JP2006210540A - ダイオード及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 PINダイオードのスイッチング速度を向上させる。
【解決手段】 PINダイオードでは、カソードとしてのN+層1上にエピタキシャル成長法で形成されたI層としてのP−エピ層2が設けられ、 N+層1及びP−エピ層2はPINダイオードを製造する場合のシリコン基板3として用いられる。このP−エピ層2の表面(第1主面)にはアノードとしてのP+層8が選択的に形成されている。そして、 P−エピ層2を貫通し、 N+層1まで達するメサエッチング溝5がP+層8を分離するように形成されている。
【選択図】 図1
【解決手段】 PINダイオードでは、カソードとしてのN+層1上にエピタキシャル成長法で形成されたI層としてのP−エピ層2が設けられ、 N+層1及びP−エピ層2はPINダイオードを製造する場合のシリコン基板3として用いられる。このP−エピ層2の表面(第1主面)にはアノードとしてのP+層8が選択的に形成されている。そして、 P−エピ層2を貫通し、 N+層1まで達するメサエッチング溝5がP+層8を分離するように形成されている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、PINダイオードに係り、特にI層が低濃度P型不純物層であるダイオード及びその製造方法に関する。
スイッチング速度が速く、順方向電圧(Vf)降下の小さな低損失PIN(Positive Intrinsic Negative)ダイオードは、アンテナスイッチ、位相シフト、或いはスイッチングレギュレータなどの整流素子などに適用されている(例えば、特許文献1参照。)。
近年、電子機器の高速化・高周波化の進展に伴い、電子機器に搭載されるPINダイオードには、より一層スイッチング速度の向上が求められている。ところが、特許文献1などに記載されているPINダイオードでは、I(イントリンシック)層にN−層が用いられている。 N−層を用いた場合、少数キャリアがホールとなるのでスイッチング速度を向上しにくいという問題点がある。また、接合部がP+N−の場合、アノードであるP+層を高濃度にすると結晶欠陥等が発生しやすいので、アノードであるP+層を高濃度、例えば、5×1019/cm3以上にするのが困難であり、順方向電圧(Vf)を小さくしにくいという問題点がある。更に、 P+層を表面から拡散等により形成した場合、 P+層を急峻な不純物プロファイルにできないので、理想的な階段状のP+N−ダイオードにするのが困難であるという問題点がある。
特開2004−14658号公報(頁5、図2)
本発明は、スイッチングスピードを向上させたダイオード及びその製造方法を提供する。
上記目的を達成するために、本発明の一態様のダイオードは、5×1019/cm3以上の高不純物濃度の第1導電型のカソード層と、前記カソード層の第1主面に設けられ、2.6×1013/cm3以下の低不純物濃度のイントリンシック層としての第2導電型の半導体層と、前記半導体層の第1主面に選択的に設けられた第2導電型のアノード層とを具備することを特徴とする。
更に、上記目的を達成するために、本発明の一態様のダイオードの製造方法は、5×1019/cm3以上の高不純物濃度の第1導電型のカソード層の第1主面にエピタキシャル法により、2.6×1013/cm3以下の低不純物濃度のイントリンシック層としての第2導電型の半導体層を形成する工程と、前記半導体層の第1主面に、第2導電型のアノード層を選択的に形成する工程と、前記アノード層の間の前記半導体層を貫いて、前記カソード層に達し、前記アノード層及び前記半導体層を分離するメサエッチング溝を形成する工程とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチングスピードを向上させたダイオード及びその製造方法を提供することができる。
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の実施例1に係るダイオード及びその製造方法について、図面を参照して説明する。図1はPINダイオードを示す断面図、図2は図1のA−A断面に沿うPINダイオードの不純物プロファイルである。本実施例では、PINダイオードのI層にP−層を用い、メサエッチング溝を素子間の分離に適用している。
図1に示すように、PINダイオードでは、カソードとしてのN+層1上にエピタキシャル成長法で形成されたI層としてのP−エピ層2が設けられ、 N+層1及びP−エピ層2はPINダイオードを製造する場合のシリコン基板3として用いられる。このP−エピ層2の表面(第1主面)にはアノードとしてのP+層8が選択的に形成されている。そして、 P−エピ層2を貫通し、 N+層1まで達するメサエッチング溝5がP+層8を分離するように形成されている。
P−エピ層2、P+層8の一部、及びメサエッチング溝5上には、シリコン酸化膜6及び絶縁膜9が積層形成されている。図示しないコンタクト開口部がP+層8の一部を露出するように設けられ、この露出されたP+層8に、例えば、AL−Si膜からなるアノード電極10が形成されている。アノード電極10及び絶縁膜9上には、PINダイオードの信頼性を維持するために表面保護膜11が形成されている。また、シリコン基板3のN+層1の裏面(第2主面)にはカソード電極12が形成されている。なお、カソード電極12には、AuSn膜、AuGe膜、或いはAuSb膜などを用いる。
ここで、PINダイオードをモールド樹脂等に封止する場合、メサエッチング溝5のシリコン酸化膜6及び絶縁膜9を選択的にエッチング除去し、ブレードダイシングやレーザダイシングなどを用いて、1つ或いは複数のPINダイオードを分離する。なお、メサエッチング溝5は、 PINダイオードのP+層8の分離として用いるばかりでなく、PINダイオードをチップに分離するためのダイシングラインとして用いている。このため、PINダイオードの製造工程を簡略化することができる。
図2に示すように、PINダイオードのカソード層としてのN+層1は、ドナーであるAs(砒素)を1×1020/cm3(抵抗率 0.001Ωcm)含んでいる。PINダイオードのI層としてのP−エピ層2は、アクセプターであるB(硼素)を1.3×1013/cm3(1000Ωcm)含み、I層幅であるWiが25μmである。 PINダイオードのアノード層としてのP+層8は、アクセプターであるB(硼素)の表面濃度が5×1019/cm3である。
ここで、不純物プロファイルの評価方法は、例えば、B(硼素)で1×1015/cm3以上の領域ではSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)などの分析機器から算出し、1×1015/cm3以下の低不純物領域ではC−V法やSpreading Resistance法などを用いてキャリア濃度を求め、その値を換算して不純物濃度を算出している。また、抵抗率(ρ)と不純物濃度(N)の関係は、例えば、B(硼素)では、
ρ=1.3×1016/Nb・・・・・・・・・・・・・・・・式(1)
を用いている。なお、NbはB(硼素)の濃度である。
ρ=1.3×1016/Nb・・・・・・・・・・・・・・・・式(1)
を用いている。なお、NbはB(硼素)の濃度である。
次に、PINダイオードのスイッチング特性について図3を参照して説明する。図3はPINダイオードの容量と抵抗の関係を示した特性図で、図中の破線(a)は従来の特性を示し、実線(b)は本実施例の特性を示す。ここで、従来のPINダイオードではI層にN−層を用いている。
図3に示した特性図から明らかのように、従来では、 PINダイオードのスイッチング特性としての0Vでの PINダイオードの容量(C)と PINダイオードの抵抗(Rs)の積であるCR時定数は、 I層にN−層を用い、少数キャリアがホールであるため、比較的大きな値となる。
一方、本実施例では、PINダイオードのスイッチング特性としての0VでのPINダイオードの容量(C)とPINダイオードの抵抗(Rs)のCR時定数の積は、I層にP−層を用い、少数キャリアがエレクトロンであるため、従来よりも小さくすることができる(ここでは、25%改善)。
ここで、 N+層1を1×1020/cm3(0.001Ωcm)に設定しているが、5×1019/cm3(0.006Ωcm)から1×1020/cm3(0.001Ωcm)の範囲が好ましい。5×1019/cm3以下の場合、PINダイオードの順方向電圧(Vf)が大きくなり、 1×1020/cm3以上の場合、 P−エピ層2のエピタキシャル成長中でのAs(砒素)のオートドーピングの影響でP−エピ層2の濃度を制御することが困難となる。また、 P−エピ層2を1.3×1013/cm3(1000Ωcm)に設定しているが、2.6×1012/cm3(5000Ωcm)から2.6×1013/cm3(500Ωcm)の範囲が好ましい。2.6×1012/cm3以下の場合、P−エピ層2のエピタキシャル成長でのP型不純物濃度を制御することが困難となり、2.6×1013/cm3以上の場合、 PINダイオードの容量が大きくなりスイッチング速度が低下する。
次に、PINダイオードの製造方法について、図4及び図5を参照して説明する。図4及び図5はPINダイオードの製造工程を示す断面図である。
図4(a)に示すように、まず、 N+層1上にP−エピ層2が形成されたシリコン基板3の表面を高温酸化してシリコン酸化膜4を形成する。次に、周知のリソグラフィー法によりレジスト膜を選択的に形成し、レジスト膜をマスクにしてシリコン酸化膜4をエッチング除去する。続いて、レジスト膜を剥離する。そして、このシリコン酸化膜4をマスクとして、混酸などのHF系の薬液を用いてP−エピ層2及びN+層1の一部をエッチング除去し、N+層1に達するメサエッチング溝5を形成する。
次に、図4(b)に示すように、シリコン酸化膜4を剥離した後、再度シリコン基板3の表面を高温酸化してシリコン酸化膜6を形成する。そして、周知のリソグラフィー法によりレジスト膜を選択的に形成し、レジスト膜をマスクにしてアノード形成予定部のシリコン酸化膜6をエッチング除去し、 アノード形成予定部のP−エピ層2を露呈する。
続いて、図5(a)に示すように、アノード形成予定部のP−エピ層2及びシリコン酸化膜6上にBSG(Borosilicate glass)膜7をCVD法により堆積する。そして、高温拡散によりP−エピ層2表面にアノードとしてのP+層8を形成する。ここで、 BSG膜7の代わりに、ボロンイオン注入及び高温熱処理を用いてP+層8を形成してもよい。
次に、図5(b)に示すように、 BSG膜7を剥離した後、例えば、CVD法によりアンドープシリコン酸化膜及びBPSG(Borophosphosilicate glass)膜からなる積層絶縁膜9を堆積する。続いて、周知のリソグラフィー法によりレジスト膜を選択的に形成し、レジスト膜をマスクにして絶縁膜9をエッチング除去し、 図示しないコンタクト開口部のP+層8を露呈する。そして、P+層8表面に、アノード電極10を選択的に形成する。なお、これ以降の工程は説明を省略する。
上述したように、本実施例のダイオードでは、カソードとしてのN+層1上にエピタキシャル成長法で形成されたI層としてのP−エピ層2が設けられ、 N+層1及びP−エピ層2はシリコン基板3として用いられる。このP−エピ層2の表面(第1主面)にはアノードとしてのP+層8が選択的に形成されている。そして、 P−エピ層2を貫通し、 N+層1まで達するメサエッチング溝5がP+層8を分離するように形成され、N+層1とP−エピ層2の接合部分がN+P−ダイオードとして動作する。
このため、P−エピ層2中の少数キャリアがエレクトロンとなり、従来のN−層中の少数キャリアがホールの場合に比べ、PINダイオードのスイッチング速度を向上することができる。また、N+層1を高濃度にすることができるのでPINダイオードの順方向電圧(Vf)を小さくすることができる。更に、メサエッチング溝5をアノードとしてのP+層8の分離として用いるばかりでなく、PINダイオードをチップに分離するためのダイシングラインとして用いているので、PINダイオードの製造工程を簡略化することができる。
次に、本発明の実施例2に係るダイオード及びその製造方法について、図面を参照して説明する。図6はPINダイオードに用いられるシリコン基板の製造工程を示す断面図である。本実施例では、貼り合わせウエーハからなるシリコン基板を用いている。
図6(a)に示すように、まず、 ドナーであるAs(砒素)を1×1020/cm3(0.001Ωcm)含むN+シリコンウエーハ1aとアクセプターであるB(硼素)を1.3×1012/cm3(10000Ωcm)含みP−シリコンウエーハ2aをHCL、H2O2、及びH2OからなるSC1液やHF液などを用いて清浄処理し、N+シリコンウエーハ1a及びP−シリコンウエーハ2aの張り合わせを行う。
ここで、 N+シリコンウエーハ1a及びP−シリコンウエーハ2aの張り合わせ面は鏡面で且つ面粗さを0.5nm以下にするのが好ましい。面粗さが0.5nm以上になるとN+シリコンウエーハ1a及びP−シリコンウエーハ2aの良好な張り合わせが困難となる。また、貼り合わせ面のシリコン酸化膜を1.2nm以下に抑えて張り合わせを行うのが好ましく、例えば、HF液などを用いて、シリコン酸化膜の除去の洗浄処理を行った後2時間以内に貼り合わせを行うのがよい。
次に、図6(b)に示すように、 例えば、850〜900℃、DryO2雰囲気で2時間熱処理を行うことにより、N+シリコンウエーハ1a及びP−シリコンウエーハ2aを張り合わせる。上記条件で張り合わせられたウエーハでは、欠陥の発生が抑制され、且つ連続性の高い張り合わせが実現される。
続いて、図6(c)に示すように、張り合わせられたウエーハのP−シリコンウエーハ2aを研削及び鏡面研磨して所望の厚さにする。そして、 N+シリコンウエーハ1a と研削及び鏡面研磨されたP−シリコンウエーハ2aからなるシリコン基板3aはPINダイオードの製造に用いられる。
なお、張り合わせで形成されたシリコン基板3aは、エピタキシャル成長で形成された実施例1のシリコン基板と比較して、貼り合わせを行うための熱処理しか実施されていないので、As(砒素)のオートドーピングを大幅に抑制することができる。ここで、PINダイオードの製造方法は実施例1と同様なので説明を省略する。
次に、PINダイオードの不純物プロファイルについて図7を参照して説明する。図7はP+層(アノード)、I層、及びN+層(カソード)の不純物プロファイルで、図中の実線(a)は貼り合わせウエーハからなるシリコン基板を用いて製造された本実施例のPINダイオードの不純物プロファイルで、破線(b)は実施例1のPINダイオードの不純物プロファイルである。
図7に示すように、本実施例の張り合わせウエーハのシリコン基板3aを用いたPINダイオードでは、 PINダイオードのI層としてのP−層を実施例1の1.3×1013/cm3(1000Ωcm)よりも1桁濃度の低い1.3×1012/cm3(10000Ωcm)に設定でき、且つ P−エピ層2へのAs(砒素)のオートドーピングが観測される実施例1と比較して、 As(砒素)のオートドーピングを大幅に抑制することができ、理想的な階段状の不純物プロファイルを有するN+P−ダイオードを形成することができる。
ここで、P−層としてのP−シリコンウエーハ2aの濃度を1.3×1012/cm3(10000Ωcm)に設定しているが、P−層としてのP−シリコンウエーハ2aの濃度を1.3×1011/cm3(100000Ωcm)から2.6×1013/cm3(500Ωcm)の範囲が好ましい。1.3×1011/cm3(100000Ωcm)以上の場合、P型のシリコン結晶成長が困難となり、2.6×1013/cm3(500Ωcm)以上の場合、PINダイオードの容量が大きくなりスイッチング速度が低下する。なお、P型低不純物濃度、例えば、B(硼素)を1.3×1011/cm3(100000Ωcm)有するシリコンウエーハには、市販のFZ(Floating Zone)法で形成されたものを用いている。
上述したように、本実施例のダイオードでは、N+シリコンウエーハ1aとP−シリコンウエーハ2aを張り合わせて形成されたシリコン基板3aのP−シリコンウエーハ2a表面にアノードとしてのP+層8が選択的に形成されている。そして、P−層としてのP−シリコンウエーハ2aを貫通し、N+層としてのN+シリコンウエーハ1aまで達するメサエッチング溝5がP+層8を分離するように形成されている。そして、N+層としてのN+シリコンウエーハ1aとP−層としてのP−シリコンウエーハ2aの接合部分がN+P−ダイオードとして動作する。
このため、P−層としてのP−シリコンウエーハ2a中の少数キャリアがエレクトロンとなり、N+層としてのN+シリコンウエーハ1aを高濃度にすることができるのでPINダイオードの順方向電圧(Vf)を小さくすることができる。また、メサエッチング溝5をアノードとしてのP+層8の分離として用いるばかりでなく、PINダイオードをチップに分離するためのダイシングラインとして用いているので、PINダイオードの製造工程を簡略化することができる。更に、実施例1よりもP−層としてのP−シリコンウエーハ2aを低濃度にすることができるのでPINダイオードの容量を小さくすることができ、スイッチング速度を実施例1よりも向上することができる。
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。
例えば、本実施例では、メサエッチング溝5を混酸などのHF系の薬液を用いて形成しているが、ドライエッチングを用いて形成してもよい。また、シリコンPINダイオードに適用したが、GaAsなどの化合物系のPINダイオードにも適用できる。
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 5×1019/cm3以上、1×1020/cm3以下の範囲の高不純物濃度の第1導電型のカソード層と、前記カソード層の第1主面に設けられ、2.6×1012/cm3以上、2.6×1013/cm3以下の範囲の低不純物濃度のイントリンシック層としての第2導電型の半導体層と、前記半導体層の第1主面に選択的に設けられた第2導電型のアノード層と、前記アノード層の間の前記半導体層を貫いて、前記カソード層に達し、前記アノード層及び前記半導体層を分離するメサエッチング溝とを有し、前記カソード層と前記半導体層界面に非晶質SiO×がないことを特徴とするダイオード。
(付記1) 5×1019/cm3以上、1×1020/cm3以下の範囲の高不純物濃度の第1導電型のカソード層と、前記カソード層の第1主面に設けられ、2.6×1012/cm3以上、2.6×1013/cm3以下の範囲の低不純物濃度のイントリンシック層としての第2導電型の半導体層と、前記半導体層の第1主面に選択的に設けられた第2導電型のアノード層と、前記アノード層の間の前記半導体層を貫いて、前記カソード層に達し、前記アノード層及び前記半導体層を分離するメサエッチング溝とを有し、前記カソード層と前記半導体層界面に非晶質SiO×がないことを特徴とするダイオード。
(付記2) 5×1019/cm3以上の高不純物濃度の第1導電型のカソード層の第1主面に2.6×1013/cm3以下の低不純物濃度のイントリンシック層としての第2導電型の半導体層を形成する工程と、前記半導体層の第1主面に、第2導電型のアノード層を選択的に形成する工程と、前記アノード層の間の前記半導体層を貫いて、前記カソード層に達し、前記アノード層及び前記半導体層を分離するメサエッチング溝を形成する工程と、前記メサエッチング溝の底部をダイシングして、前記カソード層、前記半導体層、及び前記アノード層から構成されるPINダイオードをチップに分離する工程とを具備するダイオードの製造方法。
1 N+層(カソード層)
1a N+シリコンウエーハ
2 P−エピ層
2a P−シリコンウエーハ
3、3a シリコン基板
4、6 シリコン酸化膜
5 メサエッチング溝
7 BSG膜
8 P+層(アノード層)
9 絶縁膜
10 アノード電極
11 表面保護膜
12 カソード電極
1a N+シリコンウエーハ
2 P−エピ層
2a P−シリコンウエーハ
3、3a シリコン基板
4、6 シリコン酸化膜
5 メサエッチング溝
7 BSG膜
8 P+層(アノード層)
9 絶縁膜
10 アノード電極
11 表面保護膜
12 カソード電極
Claims (5)
- 5×1019/cm3以上の高不純物濃度の第1導電型のカソード層と、
前記カソード層の第1主面に設けられ、2.6×1013/cm3以下の低不純物濃度のイントリンシック層としての第2導電型の半導体層と、
前記半導体層の第1主面に選択的に設けられた第2導電型のアノード層と、
を具備することを特徴とするダイオード。 - 5×1019/cm3以上の高不純物濃度の第1導電型のカソード層と、
前記カソード層の第1主面に設けられ、2.6×1013/cm3以下の低不純物濃度のイントリンシック層としての第2導電型の半導体層と、
前記半導体層の第1主面に選択的に設けられた第2導電型のアノード層と、
前記アノード層の間の前記半導体層を貫いて、前記カソード層に達し、前記アノード層及び前記半導体層を分離するメサエッチング溝と、
を具備することを特徴とするダイオード。 - 5×1019/cm3以上、1×1020/cm3以下の範囲の高不純物濃度の第1導電型のカソード層と、
前記カソード層の第1主面に設けられ、1.3×1011/cm3以上、2.6×1013/cm3以下の範囲の低不純物濃度のイントリンシック層としての第2導電型の半導体層と、
前記半導体層の第1主面に選択的に設けられた第2導電型のアノード層と、
前記アノード層の間の前記半導体層を貫いて、前記カソード層に達し、前記アノード層及び前記半導体層を分離するメサエッチング溝と、
を具備することを特徴とするダイオード。 - 5×1019/cm3以上の高不純物濃度の第1導電型のカソード層の第1主面にエピタキシャル法により、2.6×1013/cm3以下の低不純物濃度のイントリンシック層としての第2導電型の半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の第1主面に、第2導電型のアノード層を選択的に形成する工程と、前記アノード層の間の前記半導体層を貫いて、前記カソード層に達し、前記アノード層及び前記半導体層を分離するメサエッチング溝を形成する工程と、
を具備することを特徴とするダイオードの製造方法。 - 5×1019/cm3以上の高不純物濃度の第1導電型の第1のシリコンウエーハと、2.6×1013/cm3以下の低不純物濃度の第2導電型の第2のシリコンウエーハとを貼り合わせる工程と、
前記第2のシリコンウエーハの、第1のシリコンウエーハと相対向する面を所定の厚さに研削及び鏡面研磨し、前記第1のシリコンウエーハを第1導電型のカソード層とし、前記第2のシリコンウエーハをイントリンシック層としての第2導電型の半導体層とする工程と、
前記半導体層の第1主面に、第2導電型のアノード層を選択的に形成する工程と、前記アノード層の間の前記半導体層を貫いて、前記カソード層に達し、前記アノード層及び前記半導体層を分離するメサエッチング溝を形成する工程と、
を具備することを特徴とするダイオードの製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005019063A JP2006210540A (ja) | 2005-01-27 | 2005-01-27 | ダイオード及びその製造方法 |
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JP (1) | JP2006210540A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008243863A (ja) * | 2007-03-24 | 2008-10-09 | Renesas Technology Corp | Pinダイオードとその製造方法 |
-
2005
- 2005-01-27 JP JP2005019063A patent/JP2006210540A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2008243863A (ja) * | 2007-03-24 | 2008-10-09 | Renesas Technology Corp | Pinダイオードとその製造方法 |
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