglich wird die Gateelektrode 6 aus PolySilizium auf der p⁺-Anodenregion 5 ausgebildet.
Schritt 3: Wie in 4C gezeigt wird eine Resistmaske 8 ausgebildet zum Bedecken der Gateelektrode 6 und ihres äußeren Abschnitts. Danach wird unter Verwendung der Resistmaske 8 als einer Implantationsmaske ein n-Ion 9, Arsen (As) oder dergleichen, in die p⁺-Anodenregion 5 eingebracht. Die Implantationsenergie des n-Ions ⁹ ist in dem Bereich von beispielsweise 10 bis 30 keV und der Dosisbetrag ist in dem Bereich von beispielsweise 1 × 10¹⁵ bis 1 × 10¹⁶ cm^–2. Falls notwendig, kann nach dem Ionenimplantationsschritt ein Ausheilungsschritt durchgeführt werden.
Die Ionenimplantation unter der obigen Bedingung macht es möglich, die n⁺-Kathodenregion 10 auszubilden, bei der die Verunreinigungskonzentration am höchsten nahe der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 (p⁺-Anodenregion 5) wird und fortlaufend in der Tiefenrichtung abnimmt. Es sollte beachtet werden, daß die n⁺-Region 10 in der p⁺-Anodenregion 5 enthalten ist.
Schritt 4: Wie in 4D gezeigt, wird die Zwischenlagen-Isolationsschicht 11 aus Siliziumoxid oder dergleichen unter Verwendung eines CVD-Verfahrens ausgebildet. Die Dicke der Zwischenlagen-Isolationsschicht 11 ist in dem Bereich von beispielsweise 3000 bis 10000 Å (300 bis 1000 nm). Schließlich werden in der Zwischenlagen-Isolationsschicht 11 Öffnungen ausgebildet und in den Öffnungen werden die mit der p⁺-Anodenregion 5 verbundene Anodenverdrahtung 12, die mit der n⁺-Kathodenregion 10 verbundene Kathodenverdrahtung 13 und die mit der Gateelektrode 6 verbundene Gateverdrahtung 14 ausgebildet. Die Anodenverdrahtung 12, die Kathodenverdrahtung 13 und die Gateverdrahtung 14 werden unter Verwendung von beispielsweise einem Aluminiumverdampfungsverfahren ausgebildet. Es sollte beachtet werden, daß die Oberflächenschutzschicht aus BPSG oder dergleichen (nicht gezeigt) falls notwendig auf der Zwischenlagen-Isolationsschicht 11 ausgebildet werden kann.
Durch diese Schritte wird die Zenerdiode 100 gemäß dieser Ausführungsform vervollständigt.
Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-208018, die am 19. Juli 2005 eingereicht wurde, ein schließlich der Beschreibung, der Zeichnungen und der Patentansprüche, soll hierin enthalten sein.

Claims

Zenerdiode (100) mit: einem Halbleitersubstrat (1), einer ersten Region (5) des ersten Leitungstyps, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist, und einer zweiten Region (10) des zweiten Leitungstyps, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist und in der ersten Region (5) enthalten ist, die einen pn-Übergang zwischen der ersten und der zweiten Region (5, 10) aufweist, wobei die Verunreinigungskonzentration des ersten Leitungstyps in der ersten Region (5) am höchsten nahe der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) ist und die Verunreinigungskonzentration des zweiten Leitungstyps in der zweiten Region (10) am höchsten nahe der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) ist.
Zenerdiode (100) nach Anspruch 1, bei der eine Isolationsschicht (2) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist und die weiterhin eine Gateelektrode (6) aufweist, welche dem Rand des pn-Übergangs, der zu der Oberfläche freiliegt, mit der Isolationsschicht (2) dazwischen gegenüberliegt.
Zenerdiode (100) nach Anspruch 2, bei der der Gateelektrode (6) eine positive Spannung zugeführt wird.
Zenerdiode (100) nach Anspruch 2, bei der die Durchbruchsspannung des pn-Übergangs durch Verändern der der Gateelektrode (6) zugeführten Spannung gesteuert wird.