變容二極體和製造變容二極體的方法
2023-10-17 14:36:49
專利名稱：變容二極體和製造變容二極體的方法
技術領域：
本發明涉及一種製造變容二極體的方法，其中有著第一導電類型外延層的矽襯底通過在外延層中加入第一導電類型摻雜原子而具有第一區，通過在外延層中加入和第一導電類型相反的第二導電類型摻雜原子而具有緊靠外延層表面的第二區，由此在第二區和第一區之間形成pn結。本發明還涉及變容二極體、接收器元件和電視接收機。
變容二極體是其pn結在使用中通過pn結上的反向電壓而被反向偏置的二極體。在這種情況下pn結周圍區域的電荷載流子被耗盡，從而起電容介質的作用。該電容值可通過反向電壓來控制。反向電壓越高，耗盡區越大，電容也就越小。變容二極體在LC電路(L線圈，C電容)調諧的應用中通常被用作可變電容。如果電容C改變，該電路可被調諧，例如，變到不同的頻率。變容二極體被廣泛使用，比如在電視機的接收器件中。
美國專利NO.4,475,117公開了一種如首段所述類型的方法。
所描述的已知方法的缺點是用已知方法製造的變容二極體需要比較高的電壓變化以獲得足夠的電容變化。這樣用已知方法製造的變容二極體在電壓變化約25V時電容變化約20pF(參見US 4,475,117中的圖5)。這樣高的電壓變化對許多應用來說是不利的，特別是對用電池供電的可攜式應用，於是需要特別的電路來提供所需的較大電壓變化。
本發明的目的是通過製造對小得多的電壓變化而具有比較大電容變化的變容二極體的方法來特別克服這一缺點。
根據本發明，為此該方法的特徵在於第二區通過在表面產生含有第二導電類型摻雜原子的多晶矽層而形成，以及摻雜原子從這一層擴散到外延層中，由此pn結形成在距多晶矽小於0.3μm的地方。
比較淺的、陡的pn結通過本發明的方法而製得，即從第二導電類型材料到第一導電類型材料有突變，摻雜側面非常陡，即第一導電類型摻雜原子的濃度隨在表面下的深度變化迅速下降。可以發現，具有這種摻雜側面的陡變pn結的變容二極體對二極體上低得多的反向電壓會有大得多的電容變化。已知的變容二極體所具有的pn結在表面下約1μm的深度，這樣摻雜側面的梯度不是十分陡。
多晶矽層可被原位摻雜，其中摻雜原子在矽層澱積過程中加入。不過因為多晶矽的澱積通常在比較高的溫度下進行，這樣在澱積過程中已經有摻雜原子從多晶矽擴散到多延層中。優選地，具有摻雜原子的多晶矽層這樣形成首先形成未摻雜的多晶矽層，然後摻雜原子通過離子注入加到多晶矽層中，但不進入外延層中。在這種方法中有關在多晶矽澱積過程中摻雜原子擴散這方面的問題不會產生。
所用的第一導電類型摻雜原子可以是，比如磷、銻或砷原子。優選地，第一導電類型摻雜原子包括砷原子。砷原子擴散相當困難，所以一旦形成了摻雜側面，就不會受到擴散的幹擾，產生具有非常陡的梯度的摻雜側面也比較簡單。
當第二導電類型摻雜原子在850℃或更低溫度下從多晶矽層擴散到外延層中時，可得到另一個好處。薄的pn結在這種比較低的溫度下比較容易實現。在更高的擴散溫度下擴散時間變短了。這使得擴散過程更難控制，摻雜原子可輕易地擴散得過深，以至不能獲得陡的pn結。
優選地，在第一區形成以前，通過在外延層中加入第一導電類型摻雜原子，在外延層中形成比較深的第三區，之後在第三區中形成比較淺的第一區。具有不同注入量的第一導電類型的淺第一區和深第三區相結合，可提供更多的選擇摻雜梯度的可能性，以得到所需的電容/電壓曲線。該第三區的必要性特別通過應用中所需的電壓/電容變化量來確定。第一區通常具有陡摻雜側面，而深第三區使電容在更高電壓下隨反向電壓有更為平緩的梯度，這對使用變容二極體的接收器件的調諧行為具有良好作用。
第一區和第二區可以通過不同的掩模來形成。優選地，第一區和第三區，如果存在的話，通過掩模中的開口形成，之後不使用另外的掩模使上述開口擴大，第二區通過擴大的開口來形成。這樣使得可能只通過一次掩模而形成相互對準的兩個區。掩模是通過光刻工藝和腐蝕工藝形成的標準掩模。掩模中的開口可被擴大，比如其中掩模材料用各向同性腐蝕工藝腐蝕掉。這樣掩模厚度變得更薄，而掩模中的開口變得更大。
本發明還涉及一種變容二極體，它含有襯底、位於襯底上的第一導電類型矽外延層、位於外延層中並含有第一導電類型摻雜原子但比外延層摻雜更重的第一區，以及含有和第一導電類型相反的第二導電類型摻雜原子並和第一區形成pn結的第二表面區。
這樣變容二極體不同於US Pantent NO.4,475,117。
那裡所描述的已知變容二極體的缺點是需要比較大的電壓變化以獲得足夠的電容變化。這樣已知的變容二極體在電壓變化約33V時電容變化約20pF。這樣大的電壓變化在許多應用中是不利的，特別是在用電池供電的可攜式應用中，在這種情況下需要可提供所需較大電壓變化的特別的電壓。
本發明的目的是通過提供對低得多的電壓變化而具有比較大的電容變化的變容二極體來特別克服上述缺點。
根據本發明，為此該變容二極體的特徵在於第二表面區被摻雜有第二導電類型摻雜原子的多晶矽層覆蓋，pn結在距多晶矽小於0.3μm的地方。於是使得根據本發明的變容二極體在二極體上有低得多的反向電壓時將顯出大得多的電容變化。
根據本發明的變容二極體可有利地用在電視機的接收器件中。這種接收器件被調諧到通過天線接收到的信號上。調諧LC電路通常用在接收器件中，其具有變容二極體作為可變調諧元件C來使接收器件調諧到天線信號上。
已知的接收器件需要約33V的電源電壓以獲得足夠的調諧範圍。這樣高的電源電壓是不利的，因為在很多情況下它不得不單獨產生。於是在電視機中有一個獨立元件來產生這一電源電壓。這使得電視機更加複雜和昂貴。
本發明的目的是提供一種不需要高電源電壓但仍可在寬頻率範圍內調諧的接收器件。
為此，根據本發明的接收器件的特徵在於，該接收器件具有根據本發明的變容二極體或具有通過根據本發明的方法製造的變容二極體。比較低的電源電壓就足以滿足這種接收器件，因為該變容二極體為獲得比較大的電容變化只需要較小的反向電壓變化量。
本申請還涉及具有根據本發明的接收器件的電視機。這種電視機不需要有特殊的元件來產生比較高的、約33V的電源電壓。因此該電視機比已知的電視機更簡單、能量效率更高。這是一個重要優點，特別是在用電池工作的可攜式電視機中。
下面將參照附圖以實例對本發明作更加詳細的說明，附圖中
圖1到圖5顯示了根據本發明製造變容二極體的各個階段。
附圖完全是示意的、並沒有按比例畫出。在附圖中相對應的部分一般給予相同的參考標號。
圖1畫出了矽襯底1，在該實例中是低阻、銻摻雜的n++矽片，上面有第一導電類型外延層2，在該實例中為n型。在實施方案中製造的變容二極體適合用於電視機的接收器件中，頻帶為VHF低帶48-170MHz，VHF中帶170-460MHz，和UHF470-860MHz。外延層的厚度和摻雜由應用情況(電容-反向電壓曲線)和變容二極體所需的低串聯電阻來確定(見表1)。表1給出的厚度是在製造開始時的厚度。由於在變容二極體的製造過程中外延層的氧化以及摻雜原子從襯底向外延層的擴散，完成的變容二極體中外延層的最終厚度會小一些。
表1適合不同頻率範圍的變容二極體外延層2
的磷摻雜和層厚
外延層2通過在其中加入第一導電類型摻雜原子而具有第一區3(見圖2)。為此掩模層4形成在外延層2的表面上，在該實例中為1.2μm厚的二氧化矽(場氧化物)層。層4通過標準的光刻工藝形成圖案，由此形成有開口5的掩模。接著為了在後續注入中得到更均勻的摻雜原子分布，生長上30nm厚的散射氧化物6。在本實例中，以80keV的注入能量，通過開口5用比較深的摻雜原子注入，首先形成第三區7。摻雜原子，注入劑量，以及熱處理時間和溫度在以表2中給出。
表2對適合不同頻率範圍的變容二極體形成第三區7的摻雜
原子、劑量、後處理時間和溫度
比較淺的第一區3通過開口5由砷原子注入在第三區7中形成。注入劑量和能量在以下表3中給出。
表3對適合不同頻率範圍的變容二極體
形成第一區3的劑量和注入能量
然後第一區3在900℃給予後處理30分鐘。接著第二導電類型的第二區8在第一區3中形成。第一區3和第二區8可通過不同的掩模形成。在本實例中，第一區3通過掩模4中的開口5形成，之後不使用另外的掩模使開口5擴大成擴大開口5′，隨後第二區8通過擴大開口5′形成。這樣就可能只通過一次掩模4而形成相互對準的兩個區3和8。掩模4中的開口5可通過用各向同性腐蝕工藝從掩模腐蝕掉材料來擴大。在這一過程中掩模4的的氧化物厚度從1.2μm減小到0.5μm，掩模中的開口5變大約1.4μm(見圖3)。緊靠外延層表面12的第二區8通過擴大開口5′形成，其中和第一導電類型相反的第二導電類型摻雜原子引入到外延層中，由此pn結15形成在第二區和第一區之間。根據本發明，在第二區的形成中，具有第二導電類型摻雜原子的多晶矽層9加在表面12上(見圖4)。在該實例中，300nm厚、未摻雜的多晶矽9首先形成在外延層2的表面12之上。然後硼摻雜原子加入多晶矽層9中，但不進入外延層2中。為此，硼離子用離子注入方法以30keV注入能量、5×1015/cm2的劑量注入到多晶矽層中。對這一厚度的多晶矽層，硼離子注入能量必須低於40keV，因為在高於40keV的注入能量下部分硼已經會注入到外延層2中。在這種方法中、在多晶層的澱積過程中不會有摻雜原子擴散開的問題，因為在澱積中多晶層中還沒有硼原子。摻雜層9通過標準的光刻工藝形成圖案。硼摻雜原子從摻雜層9擴散到外延層2中。當第二導電類型摻雜原子在850℃或更低溫度下從多晶層擴散到外延層可得到另一個好處。在這種比較低的溫度下薄pn結比較容易實現。在更高擴散溫度下擴散時間變短了，這使得擴散過程很難控制，摻雜原子也容易擴散過深。在本實例中，採用850℃約40分鐘的熱處理，於是pn結15形成在距多晶矽9小於0.3μm的地方，這裡的距離是0.06μm(見圖5)。然後0.5μm厚的鋁層10形成在表面上，並通過標準光刻和腐蝕工藝形成圖案。該鋁層10用來接觸多晶層9。該器件還通過PECVD工藝以標準方式加上0.75μm氮化矽鈍化層11。然後襯底被分成單個變容二極體，每個最終被安裝在封裝之中。
圖5所示的變容二極體含有襯底1，位於襯底上的第一導電類型矽外延層2，在外延層中並含有第一導電類型摻雜原子但比外延層2摻雜更重的第一區3，以及含有和第一導電類型相反的第二導電類型摻雜原子、並和第一區形成pn結15的第二表面區8。根據本發明，該變容二極體的特徵在於第二表面區8覆蓋摻雜有第二導電類型摻雜原子的多晶矽層9，而pn結位於距多晶矽9小於0.3μm的地方。
圖6顯示出根據本發明的變容二極體的電容電壓特性，適合的頻率範圍為VHF低帶(曲線20)、VHF中帶(曲線21)和UHF帶(曲線22)。圖中變容二極體的電容C畫在縱坐標上，變容二極體上的反向電壓Vs在橫坐標上。根據本發明的變容二極體對於變容二極體上約8V的電壓變化有約40pF的電容變化。這樣根據本發明的變容二極體對二極體上較低的反向電壓具有大的電容變化。根據本發明的變容二極體具有和已知變容二極體幾乎相等的串聯電阻。
本發明並不局限於以上所述的實施方案和應用。在實例中製造了用於電視機特殊頻帶的這些變容二極體。很明顯，通過調節外延層、第一、第二和第三區，用於其他頻帶的變容二極體也可製造出來。根據本發明，例如，變容二極體也可適用於電訊目的具有約250MHz到3GHz的頻帶。也有可能製造具有比較低的所謂電容比(＝電容變化量/反向電壓變化量)的變容二極體，例如，對約10V的反向電壓變化有因子3的電容變化。已知的變容二極體也具有這樣低的電容比，但那種情況下變容二極體的串聯電阻比較高。根據本發明的變容二極體由於調節外延層的厚度而具有低串聯電阻。
上面描述了某些製造變容二極體的技術。這並不意味著根據本發明的方法只能採用這些技術。例如，摻雜原子注入到多晶矽層中的方法可由另外的技術來替換。比如用低溫CVD的澱積方法，如在750℃。已知技術的更多細節可在一些手冊中找到，比如施敏的「VLSI工藝」(S.M.Sze「VLSI Technology」，Mc-Graw-Hill Book Company)和S.Wolf的「用於VLSI Era的矽工藝」(「Silicon Processing for theVLSI Era」，Vols.1，2，Lattic Press)。
權利要求
1.一種製造變容二極體的方法，其中有著第一導電類型外延層的矽襯底通過在外延層中加入第一導電類型摻雜原子而具有第一區，通過在外延層中加入和第一導電類型相反的第二導電類型摻雜原子而具有緊靠外延層表面的第二區，由此pn結形成在第二區和第一區之間，其特徵在於第二區通過在表面產生含有第二導電類型摻雜原子的多晶矽層而形成，以及，摻雜原子從這一層擴散到外延層中，由此pn結形成在距多晶矽小於0.3μm的地方。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於在形成含有摻雜原子的多晶矽層時，首先形成未摻雜的多晶矽層，然後摻雜原子通過離子注入加到多晶矽層中，但不進入外延層中。
3.根據前述任何一項權利要求的方法，其特徵在於第一導電類型摻雜原子包括砷原子。
4.根據前述任何一項權利要求的方法，其特徵在於第二導電類型摻雜原子在850℃或更低溫度下從多晶層擴散到外延層中。
5.根據前述任何一項權利要求的方法，其特徵在於，在第一區形成前，比較深的第三區通過在外延層中加入第一導電類型摻雜原子形成在外延層中，之後比較淺的第一區形成在該第三區中。
6.根據前述任何一項權利要求的方法，其特徵在於第一區通過掩模中的開口形成，之後該開口不使用另外的掩模被擴大，第二區通過該擴大開口形成。
7.一種變容二極體，它含有襯底，位於襯底上的第一導電類型矽外延層，位於外延層中、並含有第一導電類型摻雜原子但比外延層摻雜更重的第一區，以及含有和第一導電類型相反的第二導電類型摻雜原子，並和第一區形成pn結的第二表面區，其特徵在於第二表面區上覆蓋了摻雜有第二導電類型摻雜原子的多晶矽層，pn結位於距多晶矽小於0.3μm的地方。
8.一種用在電視機中的接收器件，其特徵在於接收器件具有根據權利要求7的變容二極體或具有用根據權利要求1到6中任何一項的方法製造的變容二極體。
9.一種電視機，其特徵在於具有根據權利要求8的接收器件。
全文摘要
本發明涉及一種製造變容二極體的方法，其中有著第一導電類型外延層的矽襯底通過在外延層中加入第一導電類型摻雜原子而具有第一區，通過在外延層中加入和第一導電類型相反的第二導電類型摻雜原子而具有緊靠外延層表面的第二區，由此在第二區和第一區之間形成pn結。根據本發明，這種方法的特徵在於在第二區的形成中，具有第二導電類型摻雜原子的多晶矽層在表面形成，以及摻雜原子從這一層擴散到外延層中，由此pn結形成在距多晶矽小於0.3μm的地方。根據本發明的措施導致變容二極體的製造，其pn結在pn結上的反向電壓變化比較小時、pn結周圍的耗盡區電容有很寬的變化範圍。
文檔編號H01L29/93GK1165586SQ96191080
公開日1997年11月19日 申請日期1996年9月11日 優先權日1995年9月18日
發明者F·R·J·休斯曼, O·J·A·拜克, W·拜奇 申請人:菲利浦電子有限公司