TW546844B - Low-voltage punch-through bi-directional transient-voltage suppression devices and methods of making the same - Google Patents

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Jack Eng
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Description

546844 A7 B7 五、筆明説明（1) 發明範圍 本發明是關於半導體裝置。更特別地，本發明是關於 具有對稱電流-電壓特徵之低電壓衝穿雙向暫態電壓抑制 裝置。 發明背景 設計成爲在低供應電壓操作的電子電路在電子工業中 是普遍的。朝向電流操作電壓減小的電流趨勢導致最大電 壓對應減小，其是電路可以忍受而不會造成損害者。此損 害可能源自於靜電放電、感應耦合尖峰或其他暫態狀況所 造成的過電壓狀況。因此，目前需要具有低崩潰電壓-例 如，在3 - 6伏特範圍內的電壓-的暫態電壓抑制器。 用於過電壓保護的傳統裝置之一是逆偏壓P + n +齊納二 極體。這些裝置在高電壓的執行狀況良好，但在低崩潰電 壓產生問題，即，特別大的洩漏電流與高電容。例如，當 崩潰電壓自1 2伏特減少至6.8伏特時，這些裝置的、洩漏電流 自約1微安培戟劇性增加至1毫安培。 回應於這些問題，已發展出一低電壓衝穿暫態電壓抑 制器。特別地，如在授予S e m t e c h公司的美國專利5，8 8 0，5 1 1 號所見，其全部揭示附於此供參考，其描述一種暫態抑制 裝置，裝置包括一 n + p-p + n+衝穿二極體。此裝置可具有低 崩潰電壓，而具有優於先前技藝的暫態抑·制之洩漏與電容 特徵。與例如齊納二極體-其根據突崩潰（即，由導致載體 倍增的衝撃離子化造成的崩潰）而提供過電壓保護—成爲對 本紙張尺度適用中國國家標準·（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請尤閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 -4- 546844 Α7 Β7 五、發明説明（2) 比，這些裝置提供衝穿所致的過電壓保護。（可以參考電晶 體，容易地解釋衝穿。對於電晶體而言，衝穿發生在空乏 區域變成與電晶體的基極一樣寬之時。典型上，衝穿發生 在雙極電晶體中，在該處，電晶體的集極接面之空乏區域 在低於集極接面之突崩潰電壓的電壓時到達基極層對立側 的射極接面）。美國專利5,880,5 1 1號的n + p-p + n +裝置也被宣 稱爲優於其他暫態電壓抑制裝置，特別是n + pn+均勻基極衝 穿裝置，其被宣稱爲苦於在高電流時的不良箝位特徵。不 幸，n + p-p + n +裝置-諸如美國專利5,880,5 1 1號所述者-具有 不對稱的電流-電壓特徵。結果，爲了製造雙向暫態電壓 抑制器，S e m t e c h公司建議一種電路，其暫態電壓抑制器之 二是逆平行。顯然，此配置使費用增加，因爲它需要多於 一的裝置以達咸它所欲的功能。 發明槪述 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 依據本發明之一實施例，提供一種具有對稱電流-電 壓特徵之雙向暫態電壓抑制裝置。裝置包括：U) —第一導 電型下半導體層；（b)—第一導電型上半導體層；及（c) 一鄰 近於下與上層且配置於下與上層之間的中半導體層。在此 裝置中，中層具有與第一導電型相反的第二導電型，俾使 形成上與下P- η接面。此外，中層具有一淨摻雜濃度，其在 接面之間的中點是最高的。再者，沿著與下、中及上層垂 直的線之摻雜輪廓是俾使在下、中及上層中’中層之中心 平面之一側的摻雜輪廓與在中心平面之對立側的摻雜輪廓 本紙張尺度適用中國國家標黎（CNS ) Α4規格（210x297公釐） -5- 546844 Α7 Β7 五、發明説明（3) 成爲鏡像。此外，在接面之間的距離所取的中層之淨摻雜 濃度的積分是俾使當崩潰發生時，崩潰衝穿崩潰，而非突 崩潰。 較佳地，第一導電型是p型導電，而第二導電型是n 型導電。磷較佳爲充當η型摻雜物，而硼充當ρ型摻雜物 。更特別地，雙向暫態電壓抑制裝置包括一 ρ + +半導體基材 、一沈積於Ρ + +基材上的第一磊晶Ρ+層、一沈積於第一磊 晶Ρ +層上的磊晶η層、一沈積於磊晶η層上的第二磊晶ρ + 層。一 Ρ + +歐姆接觸典型上形成於第二晶晶Ρ +層的上表面 〇 亦較佳者爲，各第一與第二磊晶Ρ+層的尖峰淨摻雜濃 度在磊晶η層的尖峰淨摻雜濃度之5至20倍的範圍。較佳地 ，磊晶η層的尖峰淨摻雜濃度在2Χ1016公分_ 3至2x1017公分― 3的範圍，且第一與第二磊晶Ρ+層的尖峰淨摻雜濃度在 2x10"公分-3至2x1 018公分· 3的範圍。在接面之間的距離所 取的中層淨摻雜濃度的積分較佳爲在2Χ1012至1x10"公分·2的 範圍。上與下接面之間的較佳距離是在0.2至1.5微米的範圍 之間。 第一與第二磊晶Ρ+層較佳爲足夠厚，以使電流更均勻 分佈於裝置。亦較佳者爲，少數壽命、衝穿崩潰電壓與理 論突崩潰電壓選擇爲產生一具有負動態電阻的Vceo，其補 償在啓動狀態的裝置之正動態電阻的至少一部分。 與以上成爲對比，在本發明的某些實施例中，第一導 電型是η型導電且第二導電型是ρ型導電。在這些實施例 本紙張尺度適用中國國家標串（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -6- 546844 Α7 Β7 五、發明説明（4) 中，雙向暫態電壓抑制裝置較佳爲包括一 n + +基材、一配置 於n + +基材上的第一磊晶n +層、一配置於第一磊晶n +層上 的磊晶P層、一配置於磊晶p層上的第二磊晶n +層。 依據本發明的又一實施例，提供一種製造雙向暫態電 壓抑制裝置的方法。方法包括下列：（a)提供一第一導電型 半導體基材；（b)沈積第一導電型下磊晶層於基材上；（c)沈 積第二導電型中磊晶層於下磊晶層上，第二導電型與第一 導電型相反，佴使下層與中層形成下p-n接面；（d)沈積第 一導電型上磊晶層於中磊晶層上，俾使中層與上層形成上 P-n接面；及（e)將基材、下磊晶層、中磊晶層與上磊晶層加 熱。進行以上程序，俾使：（a)中層具有一淨載體濃度，其 在接面之間的中點是最高，（b)沿著垂直於下、中與上磊晶 層的線，建立一摻雜輪廓，其中在下、中與上層中，中層 的中心線之一惻上的摻雜輪廓是中心線之一對立側上的摻 雜輪廓之鏡像，及⑷在接面之間的距離所取的中層淨摻雜 濃度的積分是俾使當崩潰發生時，崩潰衝穿崩潰，而非突 崩潰。 較佳地，η磊晶層生長的厚度是自1至4微米的範圍，而 接面之間的距灕於加熱以後是在0.2至1.5微米的範圍。此外 ，沈積時的上 Ρ+磊晶層的摻雜濃度較佳爲比沈積時的下Ρ + 磊晶層的摻雜濃度小1%至8%之間。 本發明之一優點是提供一低電壓雙向暫態電壓抑制器 ，其具有低洩漏電流。 本發明之又一優點是提供一低電壓雙向暫態電壓抑制 本紙張尺度適用中國國家標_ (CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀f面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 546844 Α7 Β7 五、縈明説明（5) 器’其電容低於具有相同崩潰電壓的齊納暫態電壓抑制裝 霞。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明之再一優點是提供一低電壓雙向暫態電壓抑制 器，其具有對稱的電流-電壓特徵。此成對比於-例如-_國專利5,8 80 , 51 1號所述的n + p-p + n +裝置。 %·. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明之再一優點是提供一低電壓雙向暫態電壓抑制 器，其具有在高電流之可接受的箝位特徵。更特別地，如 上述，美國專利5,880,5 1 1號宣稱n + pn +均勻基極衝穿裝置苦 於不良的箝位特徵。具有均勻載體濃度的基極確實在低於 大多數其他構造的溫度有變成本質的危險。高溫保護是重 要的，例如，在功率突波期間，其中接面邊緣的區域可會g t毫秒內上升數百°C。具有一高摻雜部分與一低摻雜部分 @基極之性能優於中摻雜濃度之均勻摻雜的基極，因爲高 ί參雜部分在較高的溫度變成本質。一方法是將高摻雜部分 放在基極的一側，如美國專利5,880,5 1 1號所建議者。然而 ’本發明的裝置藉由將高摻雜部分放在基極的中心而採取 其他方法。依此方式，本發明的裝置未放棄電流-電壓對 稱，而可以提供一基極，基極具有一尖峰摻雜濃度，其高 於（因此本質溫度高於）均勻基極裝置者。 雖然在本發明的較佳實施例中，具有這些特徵的基極 是由單一磊晶層達成，但其他部分也是可用的。例如，考 慮一基極層，其含有三磊晶次層，各具有均勻的濃度。例 如，此裝置的中心基極次層可能佔據全部基極之寬度的約 1 0%，且具有外基極次層之濃度的十倍，外基極次層平均分 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS) Α4規格（210Χ297公釐） -8- 546844 A7 B7 五、發明説明（6) 配剩餘的基極寬度。 本發明的另一優點是提供低電壓雙向暫態抑制器，其: 提供保護，以防表面崩潰。在本發明的衝穿裝置中，此裝 置確保空乏層在大量到達以前不會到達在表面的對立接匿丨 〇 在檢閱此掲不與隨後的申請專利範圍時，專精於此技· 藝的人容易明白本發明的這些和其他實施例與優點。 圖式簡單說明 圖1是依朦本發明之一實施例的低電壓雙向暫態電壓抑 制裝置之二嘉晶結構剖視圖（未照比例）。 圖2是依據圖1之三磊晶結構在台面結構形成以後的剖 視圖（未照比例）。 圖3是依朦本發明之結構於磊晶層生長以後之受體（硼） 濃度（由鑽石表示）與淨施體濃度（由正方形表示）以厚度的函 數繪出的圖。 圖4是圖3之一部分的膨脹圖（水平比例放大1 〇倍以上）。 圖4中，受體（硼）濃度由鑽石表示，施體（磷）濃度由正方形 表示，淨施體（施體-受體）濃度由三角形表示。 圖5繪示圖4之裝置於硼與磷原子二者的一定擴散量以 後之受體（棚）濃度（由鑽石表不）、施體（憐）濃度（由正方形表 示）與淨施體濃度（由三角形表示）以厚度的函數繪出的圖。 圖6，如同圖2，是依據本發明之實施例但具有氧化矽 側壁的三磊晶結構剖視圖（未照比例）。 本紙張尺度適用中國國家標擎（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局K工消費合作社印製 -9- 546844 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7_ 五、簧明説明（7) 圖7是圖6之區域A的膨脹圖（未照比例），繪示接面曲線 如何互相彎離。 圖8A - 8C是剖視圖（未照比例），繪示用於製造依據本 發明之實施例的具有氧化矽側壁之三磊晶裝置的過程。 圖9 A與9 B是電流-電壓軌跡，繪不本發明的雙向暫態 電壓抑制裝置（曲線b)與商業上可用的雙向暫態電壓抑制器（ 曲線a)之雙向崩潰特徵。圖9A中，電流的比例是2毫安培/ 階梯。圖9B中，垂直（電流）比例膨脹爲200微安培/階梯。 主要元件對照 1〇 三磊晶衝穿雙向暫態電壓抑制器 12 P + +半導體基材 14 第一晶晶ρ +區域 16 磊晶η區域 1 7 a Ρ - η接面 1 7 b ρ - η接面 18 第二磊晶ρ +區域 19 氧化矽層 20 Ρ型（ρ + +)區域 22 氮化砍層 23 溝渠 較佳實施例詳細說明 專精於此技藝的人可以認知’本發明的下列說明只是 本紙張中國國家;( CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐）'—'~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ -10- 546844 Α7 Β7 五、縈明説明（8) 解釋而已’絕不加以限制。本發明的其他實施例可由此專 業人士聯想到。 現在參考圖1，依據本發明的ρ + + ρ + ηρ +三磊晶衝穿雙向、 暫懸電壓抑制输1 〇不意顯不於剖視圖。本發明的裝置形成 於一 Ρ + +半導體基材12上。在此Ρ + +基材上，三區域磊晶生 長’較佳爲在一連續過程中。第一磊晶ρ +區域14起初形成 於Ρ + +區域12的上表面上。然後，一磊晶η區域16形成於 Ρ +區域14的上表面上，第二磊晶計區域18形成於η區域16 的上表面上。一ρ + +歐姆接觸（未顯示）典型上設在ρ +區域18 的上表面上。此裝置含有二接面：（1)形成於磊晶生長的ρ + 區域14與磊晶生長的η區域16之介面的接面，及（2)形成於 磊晶生長的η區域16與磊晶生長的ρ +區域18之介面的接面 〇 如圖2所示，圖1的雙向暫態電壓抑制器10典型上具有 一用於接面終端的台面結構。 因爲若干理由，如同圖1與2所示的結構是有利的。第 一，因爲磊晶層可以在一連續過程中由相同的原料生長， 故與第一 Ρ+層由正式地具有相同電阻率的Ρ+次層取代的狀 況相比，η層之二側上的Ρ +電阻率能夠匹配至更高的精密 度。結果，對於具有三磊晶方案的二接面而言，更對稱的 崩潰電壓可以如此建立。如下述，實驗結果已經確認，對 於此裝置而言，崩潰電壓很對稱，在丨·0毫安培的前與逆崩 潰電壓之間測得的差異小於2 %。做一對比’注意，美國專 利5,8 80,5 1 1號的η + ρ-ρ + η+裝置在基極與周圍區域不具有此 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -11 - 546844 Α7 Β7 五、縈明説明（9) 對稱性，於是，裝置具有不對稱的崩潰電壓。 本發明也思及一種n + + n + pn +三磊晶衝穿雙向暫態電壓 抑制器。然而，pnp型裝置優於npn型裝置，其理由如下： (1) η基極具有成爲溫度之函數的最大電阻率，其發生在比 具有相同摻雜濃度的ρ基極所觀察到者更高的溫度。結果 ，對於η基極而言，熱點形成將設定在比ρ基極更高的溫 度。（2)在pnp型裝置之η基極外部的ρ層可以比npn型裝 置之P基極外部的η層更加重摻雜，而仍然具有相同的分 佈電阻。（3)如以下更詳細討論者，藉由所生長的氧化物之 表面鈍化只有對於pnp型暫態電壓抑制裝置才發生作用， 對於npn型裝置則否。 再參考圖2,與底部生長的p +區域14關聯的崩潰電壓通 常大於（典型上約大2%)與上部生長的P +區域18關聯者，大 部分是由於在 η區域16生長期間自P +區域14至η區域16所 發生的擴散。因此，如果有需要，Ρ +區域1 8的摻雜位準可 以調整，以補償此效應。例如，此摻雜位準可以減少約2% ，以在與二ρ層關聯的崩潰電壓之間達成相當良好的匹配 〇 通常，爲了達到所欲的結果，於進一步處理期間的熱 處理必須在各批次之間保持固定。例如，在高溫的進一步 擴散導致η區域1 6的寬度減小，且衝穿崩潰降低。因此’ 對於可再生的大量生產過程而言，擴散量必須在與標準二 極體有關的擴散量更小的公差內保持爲常數。 如前述，突崩潰是由於衝擊離子化所引起的，其導致 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 546844 A7 B7 五、煢明説明（4 載體倍增。另一方面，衝穿是由於本發明的裝置之一接面 的空乏區域到達對立的前向偏壓接面所造成的。對於已知 的崩潰電壓而言，大體上關聯於衝穿的空乏區域比關聯於 突崩潰者寬。在此狀況，與關聯於突崩潰者相比，預期衝 穿具有較小的電容、較小的隧道效應，因而具有較小的洩 漏電流。因此，對於本發明的目的而言，基本上是提供一 種裝置，其中 p-n接面的理論突崩潰電壓（在此狀況，第二 P區域由一 n + +區域取代的突崩潰電壓）大於發生衝穿的電 壓。 6.8伏特的突崩潰電壓通常關聯於約0.2微米的空乏層厚 度。此外，0.4微米的空乏層厚度關聯於約12伏特的突崩潰 電壓，此則關聯於低洩漏電流。使用此厚度當作指引，依 據本發明之一較佳實施例，η磊晶區域寬度較佳爲約0.4微 米厚度或更大。（如果此是不可能的，例如，對於約2伏特 的極低電壓而言，在此狀況，寬度必須盡可能大）。此區域 的電阻率較佳爲約0.3至0.08歐姆-公分。狀況必須加以選 擇，以致於突崩潰電壓大於衝穿崩潰電壓。因此，避免突 崩潰。 因爲對於厚層而言，磊晶生長更可再生，故η磊晶層 16較佳爲生長至比上述更大的厚度，更佳爲1至4微米，最 佳爲約2微米。後續處理期間的擴散（開始於第二ρ +區域1 8 的磊晶生長，接著是隨後的處理）則使磊晶層16的 η區域之 厚度變窄，且使二p-n接面之二側上的摻雜減少（例如，與 下述的圖4與5比較）。如果需要的話，可以在熱處理的最後 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 經.濟部智慧財產局員v\消費合作社印製 546844 Α7 一一 B7 — - - 五、每明説明（4 相以後測試晶圓。如果崩潰電壓太高，晶圓可以返回高溫 環境’以擴散更多。擴散以後之較佳的η區域寬度是0.2至 1.5微米，更佳爲〇.4微米。磊晶生長期間，η區域典型上摻 雜至約2x10“至約2x1 017原子/立方公分。通常，較佳者爲， η區域之淨摻雜濃度與它的厚度之積-更佳爲對於厚度之淨 摻雜濃度的積分-於擴散以後是在2Χ1012至lx 10"原子/平方 公分的位階。 爲了確保p型摻雜物自p +區域14、18淨擴散進入η區 域1 6，其導致較窄的η區域16，ρ +層乃摻雑至比η區域16更 高的位準。舉一特例，注意，硼（ρ型摻雜物）與磷（η型摻雜 物）具有相當旳擴散率。因此，硼相對於磷之較高的濃度將 導致η區域1 6變窄，反之亦然。由於處理期間摻雑位準的 變化，爲了確保η區域1 6可再生地變窄，ρ +區域1 4、1 8的 摻雜位準較佳爲η區域1 6的約1 0倍高。 另一方面，因爲ρ +區域14、18提供分佈的電阻，其對 立於局部化的電流濃度，防止-或至少延遲-熱點的形成 ，故Ρ +區域1 4、1 8的電阻率不應該太低（因此，摻雜濃度不 應該太高）。結果，較佳者爲，摻雜物濃度必須選擇爲在Ρ + 區域中提供一電阻率，其範圍是自約0.02至0.2歐姆-公分 。典型上，此對應於磊晶生長期間之2x1 017至約1018原子/ 立方公分的摻雑位準。二ρ+區域的厚度可以調整，以提供 所欲的總電阻。典型的厚度是10至50微米。 i 3是針對依據本發明之早期測試的三磊晶層ρ + + ρ + ηρ + 裝®，於磊晶生長以後，電腦模擬的硼（受體）與磷（施體）濃 本纸用中國國家標隼（CNS ) Α4規格（210X297公釐） ~ " -14- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ k·-. 546844 A7 B7 五、餐明説明（d 度以厚度的函數繪出的圖。此早期測試是在較佳的數目建 立以前執行，戶斤以，η與p +層的濃度在此圖中比目前的較 佳結構低。然而，這些數目足以形成工作裝置。Ρ + +區域是 在圖的右側。ρ + +區域中的尖峰受體濃度是2χ1019公分_3，ρ + 區域中的尖峰受體濃度是2x1 Ο16公分·3，η區域中的尖峰施體 濃度是2U015公分·3。圖4代表在η區域附近之圖3的放大圖 ’且繪示磷（施體）濃度、硼（受體）濃度與淨施體（施體減受體 )濃度。圖5顯示擴散以後的相同區域。注意，基極區域（即 ’具有淨施體濃度的區域）之尺寸自約2微米減少至約1.6微 米。此外，具有擴散以前的淨施體濃度之基極區域附近的 區域顯示成爲具有一擴散以後的淨受體濃度，其大小大於 擴散以前的淨施體濃度。 如果未採诹保護步驟，則在台面溝側壁（表面崩潰）中之 矽表面的衝穿可能發生在大量衝穿以前。此「表面」-不 到1微米寬的環-具有一面積，其大小的位階係小於裝置主 體的面積。表面衝穿導致在表面區域之熱的實質散失，由 於熱點的形成，造成裝置在低能量毀壞。 美國專利4,980,3 1 5號-其全部揭示附於此供參考-揭 示一種過程，其中一具有相當高濃度的η層擴散進入具有 相當低濃度的Ρ晶圓。其次，晶圓被鈾刻，以產生複數台 面半導體結構，各結構具有一與台面結構的側壁相交之Ρ-η 接面。然後，一層氧化物生長在台面的側壁上，該氧化物 層使裝置鈍化。氧化步驟使Ρ-η接面朝氧化物層附近的Ρ層 彎曲。然後，Ρ-η接面擴散更深，以一擴散前導（diffusion 本紙張尺度適用中國國家標擎（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 經濟部智慧財產局R工消費合作社印製 -15- 546844 Α7 Β7
五、発明説明（A ' ' : : I 11 m 1 - - —--I I (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁} front)進入p層，其傾向於使p-n接面回頭朝氧化物層附近 的 η層彎曲。此擴散執行至補償氧化步驟所造成的曲率， 以使P-n接面竇質上平坦。專利教導可以採取複數連續氧化 /擴散步驟，使台面側壁附近的接面進一步平坦化。由於p-η接面的實質平坦度及表面附近的P與η濃度二者的減少， 所得的Ρ - η接面在氧化層附近具有較大的突崩潰電壓。 做一對比，在本發明的雙向暫態電壓抑制裝置中的台 面側壁之衝穿可以藉由台面側壁附近的p-n接面之曲率而防 止。 特別地，氧化導致台面溝渠（此處也稱爲「台面溝」）側 壁上的薄矽層轉變成爲氧化矽。同時，氧化物層附近的摻 雜物再分佈。在硼與磷的狀況，硼再分佈，俾使它的濃度 在氧化物附近變低，而磷的濃度在此區域中增加。P型摻雜 物（硼）如此減少與η型摻雜物（磷）如此增加的結果，p-n接 面朝氧化物層附近的Ρ層彎曲，且本發明之此實施例中的η 區域之寬度在氧化物附近增加，使接面離開η區域而朝向 相鄰的Ρ +區域彎曲。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 專精於此技藝的人可以明白，對於ηρη型暫態電壓抑 制裝置而言，於氧化以後，接面將朝彼此彎曲，實際上確 保衝穿崩潰將在比主體低的電壓發生於氧化物下方之很窄 的層中。因此，ρηρ型衝穿暫態電壓抑制裝置在此例中係較 佳。 現在參考圖6，本發明的雙向暫態電壓抑制裝置顯示成 爲具有Ρ + +半導體基材12、ρ +區域14、η區域16與ρ +區域18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -16 _ 546844 α7 Β7
五、乘明説明（U (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 。顯不一台面結構，其側部由一層生長的氧化砂1 9遮蓋。 _ 7是圖6所示區域” A”的放大圖。自此圖可以看到，由於在 氧化物介面之P型摻雜物（硼）濃度的減少與η型摻雜物（磷) 濃度的增加，當氧化矽層19接近時，ρ-η接面17a與17b彎 離η區域1 6。 將本發明的雙向暫態電壓抑制裝置看成pnp電晶體， 可以看到，基極區域（即，η區域）在氧化矽介面變寬。如以 下更詳細討論考，且如專精於此技藝的人所了解者，由於 較寬的基極區域，此部分的電晶體具有比主體區域更高的 衝穿電壓，保護該裝置，以防表面崩潰。在衝穿崩潰電壓 ，電流開始通過崩潰區域。因爲崩潰發生在主體，崩潰區 域構成大百分比（典型上多於9 8 %)的接面區。因爲崩潰電流 流過更大的面積，故熱同樣地散失於更大的面積。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 特別地，各ρ-η接面具有一相關的空乏區域，其隨著增 加的逆向偏壓而變寬。假設突崩潰不發生，則當電壓增加 時，受到逆向偏壓的空乏區域進一步到達η區域，直到到 達η區域另一惻的ρ-η接面爲止。這時候，一電流路徑設在 第一與第二ρ+區域之間，且衝穿發生。靠近氧化矽介面， Ρ- η接面互相彎離。結果，在主體的空乏區域到達對立的接 面之處，氧化物層附近的空乏區域與對立的接面（其彎離空 乏區域）仍相距若干距離。依此方式，衝穿發生在主體，而 非在表面。 恰在氧化物層下方之施體（磷）摻雜增加的結果是此區域 之電場斜率的增加。此既有優點，也有缺點。優點是階梯 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） · ' -17- 546844 A7 B7 五、唤明説明（4 使空乏層更窄，幫助防止表面崩潰。缺點是更高的場可能 導致突崩潰。然而，在本發明的裝置中，如果使在衝穿的 尖峰場足夠低於在突崩潰的尖峰場，則摻雜物再分佈造成 表面之尖峰場的少許增加典型上不會造成困難。 然而’在某些狀況，可能希望使發生衝穿的尖峰場-儘可能-接近潑生（例如）突崩潰的尖峰場，以致於電晶體的 Vceo -藉由它的負動態電阻-使裝置的正動態電阻減少。 爲了這個與其他理由，接面的曲率之尖銳度可能使局部尖 峰電場增加至越過安全的位準。然而，在此狀況，可以在 氧化以後添加一補償擴散步驟，使接面的曲率略微平坦化 ’如美國專利4,980,3 1 5號所揭示者。在此補償擴散步驟期 間’氧化物層之增加的施體（磷）濃度將延展。然而，因爲氧 化層附近的施體原子之總多餘數目將保持粗略相同，故將 繼繪保護表面’以防衝穿崩潰。 本發明的雙向暫態電壓抑制器可以使用標準矽晶圓製 造技術製造。參$圖8A至8C，顯示典型的過程流如下。專 精於此技藝的人可以明白，不企圖限制此處揭示的過程流 ’因爲有很多替代的方式可以產生雙向暫態電壓抑制器。 現在參考圖8A，本發明的雙向暫態電壓抑制裝置之開 始的基材12是 p型（P + + )矽，其具有盡可能低的電阻率，典 型上是自0.01至0.002歐姆-公分。然後，使用傳統嘉晶生 長技術，使摻雜濃度在約2x10”至約2x1 018原子/立方公分的 範圍（對於較高的崩潰電壓而言，較低的濃度爲較佳）之p型 (P + )嘉晶層14在基材12上生長至約10至約50微米之間的厚度 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、訂 擎· 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 -18- 546844 A7 B7 五、煢明説明（4 (對於較高的P +摻雜而言，較大的厚度爲較佳，對於較大面 積的裝置而言，依電流分佈所需要的分佈電阻數量而定）° 然後，也使用偈統磊晶生長技術，使摻雜濃度在約2x1ο16至 約2U017原子/立方公分的範圍（對於較高的崩潰電壓而言， 較低的濃度爲_佳）之η型U)磊晶層16在ρ型磊晶層14上生 長至約1至約4微米之間的厚度（對於較高的崩潰電壓與較長 的擴散時間而言，較大的厚度爲較佳）。然後，再使用傳統 磊晶生長技術，使具有與層14相同的摻雜濃及厚度之Ρ型 (Ρ + )晶晶層18生長於η型嘉晶層16上。這些層14、16與18較 佳爲在一連續過程中生長，不使晶圓暴露於其間的空氣。 然後，藉由沈積與擴散，以足夠高的表面濃度形成歐姆接 觸，或藉由諸如鋁合金化的其他傳統方法，使一 ρ型（Ρ + + ) 區域20形成於ρ型磊晶層18中。 現在參考圖祕，然後，使用傳統技術，諸如低壓化學 蒸氣澱積，使氮化矽層22沈積於整個表面上。使用傳統光 阻罩幕與蝕刻過程，在氮化砂層2 2中形成所欲的圖案。然 後，使用圖案化的氮化矽層2 2充當罩幕，利用標準化學蝕 刻技術，形成溝渠23。溝渠23延伸足夠的深度，進入基材（ SP，遠遠越過二接面），以造成隔離及產生台面結構。圖8Β 顯示完成氮化矽罩幕與溝渠鈾刻步驟以後所得的結構。 現在參考圖8 C，依據本發明之一實施例，一厚、鈍化 的氧化矽層1 9 -較佳爲約1 /2微米-生長於圖8Β的結構上。 生長的氧化物層較佳爲沈積層，因爲摻雜物在氧化物生長 期間再分佈，因爲生長的氧化物層更密實，且因爲藉由使 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 攀· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -19- 546844 A7 B7 五、蘩明説明（0 表面上之相當部分的次微小灰塵燃燒或氧化而使蒸汽（使用 濕氧化）乾淨。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 例如，晶圓較佳爲安置於1 1 00 °C的蒸汽2小時，以生長 氧化物層。應該注意，氧化物層只生長於暴露的矽上，不 生長於氮化矽層22上。結果繪示於圖8C，其顯示一在台面 側壁上的二氧化矽層19。 如上述，在氧化期間，摻雜物的再分佈發生於氧化物 層附近。舉一特例，氧化物附近的磷濃度增加，而氧化物 附近的硼濃度減少。此導致接面互相彎離，且氧化物區域 中的η +區域1 6加寬。 最後，如果需要，可以執行某些額外的擴散，使崩潰 電壓降低至所欲的値。 然後，藉由移除氮化物層22，形成接觸開口 ，且使用 傳統技術（未顯示），由p型區域20與p型基材12形成接觸。 ► 例 依據以下的程序，在嘗試的程序中製成六晶圓。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在一連續的過程步驟中生長三磊晶層。在三層的連續 生長期間，晶圓不暴露於空氣且不冷卻。P + +基材具有自 0.005至0.002欧姆-公分之範圍的電阻率。第一 p +幕晶層的 厚度是10微米’且具有0.5歐姆-公分之電阻率。η晶晶層 的厚度是2· 5微米，且具有2· 5歐姆-公分之電阻率。第二ρ + 磊晶層的厚度是20微米，且具有〇· 5歐姆-公分之電阻率。 在磊晶層生長以後，於1 100 °C執行硼沈積步驟1小時，使溫 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -20- 546844 A7 B7 五、巍明説明（ιά 度緩慢上升及下降。此沈積在單一步驟中於晶圓的二側執 行5產生歐姆指"觸（Ρ + +區域）。 然後，使用傳統技術，沈積厚度爲200毫微米的氮化矽 層。 然後，一圖案化的光阻層施加至形成一台面罩幕（台面 溝區域是未由光阻遮蓋的區域）的結構。然後，使用 HF，HN〇3與醋酸之蝕刻介質，係此技藝習知者，將台面溝蝕 刻。 然後，使裝置在1100°C進行蒸汽氧化1小時，在很乾淨 的熔爐中使溫度緩慢上升及下降。 接著，各晶圓在11 00 °C進行自0至8小時的擴散時間， 以達成各種所欲的崩潰電壓。 然後，在電漿蝕刻步驟移除氮化物層（用於接觸開口）。 以標準方式將裝置精製，包含磨光、鍍鎳、晶圓測試、晶 圓鋸切，並組合於個別的裝置。 二晶圓進行相當短的擴散時間（即，在2小時或更少的 位階），產生在所欲的4至7伏特電壓範圍內之高品質雙向、 三磊晶 '暫態電壓抑制裝置。繪示這些裝置之一及標準 P6KE6.8CA(通用半導體公司雙向暫態電壓抑制器）齊納裝置 的雙向崩潰特徵之電流-電壓軌跡顯示於圖9A與9B。這些 圖中的水平軸對應於電壓，垂直軸對應的於電流。（水平）電 壓比例是每階梯2伏特。圖9A的（垂直）電流比例是每階梯2 毫安培；且放大十倍成爲圖9B的每階梯200微安培。 在圖9A與9B中，實驗性裝置與標準裝置二者在ι〇毫安 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS )八4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -21 - 546844 A7 B7 五、齋明説明（4 培具有7.02伏特的崩潰電壓。然而，在這些圖中的曲線b( 對應於本發明的雙向暫態電壓抑制裝置）具有遠比曲線a(對 應於標準裝置）尖銳的隅角。此效應可以在圖9B中看得更淸 楚’其具有膨脹的電流比例。更尖銳的隅角指示當趨近崩 潰電壓時之較低的洩漏電流。例如，與曲線a(標準裝置）有 關的電流在5.8伏特是230微安培，而與曲線b(本發明的雙向 暫恕電壓抑制裝置）有關的電流在5.8伏特是〇 · 8微安培：。医| 此，在此電壓，其比崩潰多1伏特，標準裝置的拽漏電流是 本發明的雙向暫態電壓抑制裝置之幾乎300倍。 測試來自相同晶圓的其他雙向暫態電壓抑制裝置，其 在10毫安培具有5.72伏特與6_ 26伏特的崩潰電壓。也測試來 自其他晶圓的雙向暫態電壓抑制裝置，其在1〇毫安培具有 5.20伏特、5.8 3伏特與6.74伏特的崩潰電壓。如同圖9八與96 的雙向暫態電壓抑制裝置，這些裝置中的每〜裝置具有比 關聯於P6KE6.6CA裝置者更尖銳的隅角，其指示當趨近崩 潰電壓時之較低的洩漏電流。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 雖然已顯示及說明本發明的實施例與例子，但專精於 此技藝的人可以明白，比上述更多的其他修改是可行的， 不會偏離本發明的觀念。所以，本發明不只限於所附的申 請專利範圍之精神。
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Claims (1)

  1. 546844 Α8 Β8 C8 D8 r、申請專利乾圍 1 1. 一種雙向暫態電壓抑制裝置，包括： 一第一導電型下半導體層； 一第一導電型上半導體層；及 一鄰近於且配置於該下與上層之間的中半導體層，該 中層具有與該第一導電型相反的第二導電型，俾使形成上 與下p-n接面， 其中該中層具有一淨摻雜濃度，其在該接面之間的中 點是最局的’ 沿著與該下、中及上層垂直的線之摻雜輪廓是俾使在 該中層中及該下與上層的至少一部分中，該中層之中心平 面之一側的摻雜輪廓與在該中心平面之對立側的摻雜輪廓 成爲鏡像，且 在接面之間的距離所取的中層之淨摻雜濃度的積分是 俾使當崩潰發生時，崩潰衝穿崩潰，而非突崩潰。 2. 如申請專利範圍第1項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中該第一導電型是P型導電，而該第二導電型是η型導電 〇 3. 如申請專利範圍第2項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中又包括一 Ρ+ +半導體基材，該下層是一沈積於該Ρ + +基材 上的第一磊晶Ρ+層，該中層是一沈積於該第一磊晶Ρ +層上 的磊晶η層，該上層是一沈積於該磊晶η層上的第二磊晶 Ρ+層，且各第一與第二磊晶Ρ +層的尖峰淨摻雜濃度是在磊 晶η層的尖峰~淨摻雜濃度之5至20倍的範圍。 4. 如申請專利範圍第3項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） HI m I ii mi « 111-· n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -23- 546844 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範園 2 中磊晶η層的尖峰淨摻雜濃度在2xl016公分·3至2xl〇17公分 的範圍。 5. 如申請專利範圍第4項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中第一與第二磊晶P +層的尖峰淨摻雜濃度在2x1 〇17公分·3至 公分_3的範圍。 6. 如申請專利範圍第4項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中上與下接面之間的距離是在0.2至1.5微米的範圍。 7. 如申請專利範圍第4項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中該積分在2χ 1012至lxlO13公分·2的範圍。 - 8. 如申請專利範圍第3項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中該第一與第二磊晶ρ+層足夠厚，以使電流更均勻分佈於 該裝置。 — 9. 如申請專利範圍第1項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中少數壽命、衝穿崩潰電壓與理論突崩潰電壓選擇爲產生 一具有負動態電阻的Vceo，其補償在啓動狀態的裝置之正 動態電阻的至少一部分。 10. 如申旨青專利範圍第3項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中又包括一形成於該第二磊晶P +層上表面的P + +歐姆接觸 〇 11. 如申請專利範圍第3項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中磷充當η型摻雜物，硼充當p型摻雜物。 1 2.如申請專利範圍第1項之雙向暫態電壓抑制裝置，其 中該第一導電型是η型導電，而該第二導電型是Ρ型導電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） m JTI-nm— —- —ϋ ml HI (Hi n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -24- 546844 A8 B8 C8 D8 X、申請專利乾園 3 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Π.如申旨靑專利範圍第12項之雙向暫態電壓抑制裝置， 其中又包括一 n + +基材，該下層是一沈積於該n + +基材上的 第一磊晶n+層，該中層是一沈積於該第一磊晶n +層上的磊 晶P層，該上層是一沈積於該磊晶P層上的第二磊晶n +層 〇 14. 一種製造雙向暫態電壓裝置之方法，包括： 提供一第一導電型半導體基材； 沈積第一導電型下磊晶層於該基材上； 沈積第二導電型中磊晶層於該下磊晶層上，該第二導 電型與該第一導電型相反，該下層與該中層形成下P-η接面 沈積第一導電型上磊晶層於該中磊晶層上，該中層與 該上層形成上p-n接面；及 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將該基林、該下磊晶層、該中磊晶層與該上磊晶層加 熱，俾使：（a)該中層具有一淨載體濃度，其在該接面之間 的中點是最高，（b)沿著垂直於下、中與上磊晶層的線，形 成一摻雜輪廍，其中在該中層與在該下與上層的至少一部 分中，該中層的中心線之一側上的摻雑輪廓是該中心線之 一對立側上的摻雜輪廓之鏡像，及（c)在接面之間的距離所 取的中層淨摻雜濃度的積分是俾使當崩潰發生時，崩潰衝 穿崩潰，而非突崩潰。 15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該第一導電型 是P型導電，而該第二導電型是η型導電。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之方法，其中該基材是Ρ + + 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -25- 546844 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 4 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 基材，該下嘉晶層是P +晶晶層，該中晶晶層是η晶晶層， 該上磊晶層是 Ρ +磊晶層，且各下與上Ρ +磊晶層的尖峰淨摻 雜濃度是在η磊晶層的尖峰淨摻雜濃度之5至20倍的範圍。 ‘ 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項之方法，其中η磊晶層的尖 峰淨摻雜濃度在2U016公分至2χ1017公分」的範圍。 18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中η磊晶層生長 的厚度是自1至4微米的範圍，而接面之間的距離於加熱以 後是在0.2至1.5微米的範圍。 19. 如申請專利範圍第16項之方法，其中積分在2x10"至 1 X 1 01'公分'2的範圍。 20. 如申請專利範圍第16項之方法，其中沈積時的上Ρ + 磊晶層的摻雜濃度比沈積時的下Ρ +磊晶層的摻雜濃度小1 % 至8 %之間。 21. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該第一導電型 是η型導電，而該第二導電型是Ρ型導電。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該基材是η + + 基材，該下裔晶層是η +裔晶層’該中裔晶層是ρ晶晶層， 該上磊晶層是η+磊晶層。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公嫠） - 26-
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