JP4241590B2 - サージ保護用半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はサージ保護用半導体装置の製造方法に関する。
電子デバイスの微細化、高集積化に伴い、それらの静電気放電(ESD)などのサージに対する保護が重要となっている。
従来のICの入出力端子部のサージ保護回路としては、図3に示す様に電源端子111からICの電源結線部117aを繋ぐ電源配線111aと入出力端子113に接続される入出力配線113aとの間に、電源端子111側をカソードとなるように保護ダイオード114が接続される。グランド端子112からICのグランド結線部117cを繋ぐグランド配線112aと入出力端子113に接続される入出力配線113aとの間に、グランド端子112側をアノードとなるように保護ダイオード115が接続される。電源配線111aとグランド配線112aとの間には寄生ツェナーダイオード116が接続される。入出力端子113は入出力配線113aを介してIC117の入出力結線部117bに接続される。
このサージ保護回路100を構成するサージ保護用半導体装置としては、低濃度P型半導体基板を有し、該低濃度P型半導体基板の表面から層内へ延在したP型ウェルが形成され、該P型ウェルの表面から層内へ延在したN型半導体層が形成され、前記P型ウェルと該P型ウェルの表面から層内へ延在したN型半導体層とにより保護ダイオード115を構成し、
前記低濃度P型半導体基板の表面から層内へ延在したN型ウェルが形成され、該N型ウェルの表面から層内へ延在したP型半導体層が形成され、前記N型ウェルと該N型ウェルの表面から層内へ延在したP型半導体層とにより保護ダイオード114を構成し、
前記低濃度P型半導体基板の表面から層内へ延在したP型半導体層が形成され該P型半導体層に隣接して且つ前記低濃度P型半導体基板の表面から層内へ延在したN型半導体層が形成され、前記P型半導体層と前記N型半導体層とによって寄生ツェナーダイオード116を構成しているものがあった(例えば、特許文献1参照)。
図4は、前記特許文献1に記載された従来のサージ保護用半導体装置の断面を示すものである。
図4において、101は低濃度P型半導体基板、102はP型ウェル、103はN型半導体層、104はN型ウェル、105はP型半導体層、106はP型半導体層、107はN型半導体層、J11はP型ウェル102とN型半導体層103との界面、J12はN型ウェル104とP型半導体層105との界面、J13はP型半導体層106とN型半導体層107との界面を各々示している。
かかる構成によれば、P型ウェル102とN型半導体層103とにより保護ダイオード115を構成し、N型ウェル104とP型半導体層105とにより保護ダイオード114を構成し、P型半導体層106とN型半導体層107とにより寄生ツェナーダイオード116を構成し、P型ウェル102とP型半導体層106とはグランド配線112aに繋がれ、N型半導体層103とP型半導体層105とは入出力配線113aに繋がれ、N型ウェル104とN型半導体層107とは電源配線111aに繋がれてサージ保護用半導体装置として機能していた。
特開2000−208639号公報
一般にサージ保護用半導体装置に求められる特性としては、サージ保護用半導体装置に接続されるデバイスの信号に影響を及ぼさない為に低容量である事と、サージ耐量が大きい事である。
即ち、入出力端子113に入出力される信号の損失や波形歪み、グランドからのノイズ流入など、サージ保護用半導体装置を接続したことによる信号への影響を最小限に留める為に図3の保護ダイオード114、115は低容量にする必要がある。また、サージが発生した際にツェナー電圧によってサージをクランプしてグランド方向へサージを逃がす寄生ツェナーダイオード116と保護ダイオード114、115のサージ耐量が大きい必要がある。
ここで、半導体素子の寄生容量Ctは次式で決定される(Ct∝S/d(S:素子面積、d:空乏層厚))。
また、半導体素子のサージ耐量は素子面積に比例するために面積を小さくするとサージ耐量が下がる(サージ耐量∝S(S:素子面積))。
上述の要求を満たすために本来、サージ耐量を得るために素子の面積Sを大きくして、低容量であるために逆バイアス時に各素子の接合界面であるJ11、J12、J13から発生する空乏層厚dを大きくするべきである。
しかしながら、前記従来の構成では、半導体基板に対して該半導体基板が有する不純物濃度よりも高濃度に不純物を拡散させる事で、前記半導体基板よりも高濃度な半導体層あるいは導電型を反転させた半導体層を得るので、前記半導体基板層内に形成される半導体層は不純物拡散を重ねて行くほど高濃度な半導体層と成っていく為に空乏層厚dを大きく得られる低濃度の半導体層を形成できない。
よって、保護ダイオード114、115が低容量且つサージ耐量が大きい事が充分両立できず、接続される機器の信号成分に悪影響を与えない為に、低容量である事を優先させざるを得ないので保護ダイオード114、115の面積Sを小さくする事で低容量としていた。
上述の理由により、サージ保護用半導体装置のサージ耐量を充分に大きくできないという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、サージ耐量が充分大きく且つ低容量としたサージ保護用半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明のサージ保護用半導体装置の製造方法は、第二導電型半導体層の第一主面全面の上に低濃度第一導電型エピタキシャル層をエピタキシャル成長させ、該低濃度第一導電型エピタキシャル層の表面全面に第一導電型ドーパントを含む膜を成膜し、熱拡散法によるドライブ拡散によって低濃度第一導電型エピタキシャル層の表面から層内に延在した第一導電型半導体層を形成し、第二導電型半導体層と、該第一導電型半導体層と、で保護ダイオードを構成する低濃度第一導電型エピタキシャル層形成工程と、低濃度第二導電型半導体層の第一主面全面に第二導電型ドーパントを含む膜を成膜し、熱拡散法によるドライブ拡散によって低濃度第二導電型半導体層の第一主面から層内に延在した第二導電型半導体層IIを形成する第二導電型半導体層形成工程と、第一導電型半導体層の表面と第二導電型半導体層IIの表面とを合わせて、不活性ガス雰囲気中で加熱して第一導電型半導体層と第二導電型半導体層IIとの結晶構造を接続する半導体層接続工程と、低濃度第二導電型半導体層の表面全面に第一導電型ドーパントを含む膜を成膜し、熱拡散法によるドライブ拡散によって低濃度第二導電型半導体層の表面から層内に延在した第一導電型半導体層IIを形成し、低濃度第二導電型半導体層と、該第一導電型半導体層IIと、で保護ダイオードを成して順方向直列に接続される保護ダイオードを構成する第一導電型半導体層形成工程と、第一導電型半導体層IIの表面にフォトリソグラフィにて選択的にレジスト膜を形成し、第一導電型半導体層IIの露出した主面から第二導電型半導体層の一部層にかけて異方性ドライエッチングによってトレンチエッチングを施し、第二導電型半導体層の第一主面を露出させて第一導電型半導体層IIIの形成予定部を該第二導電型半導体層の第一主面に確保し、レジスト膜を除去するエッチング工程と、エッチング工程にて新たに現れた半導体層表面と第一導電型半導体層IIの第一主面との全面に熱酸化法による酸化膜から成る絶縁皮膜を形成して覆い、第二導電型半導体層の第一導電型半導体層III形成予定部上の絶縁皮膜をフォトリソグラフィにて選択的に窓開けして第一導電型半導体層III拡散窓とし、絶縁皮膜をマスクとした選択的拡散にて第二導電型半導体層の表面から層内に延在した第一導電型半導体層IIIを形成し、第二導電型半導体層と、該第一導電型半導体層IIIと、でツェナーダイオードを構成する第一導電型半導体層形成工程IIと、絶縁皮膜をフォトリソグラフィによる選択的エッチングを施して、第一導電型半導体層IIの主面一部に電源配線用窓を窓形成し、第二導電型半導体層IIと第一導電型半導体層との側面の一部を共に含んだ面を露出させた入出力配線用窓を窓形成する配線接続窓形成工程と、第一導電型半導体層III拡散窓と電源配線用窓と入出力配線用窓とを含んだ絶縁皮膜全面上にメタル層を形成し、該メタル層にフォトリソグラフィによる選択的エッチングを施し、電源配線用窓に露出した第一導電型半導体層II表面及び第一導電型半導体層III拡散窓に露出した第一導電型半導体層III表面から絶縁皮膜表面の周辺へ延在して且つ絶縁皮膜表面に配線されて第一導電型半導体層II表面と第一導電型半導体層III表面とを電気接続して連続で一体な電源配線と、入出力配線用窓に露出した第二導電型半導体層IIと第一導電型半導体層とを含む面から絶縁皮膜表面の周辺と第二導電型半導体層の主面上の絶縁皮膜へ延在した入出力配線とを形成し、第二導電型半導体層の第二主面を研削研磨して厚み調整し、該第二導電型半導体層の第二主面上にメタル蒸着してグランド電極を形成する電極形成工程とから成る事を特徴とする
本構成によって、逆バイアス印加の際に低濃度第二導電型半導体層と低濃度第一導電型エピタキシャル層とに現れる空乏層厚が大きく成るので低容量とすることができる。
以上のように、本発明のサージ保護用半導体装置の製造方法によれば、サージ耐量を大きくする為に素子の断面積を大きくしても逆バイアスの際に現れる空乏層厚が大きく成るので低容量と成り、サージ耐量が大きくて且つ低容量なサージ保護用半導体装置の製造方法とすることができる。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1(a)は、本発明の実施の形態におけるサージ保護用半導体装置の上面、図1(b)は、本発明の実施の形態におけるサージ保護用半導体装置の断面を各々示す図である。
図2は、本発明の実施の形態におけるサージ保護用半導体装置の製造過程の各工程を終了した時点の断面を示す図である。以下の実施例では第一導電型半導体をN型、第二導電型半導体をP型として説明しているが、第一導電型半導体をP型として第二導電型をN型としても良い。その場合は電圧電流の方向が反転してグランド電極と電源配線が入れ替わる事となる。
図1、2 において、1はP型半導体層、2は低濃度N型エピタキシャル層、3はN型半導体層、4は低濃度P型半導体層、5はP型半導体層II、6はN型半導体層II、7はN型半導体層III、8は絶縁皮膜、8aはN型半導体層III拡散窓、8bは電源配線用窓、8cは入出力配線用窓、9は入出力配線、10は電源配線、11はグランド電極、J1は低濃度N型エピタキシャル層とP型半導体層との界面、J2は低濃度P型半導体層とN型半導体層IIとの界面、J3はP型半導体層とN型半導体層IIIとの界面を各々示している。また、図2は半導体基板に縦横に整列した状態で複数を同時に形成していく内の一つの部分を取り出して図示したものである。
図2(a)は低濃度N型エピタキシャル層形成工程の終了時点の断面を示しており、P型半導体基板であるP型半導体層1の一主面全面の上にエピタキシャル成長させた低濃度N型エピタキシャル層2を形成し、該低濃度N型エピタキシャル層の表面全面に燐等のN型ドーパントを含む膜を成膜した後に熱拡散法によるドライブ拡散によって低濃度N型エピタキシャル層2の表面から層内に延在したN型半導体層3を形成した状態である。
ここで、P型半導体層1の濃度は1019cm-3、低濃度N型エピタキシャル層2の濃度は1015cm-3、N型半導体層3の濃度は1020cm-3程度であることが好ましい。
図2(b)はP型半導体層形成工程の終了時点の断面を示しており、低濃度P型半導体基板である低濃度P型半導体層4の一主面全面にボロン等のP型ドーパントを含む膜を成膜した後に熱拡散法によるドライブ拡散によって低濃度P型半導体層4の表面から層内に延在したP型半導体層II5を形成した状態である。
ここで、低濃度P型半導体層4の濃度は1015cm-3、P型半導体層II5の濃度は1020cm-3程度であることが好ましい。
図2(c)は半導体層接続工程の終了時点の断面を示しており、前記低濃度N型エピタキシャル層形成工程終了時点の中間生成物のN型半導体層3の表面と前記P型半導体層形成工程終了時点の中間生成物のP型半導体層II5の表面とを合わせて不活性ガス雰囲気中で1200℃に加熱する事によってN型半導体層3とP型半導体層II5との結晶構造を接続した状態である。
図2(d)はN型半導体層形成工程の終了時点の断面を示しており、前記半導体層接続工程了時点で形成された中間生成物の低濃度P型半導体層4の表面全面に燐等のN型ドーパントを含む膜を成膜した後に熱拡散法によるドライブ拡散によって低濃度P型半導体層4の表面から層内に延在したN型半導体層II6を形成した状態である。
ここで、N型半導体層II6の濃度は1020cm-3程度であることが好ましい。
図2(e)はエッチング工程の終了時点の断面を示しており、前記N型半導体層形成工程終了時点の中間生成物の第一主面であるN型半導体層II6の表面にレジスト液をスピンコーターにて塗布し、フォトリソグラフィーにて選択的にレジスト膜を形成し、N型半導体層II6の露出面からP型半導体層1の一部層にかけて異方性ドライエッチングによってトレンチエッチングを施し、レジスト膜をレジスト膜除去用の有機溶剤にて溶解除去した状態である。
これにより、P型半導体層1の第一主面を露出させ、N型半導体層III7の形成予定部を確保する。
図2(f)はN型半導体層形成工程IIの終了時点の断面を示しており、前記エッチング工程終了時点で形成された中間生成物の、第一主面側のエッチング除去されて現れたP型半導体層1、低濃度N型エピタキシャル層2、N型半導体層3、P型半導体層II5、低濃度P型半導体層4、N型半導体層II6の面とレジスト膜下であった為にエッチングされていないN型半導体層II6の面とを連続に全面に渡って熱酸化法によるSiO2から成る絶縁皮膜8を形成して覆い、P型半導体層1のN型半導体層III7形成予定部上の絶縁皮膜8をフォトリソグラフィにて選択的にN型半導体層III拡散窓8aを窓開けし、絶縁皮膜8をマスクとした選択的拡散にてP型半導体層1の表面から層内に延在したN型半導体層III7を形成した状態である。
ここで、N型半導体層III7の濃度は1020cm-3程度であることが好ましい。
図2(g)は配線接続窓形成工程の終了時点の断面を示しており、前記N型半導体層形成工程IIで形成された中間生成物の、絶縁皮膜8をフォトリソグラフィによって選択的エッチングを施して電源配線用窓8bと入出力配線用窓8cとを窓形成して、N型半導体層II6の主面一部と、P型半導体層II5とN型半導体層3の側面を共に含んだ面一部とを露出させた状態である。
図2(h)は電極形成工程の終了時点の断面を示しており、前記配線接続窓形成工程で形成された中間生成物の絶縁皮膜8全面とN型半導体層III拡散窓8a、電源配線用窓8b、入出力配線用窓8cとを含んでメタル形成し、フォトリソグラフィによって選択的エッチングを施して、電源配線用窓8bに露出したN型半導体層II6表面及びN型半導体層III拡散窓8aに露出したN型半導体層III7表面から絶縁皮膜8表面の周辺へ延在して且つ絶縁皮膜8表面に配線されてN型半導体層II6表面とN型半導体層III7表面とを電気接続して連続で一体な電源配線10と、入出力配線用窓8cに露出したP型半導体層II5とN型半導体層3とを含む面から絶縁皮膜8の表面周辺とP型半導体層1の主面上の絶縁皮膜8へ延在した入出力配線9とを形成する。
また、P型半導体層1の第二主面を研削研磨して厚み調整の後、メタル蒸着してグランド電極11を形成する。
かかる構成によれば、図2(a)の低濃度N型エピタキシャル層形成工程と、図2(b)のP型半導体層形成工程とで事前に個別に低濃度N型エピタキシャル層2と低濃度P型半導体層4を形成準備の後に図2(c)の半導体層接続工程にてP型半導体層II5とN型半導体層3とを接続して各半導体層を一体化するので、従来の一つの半導体基板の表面から該半導体基板の層内へドライブ拡散を繰り返す方法では不可能であった高濃度の半導体層の上層を低濃度の半導体層とする事が可能と成って、N型半導体層II6の下層を低濃度P型半導体層4で、且つP型半導体層1の上層を低濃度N型エピタキシャル層2にする事が出来る。
従って、図3の保護ダイオード114と保護ダイオード115に相当するN型半導体層II6と低濃度P型半導体層4の素子面積及び低濃度N型エピタキシャル層2とP型半導体層1の素子面積を大きくしてサージ耐量を大きくしても逆バイアス時に低濃度P型半導体層4と低濃度N型エピタキシャル層2とに現れる空乏層厚が大きく得られるので低容量とする事ができる。
よって、本実施の形態によれば低容量で且つサージ耐量の大きなサージ保護用半導体装置の製造方法とする事ができる。
サージ保護用半導体装置の製造方法として有用であり、特に大きなサージ耐量と低容量である事の両立が求められるサージ保護用半導体装置の製造方法に適している。
本発明の実施形態におけるサージ保護用半導体装置の上面及び断面図 本発明の実施形態におけるサージ保護用半導体装置の製造過程に沿った断面図 従来のサージ保護用半導体装置の回路図 従来のサージ保護用半導体装置の断面図
符号の説明
1、105、106 P型半導体層
2 低濃度N型エピタキシャル層
3、103、107 N型半導体層
4 低濃度P型半導体層
5 P型半導体層II
6 N型半導体層II
7 N型半導体層III
8 絶縁皮膜
8a N型半導体層III拡散窓
8b 電源配線用窓
8c 入出力配線用窓
9 入出力配線
10 電源配線
11 グランド電極
J1 低濃度N型エピタキシャル層とP型半導体層との界面
J2 低濃度P型半導体層とN型半導体層IIとの界面
J3 P型半導体層とN型半導体層IIIとの界面
J11 P型ウェル102とN型半導体層103との界面
J12 N型ウェル104とP型半導体層105との界面
J13 P型半導体層106とN型半導体層107との界面
100 サージ保護回路
101 低濃度P型半導体基板
102 P型ウェル
104 N型ウェル
111 電源端子
111a 電源配線
112 グランド端子
112a グランド配線
113 入出力端子
113a 入出力配線
114、115 保護ダイオード
116 寄生ツェナーダイオード
117 IC
117a ICの電源結線部
117b ICの入出力結線部
117c ICのグランド結線部

Claims (1)

  1. 第二導電型半導体層の第一主面全面の上に低濃度第一導電型エピタキシャル層をエピタキシャル成長させ、該低濃度第一導電型エピタキシャル層の表面全面に第一導電型ドーパントを含む膜を成膜し、熱拡散法によるドライブ拡散によって前記低濃度第一導電型エピタキシャル層の表面から層内に延在した第一導電型半導体層を形成し、前記第二導電型半導体層と、該第一導電型半導体層と、で保護ダイオードを構成する低濃度第一導電型エピタキシャル層形成工程と、低濃度第二導電型半導体層の第一主面全面に第二導電型ドーパントを含む膜を成膜し、熱拡散法によるドライブ拡散によって前記低濃度第二導電型半導体層の第一主面から層内に延在した第二導電型半導体層IIを形成する第二導電型半導体層形成工程と、前記第一導電型半導体層の表面と前記第二導電型半導体層IIの表面とを合わせて、不活性ガス雰囲気中で加熱して前記第一導電型半導体層と前記第二導電型半導体層IIとの結晶構造を接続する半導体層接続工程と、前記低濃度第二導電型半導体層の表面全面に第一導電型ドーパントを含む膜を成膜し、熱拡散法によるドライブ拡散によって前記低濃度第二導電型半導体層の表面から層内に延在した第一導電型半導体層IIを形成し、前記低濃度第二導電型半導体層と、該第一導電型半導体層IIと、で保護ダイオードを成して順方向直列に接続される保護ダイオードを構成する第一導電型半導体層形成工程と、前記第一導電型半導体層IIの表面にフォトリソグラフィにて選択的にレジスト膜を形成し、前記第一導電型半導体層IIの露出した主面から前記第二導電型半導体層の一部層にかけて異方性ドライエッチングによってトレンチエッチングを施し、前記第二導電型半導体層の第一主面を露出させて第一導電型半導体層IIIの形成予定部を該第二導電型半導体層の第一主面に確保し、前記レジスト膜を除去するエッチング工程と、前記エッチング工程にて新たに現れた半導体層表面と前記第一導電型半導体層IIの第一主面との全面に熱酸化法による酸化膜から成る絶縁皮膜を形成して覆い、前記第二導電型半導体層の前記第一導電型半導体層III形成予定部上の前記絶縁皮膜をフォトリソグラフィにて選択的に窓開けして第一導電型半導体層III拡散窓とし、前記絶縁皮膜をマスクとした選択的拡散にて前記第二導電型半導体層の表面から層内に延在した前記第一導電型半導体層IIIを形成し、前記第二導電型半導体層と、該第一導電型半導体層IIIと、でツェナーダイオードを構成する第一導電型半導体層形成工程IIと、前記絶縁皮膜をフォトリソグラフィによる選択的エッチングを施して、前記第一導電型半導体層IIの主面一部に電源配線用窓を窓形成し、前記第二導電型半導体層IIと前記第一導電型半導体層との側面の一部を共に含んだ面を露出させた入出力配線用窓を窓形成する配線接続窓形成工程と、前記第一導電型半導体層III拡散窓と前記電源配線用窓と前記入出力配線用窓とを含んだ前記絶縁皮膜全面上にメタル層を形成し、該メタル層にフォトリソグラフィによる選択的エッチングを施し、前記電源配線用窓に露出した前記第一導電型半導体層II表面及び前記第一導電型半導体層III拡散窓に露出した前記第一導電型半導体層III表面から前記絶縁皮膜表面の周辺へ延在して且つ前記絶縁皮膜表面に配線されて前記第一導電型半導体層II表面と前記第一導電型半導体層III表面とを電気接続して連続で一体な電源配線と、前記入出力配線用窓に露出した前記第二導電型半導体層IIと前記第一導電型半導体層とを含む面から前記絶縁皮膜表面の周辺と前記第二導電型半導体層の主面上の前記絶縁皮膜へ延在した入出力配線とを形成し、前記第二導電型半導体層の第二主面を研削研磨して厚み調整し、該第二導電型半導体層の第二主面上にメタル蒸着してグランド電極を形成する電極形成工程とから成る事を特徴とするサージ保護用半導体装置の製造方法。
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