JP2008124226A - Pin diode, method of manufacturing same, circuit including same, and method of applying resist material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、PINダイオード、PINダイオードの製造方法、PINダイオードを含む回路およびレジスト材料の塗布方法に関する。より詳細には、化合物半導体等の半導体基板上にさまざまな材料を順次積層させて製造されるPINダイオードの製造方法、それに用いるレジスト材料の塗布方法、および、これらの方法により製造されたPINダイオード、および、当該PINダイオードを含む回路に関する。 The present invention relates to a PIN diode, a method of manufacturing a PIN diode, a circuit including the PIN diode, and a method of applying a resist material. More specifically, a method of manufacturing a PIN diode manufactured by sequentially laminating various materials on a semiconductor substrate such as a compound semiconductor, a method of applying a resist material used therefor, and a PIN diode manufactured by these methods, And a circuit including the PIN diode.
モノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)は、マイクロ波回路技術と半導体集積回路製造技術とを融合して製造され、既に100GHz程度までの帯域に対応したMMICが発表されてはいる。しかしながら、すでに高度に普及したディジタル集積回路、Si集積回路等に比べると現在の集積規模はまだ小さく、より高密度な実装が試みられている。 A monolithic microwave integrated circuit (MMIC) is manufactured by combining microwave circuit technology and semiconductor integrated circuit manufacturing technology, and an MMIC corresponding to a band up to about 100 GHz has already been announced. However, compared with digital integrated circuits, Si integrated circuits, and the like that have already been widely used, the current integration scale is still small, and higher-density mounting has been attempted.
MMICを形成する素子のひとつにPINダイオードがある。PINダイオードは、不純物濃度が高いp型半導体により形成されたP層、不純物が添加されない真性半導体により形成されたI層、および、不純物濃度が高いn型半導体により形成されたN層を順次接合して形成されるPIN構造を含む。また、MMICにPINダイオードを集積回路に実装する場合は、P層、I層およびN層を基板表面から順次積層した縦型構造が好ましい。なお、積層の順序は、基板側からP−I−NであってもN−I−Pであってもよい。また、PINダイオードを周辺の回路に接続する電極は、PIN構造体の近傍において基板表面に形成されることが配線技術上好ましい。ただし、PIN構造体の上部側電極は、エアブリッジ等の立体的な導体構造物により基板上の回路に接続される。 One of the elements forming the MMIC is a PIN diode. The PIN diode is formed by sequentially joining a P layer formed of a p-type semiconductor having a high impurity concentration, an I layer formed of an intrinsic semiconductor to which no impurity is added, and an N layer formed of an n-type semiconductor having a high impurity concentration. A PIN structure formed. Further, when a PIN diode is mounted on an integrated circuit in an MMIC, a vertical structure in which a P layer, an I layer, and an N layer are sequentially stacked from the substrate surface is preferable. The order of stacking may be P-I-N or N-I-P from the substrate side. In addition, it is preferable in terms of wiring technology that the electrode for connecting the PIN diode to the peripheral circuit is formed on the substrate surface in the vicinity of the PIN structure. However, the upper electrode of the PIN structure is connected to a circuit on the substrate by a three-dimensional conductor structure such as an air bridge.
下記特許文献1には、半導体基板の表面にP型層を、裏面にN型層をそれぞれ形成して、基板自体をI型層とすることにより、縦型PIN構造を形成することが記載される。また、下記特許文献2には、基板上に、p型層、高抵抗層およびn型層が順次積層された構造が記載される。 The following Patent Document 1 describes that a vertical PIN structure is formed by forming a P-type layer on the front surface of a semiconductor substrate and an N-type layer on the back surface, and making the substrate itself an I-type layer. The Patent Document 2 below describes a structure in which a p-type layer, a high resistance layer, and an n-type layer are sequentially stacked on a substrate.
PINダイオードにおいては、電流の流れる方向に一致するI層の厚さTを十分に厚くすることにより、少数キャリアのライフタイムτを長くすることができる。これにより、マイクロ波帯およびミリ波帯の回路に用いられる場合に、再結合時間を長くして高周波信号歪みを低減できることが知られる。このような目的で、高周波回路で用いられるPINダイオードではI層の厚さが5μmを越える場合がある。 In the PIN diode, the minority carrier lifetime τ can be increased by sufficiently increasing the thickness T of the I layer that coincides with the direction of current flow. As a result, it is known that when used in microwave band and millimeter wave band circuits, the recombination time can be extended to reduce high-frequency signal distortion. For this purpose, the PIN diode used in the high-frequency circuit may have an I layer thickness exceeding 5 μm.
また、PINダイオードは、最下層を基板自体に不純物を注入して形成する場合がある。この場合、基板上の素子領域をメサ構造として、暗電流および接合容量を減少させると共に、接合面積を制限して接合端部の不均一による局所的降伏を防止できる。ただし、前記した厚いI層を有するPINダイオードでは、メサ構造により形成された基板表面の段差と、PIN構造自体の高さとを合わせると、基板のエピタキシャル面からPIN構造の頂面までの高さの差が10μm以上にも及ぶ。
半導体集積回路の製造において、PIN構造体およびメサ構造の形成は、製造工程の最終段階であるとは限らない。即ち、PIN構造体が形成され、メサ構造が形成された後にも、電極、配線、エアブリッジ等を形成する工程が実施される。また、この種の工程では、レジスト膜を用いたフォトリソグラフィ技術が頻繁に利用される。 In the manufacture of a semiconductor integrated circuit, the formation of a PIN structure and a mesa structure is not necessarily the final stage of the manufacturing process. That is, after the PIN structure is formed and the mesa structure is formed, a process of forming electrodes, wirings, air bridges, and the like is performed. In this type of process, a photolithography technique using a resist film is frequently used.
しかしながら、厚いI層を有するPIN構造体、段差を有するメサ構造上に形成されたPIN構造体に対して更に電極を形成する場合、素子の周囲には大きな段差が形成される。このため、フォトリソグラィ工程においてレジストを塗布した場合、段差部においてレジスト層が連続しない箇所が発生して、感光後に所望のパターンを有するレジストマスクが形成されない場合がある。これは、I層が厚く広帯域で動作するPINダイオードまたはそれを備えた半導体集積回路の工業的な生産において、製品の歩留りを低下させる原因のひとつとなっている。 However, when an electrode is further formed on a PIN structure having a thick I layer and a PIN structure formed on a mesa structure having a step, a large step is formed around the element. For this reason, when a resist is applied in the photolithography process, a portion where the resist layer does not continue occurs in the stepped portion, and a resist mask having a desired pattern may not be formed after exposure. This is one of the causes of decreasing the yield of products in industrial production of PIN diodes having a thick I layer and operating in a wide band or semiconductor integrated circuits having the PIN diodes.
そこで、上記課題の解決すことを目的として、半導体基板と、半導体基板上に順次積層された、不純物が注入されてひとつの導電型を有する下部半導体層、真性半導体層、および、不純物が注入されて他の導電型を有する上部半導体層を含むPIN構造体と、下部半導体層に隣接する下部電極、および、上部半導体層に隣接する上部電極の一対の電極とを有するPINダイオードを製造する製造方法であって、半導体基板の表面にPIN構造体を形成する工程と、半導体基板の表面にレジスト材料を塗布して、基板の表面に対してその表面がPIN構造体より高くなる厚さを有するレジスト層を形成する工程と、レジスト層の一部を除去する工程と、レジスト層から露出した領域に導体材料を堆積させる工程とを備える製造方法が提供される。 Therefore, for the purpose of solving the above problems, a semiconductor substrate and a lower semiconductor layer, an intrinsic semiconductor layer, and an impurity which are sequentially stacked on the semiconductor substrate and implanted with an impurity and having one conductivity type are implanted. Manufacturing method for manufacturing a PIN diode having a PIN structure including an upper semiconductor layer having another conductivity type, a lower electrode adjacent to the lower semiconductor layer, and a pair of electrodes of the upper electrode adjacent to the upper semiconductor layer And a step of forming a PIN structure on the surface of the semiconductor substrate, and applying a resist material to the surface of the semiconductor substrate, and having a thickness that makes the surface of the substrate higher than the PIN structure. There is provided a manufacturing method including a step of forming a layer, a step of removing a part of the resist layer, and a step of depositing a conductor material in a region exposed from the resist layer.
また、本発明の第2の形態として、基板表面に対して起立する起立面を有する段差を含む半導体基板の表面に、レジスト層を形成するレジスト材料を塗布する塗布方法であって、段差を含む半導体基板の表面に向かってレジスト材料を噴霧して起立面にレジスト材料を付着させる手順と、段差を含む半導体基板に付着させたレジスト材料の表面に対して赤外線を照射して、レジスト材料を加熱する手順とを含む塗布方法が提供される。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a coating method in which a resist material for forming a resist layer is applied to the surface of a semiconductor substrate including a step having an upstanding surface that stands up with respect to the substrate surface. The resist material is sprayed toward the surface of the semiconductor substrate to attach the resist material to the rising surface, and the resist material attached to the semiconductor substrate including the step is irradiated with infrared rays to heat the resist material. A coating method is provided.
更に、本発明の第3の形態として、上記製造方法または上記塗布方法を含んで製造され、半導体基板上に順次積層された、不純物が注入されてひとつの導電型を有する上部半導体層、真性半導体層、および、不純物が注入されて他の導電型を有する下部半導体層を有するPIN構造体と、下部半導体層に隣接する下部電極、および、上部半導体層に対して隣接する上部電極の一対の電極とを有するPINダイオードが提供される。また更に、本発明の第4の形態として、上記のPINダイオードを含む回路が提供される。 Furthermore, as a third embodiment of the present invention, an upper semiconductor layer, which is manufactured by including the above manufacturing method or the above coating method, and is sequentially stacked on a semiconductor substrate and having one conductivity type implanted with impurities, an intrinsic semiconductor A pair of electrodes, a PIN structure having a lower semiconductor layer having another conductivity type implanted with impurities, a lower electrode adjacent to the lower semiconductor layer, and an upper electrode adjacent to the upper semiconductor layer A PIN diode is provided. Furthermore, as a fourth embodiment of the present invention, a circuit including the above PIN diode is provided.
上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。従って、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。 The above summary of the present invention does not enumerate all necessary features of the present invention. Therefore, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
図1は、縦型のPIN構造体120を含むPINダイオード100を製造する過程のひとつの段階を示す断面図である。同図に示すように、この段階では、S、Se、Si、Sn等のn型不純物を注入して表面近傍をN型の導電型を有する下部半導体層112とされたGaAs等の化合物半導体による化合物半導体基板110と、上面にZn等のp型不純物を注入して上端近傍にP型の導電型を有する上部半導体層124を形成された真性半導体層122とが積層されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a stage in a process of manufacturing a
なお、真性半導体層122は、例えば。MOCVD法により半導体基板110上に半導体材料を堆積させることにより形成される。また、ICP型反応性イオンエッチング(RIE)によるドライエッチングでパターニングされ、最終的に素子となる領域が残されている。従って、下部半導体層112、真性半導体層122および上部半導体層124により、PIN構造体120が既に形成されている。なお、この実施形態では、最終的に得られる素子の100MHz以上の信号帯域における動作特性を改善する目的で、真性半導体層122の厚さを5μmとしている。従って、半導体基板110上に起立する真性半導体層122により形成される段差は、5μmを越える高さを有する。
The
以下、図2および図5から図12までを参照して、PIN構造体120の下部半導体層112および上部半導体層124に対して、それぞれ下部電極140および上部電極160を形成する過程を説明する。なお、図2および図5から図8までは下部電極140を形成する過程を、図9から図12までは上部電極160を形成する過程をそれぞれ示す。
Hereinafter, a process of forming the
図2は、PINダイオード100の製造における下部電極140を形成する過程のひとつの段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、PIN構造体120を形成された半導体基板110の表面全体に、レジスト層132が形成される。このレジスト層132は、例えば、スピンコート法により塗布される。塗布されたレジスト層132は、更に、加熱処理により分散媒体を揮発され、半導体基板110の表面に固着される。
FIG. 2 is a diagram illustrating one stage of the process of forming the
なお、レジスト層132の形成に先立って、半導体基板110を、200℃、1分間程度のプリベーキング処理に付して水分を除去した後、HMDS(ヘキサメチルジシラザン)処理により表面を疎水化してから、更に200℃、2分間程度のプリベーキング処理を施して、水分を完全に除去した。また、レジスト層132は、この半導体基板110を後述するコータ200にセットして形成した。まず、回転数500〜2000rpmにて回転させながら粘度50〜70Cpを有する市販のポジ型フォトレジスト材料を滴下して塗布した。次に、120℃、2分間程度のポストベーキング処理によりレジスト材料の分散媒体を飛散させて、レジスト層132とした。こうして形成されたレジスト層132は、半導体基板110およびPIN構造体120の段差にならってほぼコンフォーマルに形成された。
Prior to the formation of the
図3は、上記の段階を実施する場合に、レジスト層132の形成に使用するコータ200の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、コータ200は、その筐体214内に、加工の対象となる半導体基板110を収容するチャンバ216を備える。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the structure of the
チャンバ216の内部には、半導体基板110を保持するターンテーブル222と、回転駆動力をターンテーブル222に回転を伝達する伝達機構224が収容される。伝達機構224は、チャンバ216の外側に配置された駆動モータ226に結合され、駆動モータ226から得られた回転駆動力により、ターンテーブル222を回転させる。
Inside the
また、チャンバ216の上部には、ターンテーブル222上に保持された半導体基板110の表面に塗布するレジスト材料を吐出するスプレーノズル246と、やはりターンテーブル222上に保持された半導体基板110の表面に対面する赤外線ヒータ262とがそれぞれ設けられる。また、ターンテーブル222上に保持された半導体基板110を中心にして、スプレーノズル246と反対の側には、ダクトファン252の一端がチャンバ216内に開口する。ダクトファン252の他端は、排気ダクト254を介して、コータ200外部の排気処理施設に接続される。
Further, a
一方、スプレーノズル246は、レギュレータ242およびバルブ244を介して圧力源に接続される。スプレーノズル246はまた、レギュレータ232、バルブ234、シリンジ236およびマスフローコントローラ238を介しても、圧力源に接続される。シリンジ236にはレジスト材料が装填され、バルブ234を開くことにより後方から加圧される。これにより、レジスト材料は、マスフローコントローラ238を介して量を制御されつつ、スプレーノズル246に供給される。
On the other hand, the
上記のような構造を有するコータ200において、シリンジ236を含む系統に装着されたバルブ234を開くと、その開度に応じてシリンジ236から押し出されたレジスト材料が、スプレーノズル246から吐出される。更に、スプレーノズル246に直接に接続されたバルブ244を開くと、その開度に応じた流速で空気も吐出される。従って、バルブ244を開いた場合は、レジスト材料の吐出速度が高くなり、レジスト材料は微粒子状態で空気に搬送され、ターンテーブル222上に載置された半導体基板110に向かって吹きつけられる。換言すれば、バルブ244が閉じている場合は、レジスト材料は、液状のままスプレーノズル246から滴下される。
In the
また、チャンバ216内では、赤外線ヒータ262を動作させることにより、半導体基板110に付着したレジスト材料をその表面から加熱できる。従って、このコータ200では、半導体基板110の表面に付着したレジスト材料を、赤外線ヒータ262により、即座に加熱できる。
In the
従って、このコータ200では、レジスト材料を半導体基板110の中央に滴下した後にターンテーブル222を回転させることにより半導体基板110に付着したレジスト材料に遠心力を作用させるスピンコート法により、半導体基板110の表面に均一な厚さにレジスト材料を塗布できる。また、いったんレジスト材料を塗布した後、これを赤外線ヒータ262により加熱して乾燥、固化させた上で、改めてその上にレジスト層134を積層させる処理を連続して実行できる。更に、レジスト材料の吹きつけと赤外線ヒータ262による加熱を同時に実施してレジスト材料の塗布および乾燥、固化を同時進行させ、所望の厚さのレジスト層130が形成されるまでレジスト材料を連続的に堆積させることもできる。
Therefore, in this
図4は、コータ200の他の構造を示す図である。同図に示すように、このコータ200は、図3に示した構造に加えて、ターンテーブル222上の半導体基板110を下面から加熱する抵抗加熱ヒータ264を備えている。これにより、レジスト材料の吹きつけ中も、半導体基板110の温度低下を防止できる。従って、レジスト材料の連続吹きつけを効率よく実施できる。
FIG. 4 is a diagram showing another structure of the
また、上記のような構造を有するコータ200を用いることにより、レジスト材料を加熱する手順において、半導体基板110を裏面からも加熱する操作を実施できる。これにより、投入される熱量が大きくなるので、レジスト層132を迅速に乾燥または硬化させることができる。また、同じ熱量を投入する場合も、熱源を表裏に分けることにより局部的な昇温が回避されるのでレジスト層132の品質を劣化させることがない。
Further, by using the
なお、赤外線ヒータ262および抵抗加熱ヒータ264による加熱は、レジスト材料を付着させる手順に先立って開始させてもよい。これにより、レジスト材料が半導体基板110に付着したときから乾燥または硬化を開始させ、一層迅速にレジスト層132を形成できる。
The heating by the
このように、コータ200を用いることにより、表面に対して起立する起立面を有する段差を含む半導体基板110の表面に、レジスト層132を形成するレジスト材料を塗布する塗布方法であって、段差を含む半導体基板110の表面に向かってレジスト材料を噴霧して起立面にレジスト材料を付着させる手順と、段差を含む半導体基板110に付着させたレジスト材料の表面に対して赤外線を照射して、レジスト材料を加熱する手順とを含む塗布方法が実施できる。
As described above, by using the
これにより、PIN構造体120による段差を含む半導体基板110の表面に連続したレジスト層130を確実に形成できるので、半導体回路を歩留りよく製造できる。また、レジスト層132の表面から加熱するので、レジスト層132の乾燥または硬化がはやく、レジスト層132の形成に要する時間が短縮される。
Thereby, since the continuous resist
図5は、PINダイオード100の製造における下部電極140を形成する過程の次の段階を示す図である。前記の通り、真性半導体層122が厚いPIN構造体120が形成された半導体基板110では、その表面上に大きな段差が形成されている。このため、図2に示すように1層のレジスト層132を形成した段階では、レジスト層132が完全に連続せず、段差部において切れ目が生じる場合がある。
FIG. 5 is a diagram illustrating a next stage in the process of forming the
そこで、レジスト層132の切れ目を埋めて連続したレジスト層130が形成されるように、上記したレジスト材料の塗布および加熱を繰り返す。図5に示した例では、レジスト材料の塗布および加熱を3回繰り返すことにより、3層のレジスト層132、134、136を重ねたレジスト層130が形成される。
Therefore, the application and heating of the resist material described above are repeated so that the resist
こうして、レジスト材料を付着させる工程、および、レジスト材料を加熱する工程を交互に繰り返して、加熱した後のレジスト材料に重ねて、再びレジスト材料を半導体基板110に向かって塗布する手順を実施できる。これにより、付着させたレジスト材料を、その厚さにかかわらず確実に乾燥または固化させることができる。なお、積層されたレジスト層134、136は、図2について説明したレジスト層132の場合と略同じ条件で形成できる。
In this manner, a process of applying the resist material to the
また、レジスト材料を付着させる手順、および、レジスト材料を加熱する手順を含む一連の手順を、半導体基板110の表面が連続したレジスト層130により被覆されるまで繰り返す工程を実施できる。これにより、半導体基板110または半導体回路の表面を確実に保護できる連続したレジスト層130を形成できる。また、換言すれば、段差により起伏のある半導体基板110または半導体回路の表面に、厚さが均一なレジスト層130を形成できるので、リソグラフィにおけるパターニングの精度を向上させることができる。
In addition, a process of repeating a series of procedures including a procedure of attaching a resist material and a procedure of heating the resist material until the surface of the
図6は、下部電極140を形成する過程の更に次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、真性半導体層122の周囲においてレジスト層130の一部が取り除かれ、ホールパターン131が形成される。これにより、ホールパターン131の内部に、半導体基板110表面に形成された下部半導体層112が露出される。このような段階は、適切なパターンを有するマスクを用いて、フォトリソグラィ法により実施できる。
FIG. 6 is a diagram showing a further next stage of the process of forming the
図7は、下部電極140を形成する過程のまた次の段階を示す図である。同図に示すように、レジスト層130のホールパターン131の内部に導体材料が堆積される。ホールパターン131内に堆積された導体材料は、下部半導体層112に対してオーミック結合して下部電極140となる。なお、導体材料としては、AuGe/Ni等を好ましく例示できる。
FIG. 7 is a diagram illustrating the next stage of the process of forming the
図8は、下部電極140を形成する過程のまた次の段階を示す図である。この段階では、残ったレジスト層130が取り除かれる。これにより、半導体基板110上の真性半導体層122の周囲に、下部半導体層112にオーミック結合された下部電極140が形成される。
FIG. 8 is a diagram illustrating the next stage of the process of forming the
このように、導体材料を堆積させる工程により下部電極140が形成される。前記の通り、レジスト層130は、ホールパターン131以外の領域では、半導体基板110の表面を切れ目なく覆っているので、これにより、比較的大きな高さを有するPIN構造体120の近傍に確実に下部電極140を形成できる。従って、この段階においてPIN構造体120を含む半導体回路製造の歩留りが低下することはない。
Thus, the
図9は、PINダイオード100の製造において、上部半導体層124に形成される上部電極160を形成する過程のひとつの段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、PIN構造体120を含む半導体基板110の表面を、レジスト材料で厚く覆い、これを加熱して固化させてレジスト層150を形成する。
FIG. 9 is a diagram illustrating one stage of the process of forming the
ここで、レジスト層150は、上部電極160を含むPIN構造体120の高さよりも2μm程度大きな厚さを有する。これにより、半導体基板110上の要素が全てレジスト層150内に埋設されると共に、レジスト層150の表面は略平坦になる。このようなレジスト層150は、粘度の高いレジスト材料をスピンコート法で厚く塗布することにより、1回の塗布で形成できる。
Here, the resist
このように、レジスト層132、134、136を形成する工程は、スピンコート法によりレジスト材料を塗布する工程が実施できる。これにより、容易且つ高速にレジスト材料を塗布して、均一な厚さのレジスト層130、150、170を形成できる。
As described above, the step of forming the resist
また、図3または図4に示したコータ200を用いることにより、レジスト材料を付着させる手順、および、レジスト材料を加熱する手順を同時にあるいは交互に連続的に実施できる。これにより、所望の厚さで連続したレジスト層150を形成して、段差を含む半導体基板110の表面をレジスト層150で確実に被覆できる。
Further, by using the
図10は、上部電極160を形成する過程の次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、上部半導体層124の上方において、レジスト層150の一部が取り除かれ、ホールパターン151が形成される。これにより、ホールパターン151の内部に、上部半導体層124の頂面の一部が露出される。このような段階は、適切なパターンを有するマスクを用いて、フォトリソグラィ法により実施できる。
FIG. 10 is a diagram illustrating the next stage of the process of forming the
図11は、PINダイオード100の製造における上部電極160を形成する過程の更に次の段階を示す図である。同図に示すように、レジスト層150のホールパターン151の内部に導体材料が堆積される。ホールパターン151内に堆積された導体材料は、上部半導体層124に対してオーミック結合して上部電極160となる。導体材料としては、下部電極140と同様のものを使用できる。
FIG. 11 is a diagram showing a further next stage in the process of forming the
図12は、上部電極160を形成する過程のまた次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、残っていたレジスト層150が取り除かれる。これにより、上部半導体層124の上面には上部電極160が形成される。
FIG. 12 is a diagram illustrating the next stage of the process of forming the
このように、導体材料を堆積させる工程により上部電極160が形成される。これにより、比較的大きな高さを有するPIN構造体120の頂面に確実に上部電極160を形成できるので、PIN構造体120を含む半導体回路を歩留りよく製造できる。次に、図13から図16までを参照して、PIN構造体120を含むメサ構造172を形成する過程を段階毎に説明する。
Thus, the
図13は、PINダイオード100の製造においてメサ構造172を形成する過程のひとつの段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、まず、半導体基板110の表面を、レジスト材料で厚く覆い、これを加熱して固化させてレジスト層170を形成する。
FIG. 13 is a diagram illustrating one stage in the process of forming the
ここで、レジスト層170は、上部電極160を含むPIN構造体120の高さよりも大きな厚さを有する。これにより、半導体基板110上の要素が全てレジスト層170内に埋設されると共に、レジスト層170の表面は略平坦になる。
Here, the resist
このようなレジスト層170は、図3または図4に示したコータ200を用いて形成できる。即ち、半導体基板110に対して、スピンコート法またはスプレー法によりレジスト材料を塗布する手順と、半導体基板110に塗布されたレジスト材料を、赤外線ヒータ262により加熱して分散媒体を揮発させ、半導体基板110に固着したレジスト層170とする手順とを、レジスト層170の表面が平坦になるまで交互に実行することにより、図13に示すレジスト層170が形成される。
Such a resist
なお、図4に示したコータ200を用いた場合は、ターンテーブル222の下方に配置した抵抗加熱ヒータ264も稼働させて、半導体基板110の温度を高く保つことも好ましい。これにより、基板にレジスト材料を塗布する手順の間隔を狭くして、レジスト層170を迅速に形成することかできる。
When the
このように、レジスト材料を付着させる手順、および、レジスト材料を加熱する手順を含む一連の手順を、半導体基板110の表面が連続したレジスト層170により被覆されるまで繰り返す工程を実施できる。これにより、半導体基板110または半導体回路の表面を確実に保護できる連続したレジスト層170を形成できる。また、半導体基板110の表面の段差に関わりなく、また、用いるレジスト材料の粘性等に関わりなく、所望の厚さを有するレジスト層170を形成できる。
As described above, a series of procedures including the procedure of attaching the resist material and the procedure of heating the resist material can be repeated until the surface of the
図14は、PINダイオード100の製造においてメサ構造172を形成する過程の次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、下部電極140を含むPIN構造体120の外側においてレジスト層170が除去される。レジスト層170が除去された領域では半導体基板110の表面が露出される一方、レジスト層170の側端面171に包囲された領域では、下部電極140、真性半導体層122、上部半導体層124および上部電極160は、レジスト層170の中に埋設される。
FIG. 14 is a diagram illustrating the next stage in the process of forming the
図15は、メサ構造172を形成する過程の更に次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、パターニングされたレジスト層170をマスクとして、下部半導体層112を含む半導体基板110の表面がエッチングされる。半導体基板110は、そのエピタキシャル層114が露出するまでエッチングされる。これにより、下部電極140の外側においては、下部半導体層112が除去され、アイソレーションが形成される。なお、このようなエッチングは、IPC型反応性イオンエッチング等のドライエッチングにより好ましく実施できる。
FIG. 15 is a diagram showing a further next stage in the process of forming the
図16は、メサ構造172を形成する過程のまた次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、マスクとして使用されたレジスト層170が除去される。こうして、半導体基板110上には、周囲から遮断された下部半導体層112を含むPIN構造体120を含むメサ構造172が形成される。
FIG. 16 is a diagram showing the next stage of the process of forming the
このような一連の工程により、半導体基板110と、半導体基板110上に順次積層された、不純物が注入されてひとつの導電型を有する下部半導体層112、真性半導体層122、および、不純物が注入されて他の導電型を有する上部半導体層124を含むPIN構造体120と、下部半導体層112に隣接する下部電極140、および、上部半導体層124に隣接する上部電極160の一対の電極とを有するPINダイオード100を製造する製造方法であって、半導体基板110の表面にPIN構造体120を形成する工程と、半導体基板110の表面にレジスト材料を塗布して、半導体基板110の表面に対してその表面がPIN構造体120より高くなる厚さを有するレジスト層150を形成する工程と、レジスト層150の一部を除去する工程と、レジスト層150から露出した領域に導体材料を堆積させる工程とを備える製造方法が実施される。これにより、PIN構造体120を形成された半導体基板110の表面に、途切れることなく連続したレジストマスクを確実に形成できるので、PIN構造体120を含む半導体回路を歩留りよく製造できる。
Through such a series of steps, the
ここで、例えば、GaAs化合物により形成されたモノリシック化できるPINダイオード100において、その動作帯域の下限周波数fminを100MHzにする場合に求められるキャリアライフタイムτは、下記の式1から求めることができる。
Here, for example, in the
fmin=10/2π・τ=1.6/τ f min = 10 / 2π · τ = 1.6 / τ
一方、作製されたPINダイオード100のキャリアライフタイムτは、下記の式を利用して逆回復時間特性から求められる。
On the other hand, the carrier lifetime τ of the manufactured
Trf=τ・log(1+If/Ir) Trf = τ · log (1 + If / Ir)
一方、図17は、PINダイオード100における真性半導体層122の厚さと逆回復時間特性との関係を実測値および計算値で示すグラフである。同図において、曲線A、BおよびDは、それぞれ厚さが0.5μm、2μm、5μmの真性半導体層122を有するPINダイオード100における電流と逆回復時間の関係を実測値で示す。また、曲線Cは、真性半導体層122が5μmの場合の計算値を示す。同図から判るように、真性半導体層122の厚さを5μm以上にすると、キャリアライフタイムτを15n秒以上にできる。図17および前記の式から判るように、厚さ5μm以上の真性半導体層122を有するPINダイオード100は、100MHzを下限とする動作周波数で良好に動作する。
On the other hand, FIG. 17 is a graph showing the relationship between the thickness of the
このように、上記の塗布方法を用いて、半導体基板110上に順次積層された、不純物が注入されてひとつの導電型を有する上部半導体層124、真性半導体層122、および、不純物が注入されて他の導電型を有する下部半導体層112を有するPIN構造体120と、下部半導体層112に隣接する下部電極140、および、上部半導体層124に対して隣接する上部電極160の一対の電極とを有するPINダイオード100が製造される。これにより、高い歩留りにより製造された低コストなPINダイオード100が提供される。
As described above, using the above-described coating method, the
次に、図18から図20までを参照して、図16までの一連の手順により形成されたPINダイオード100に、更に、一対のエアブリッジ190を形成する過程を説明する。なお、ここで形成されるエアブリッジ190は、下部電極140および上部電極160を、それぞれ、メサ構造172の外側に配置された他の回路、素子、配線等に結合する。ただし、メサ構造172の外側の配線等については図示を省略した。
Next, a process of further forming a pair of
図18は、PINダイオード100に、更に、一対のエアブリッジ190を形成する過程のひとつの段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、まず、上部半導体層124を含む真性半導体層122、下部電極140、上部電極160および下部半導体層112を含む半導体基板110の表面全体に、厚いレジスト層180を形成する。
FIG. 18 is a diagram showing one stage in the process of forming a pair of
このとき、メサ構造172の外側に露出するエピタキシャル層114の表面と、上部電極160を含むPIN構造体120の頂面との間には、10μmに迫る大きな高低差を有する段差がある。そこで、レジスト層180は、図4に示したコータ200を用いて、レジスト材料の噴霧と赤外線ヒータ262による加熱とを同時に実施する方法で形成した。また、レジスト材料の噴霧と加熱は、レジスト層180が所望の厚さになるまで連続して実施した。更に、レジスト材料の形成に先立って抵抗加熱ヒータ264を稼働させ、予め半導体基板110をある程度昇温させた状態でレジスト層180の形成を開始した。これら一連の方法により、上部半導体層124を含む真性半導体層122、下部電極140、上部電極160および下部半導体層112を含む半導体基板110の表面全体が連続したレジスト層180により覆われる。また、レジスト層180の表面は略平坦になる。
At this time, there is a step having a large height difference approaching 10 μm between the surface of the
図19は、エアブリッジ190を形成する過程の次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、フォトリソグラィにより、4つのホールパターン181、182、183、184がレジスト層180に形成される。4つのホールパターン181、182、183、184のうち、ホールパターン181は上部電極160に達して、上部電極160の表面を露出させる。また、ホールパターン184は下部電極140に達して、下部電極140の表面を露出させる。更に、ホールパターン183、184は、半導体基板110のメサ構造172の外側に達して、エピタキシャル層114の表面を露出させる。
FIG. 19 is a diagram illustrating a next stage in the process of forming the
図20は、エアブリッジ190を形成する過程のまた次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、ホールパターン181、182、183、184の内部を含めて、図9に示した状態の半導体基板110上の表面全体に蒸着金属層191が形成される。本実施例では、スパッタ法により、TiおよびAuを順次積層して蒸着金属層191を形成したが、他の蒸着法も選択できる。また、蒸着金属層191の材料も、後述するメッキ金属層193に対する付着性がよく、下部電極140、上部電極160およびエピタキシャル層114に対する接触抵抗が少ないものであれば、他の材料を任意に選択できる。
FIG. 20 is a diagram showing the next stage of the process of forming the
図21は、エアブリッジ190を形成する過程のまた次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、蒸着金属層191を形成した半導体基板110の表面全体にもうひとつのレジスト層185が形成される。このレジスト層185はホールパターン181、182、183、184の内部まで充填され、その表面は略平坦になる。
FIG. 21 is a diagram showing the next stage of the process of forming the
図22は、エアブリッジ190を形成する過程のまた次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、フォトリソグラィ法により、レジスト層185の一部が除去さされ、一対のホールパターン186、187が形成される。一方のホールパターン186は、レジスト層180のホールパターン182、184を含む領域に形成される。また、他方のホールパターン186は、レジスト層180のホールパターン181、183を含む領域に形成される。なお、レジスト層185は、下層のホールパターン181、182、183、184の内部まで除去され、各ホールパターン186、187の内部には、下部電極140、上部電極160またはエピタキシャル層114が露出される。
FIG. 22 is a diagram showing the next stage of the process of forming the
図23は、エアブリッジ190を形成する過程のまた次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、ホールパターン186、187の内部にメッキ金属層193が形成される。メッキ金属層193は、蒸着金属層191を一方の電極とした電気メッキにより、ホールパターン186、187の内部に選択的に形成できる。なお、メッキ金属層193の材料としてはAuを好ましく例示できるが、これに限定されるわけではない。
FIG. 23 is a diagram showing the next stage of the process of forming the
図24は、エアブリッジ190を形成する過程のまた次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、上層のレジスト層185が除去される。ただし、下層のレジスト層180は、蒸着金属層191により覆われているので、この段階では除去されない。
FIG. 24 is a diagram showing the next stage of the process of forming the
図25は、エアブリッジ190を形成する過程のまた次の段階を示す図である。同図に示すように、この段階では、イオンミリングにより、蒸着金属層191およびメッキ金属層193の表面が全体に除去される。除去量は、表面に露出された蒸着金属層191が除去される量とする。これにより、メッキ金属層193の間においてレジスト層180が露出する。
FIG. 25 is a diagram showing the next stage of the process of forming the
なお、上記の処理では、メッキ金属層193の表面も併せて除去される。従って、メッキ金属層193を形成する工程では、この工程で除去されるメッキ金属層193の厚さを見込んだ厚さで成膜することが好ましい。
In the above treatment, the surface of the plated
図26は、エアブリッジ190を備えたPINダイオード100の構造を示す図である。同図に示すように、図25に示した状態から下層のレジスト層180を除去することにより、下部電極140および上部電極160とエピタキシャル層114の表面とを各々接続する一対のエアブリッジ190が形成される。
FIG. 26 is a diagram illustrating a structure of the
このように、導体材料を堆積させる工程により、下部電極140および上部電極160を介してPIN構造体120を他の素子または回路に接続するエアブリッジ190が形成される。これにより、PIN構造体120の上部電極160と他の素子または回路を接続するエアブリッジ190を確実に形成できるので、PIN構造体120を含む複雑な半導体回路を歩留りよく製造できる。
Thus, the
また、上記のようにして形成されたエアブリッジ190を利用することにより、PINダイオード100を含む回路を製造できる。これにより、高い歩留りにより低コストに製造されたPINダイオード100を含む回路が提供される。
In addition, by using the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることは当業者に明らかである。また、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. Further, it is apparent from the description of the scope of claims that the embodiment added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
100 PINダイオード、110 半導体基板、112 下部半導体層、114 エピタキシャル層、120 PIN構造体、122 真性半導体層、124 上部半導体層、130、132、134、136、150、170、180、185 レジスト層、131、151、181、182、183、184、186、187 ホールパターン、140 下部電極、160 上部電極、171 側端面、172 メサ構造、190 エアブリッジ、191 蒸着金属層、193 メッキ金属層、200 コータ、214 筐体、216 チャンバ、222 ターンテーブル、224 伝達機構、226 駆動モータ、232、242 レギュレータ、234、244 バルブ、236 シリンジ、238 マスフローコントローラ、246 スプレーノズル、252 ダクトファン、254 排気ダクト、262 赤外線ヒータ、264 抵抗加熱ヒータ 100 PIN diode, 110 semiconductor substrate, 112 lower semiconductor layer, 114 epitaxial layer, 120 PIN structure, 122 intrinsic semiconductor layer, 124 upper semiconductor layer, 130, 132, 134, 136, 150, 170, 180, 185 resist layer, 131, 151, 181, 182, 183, 184, 186, 187 Hole pattern, 140 Lower electrode, 160 Upper electrode, 171 Side end surface, 172 Mesa structure, 190 Air bridge, 191 Evaporated metal layer, 193 Plated metal layer, 200 Coater , 214 housing, 216 chamber, 222 turntable, 224 transmission mechanism, 226 drive motor, 232, 242 regulator, 234, 244 valve, 236 syringe, 238 mass flow controller, 246 spray nose , 252 Duct, 254 exhaust duct, 262 infrared heater, 264 a resistance heater
Claims (13)
前記半導体基板の表面上に順次積層された、不純物を注入されてひとつの導電型を有する下部半導体層、不純物濃度が低い真性半導体層、および、不純物が注入されて他の導電型を有する上部半導体層を含むPIN構造体と、
前記下部半導体層に隣接する下部電極、および、前記上部半導体層に隣接する上部電極の一対の電極と
を有するPINダイオードを製造する製造方法であって、
前記半導体基板の表面に前記PIN構造体を形成する工程と、
前記半導体基板の表面にレジスト材料を塗布して、前記基板の表面に対してその表面が前記PIN構造体より高くなる厚さを有するレジスト層を形成する工程と、
前記レジスト層の一部を除去する工程と、
前記レジスト層から露出した領域に導体材料を堆積させる工程と
を備える製造方法。 A semiconductor substrate;
A lower semiconductor layer having one conductivity type implanted with impurities, an intrinsic semiconductor layer having a low impurity concentration, and an upper semiconductor having another conductivity type implanted with impurities, which are sequentially stacked on the surface of the semiconductor substrate. A PIN structure including a layer;
A manufacturing method of manufacturing a PIN diode having a lower electrode adjacent to the lower semiconductor layer and a pair of electrodes of the upper electrode adjacent to the upper semiconductor layer,
Forming the PIN structure on a surface of the semiconductor substrate;
Applying a resist material to the surface of the semiconductor substrate, and forming a resist layer having a thickness higher than that of the PIN structure on the surface of the substrate;
Removing a part of the resist layer;
And a step of depositing a conductive material on a region exposed from the resist layer.
前記段差を含む前記半導体基板の表面に向かってレジスト材料を噴霧して前記起立面にレジスト材料を付着させる手順と、
前記段差を含む前記半導体基板に付着させたレジスト材料の表面に対して赤外線を照射して、前記レジスト材料を加熱する手順と
を含む塗布方法。 An application method for applying a resist material for forming a resist layer on a surface of a semiconductor substrate including a step having an upstanding surface rising from a substrate surface,
A procedure of spraying a resist material toward the surface of the semiconductor substrate including the step to attach the resist material to the standing surface;
A method of heating the resist material by irradiating the surface of the resist material attached to the semiconductor substrate including the step with infrared rays.
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