JP3939688B2 - バリキャップの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、バリキャップ(可変容量ダイオード)の製造方法に関するものである。
近年、携帯電話などの移動体通信機器の小型化が進む中で、周波数シンセサイザ(PLL)と電圧制御発振器(VCO)などの外付けモジュールの1チップ化が急速に進んでいる。VCOをPLL半導体チップに内蔵化するためには、VCO回路を構成するバリキャップを、低い直列抵抗、あるいは与えられた電圧変化に対する大きな容量変化などの基本特性を損なうことなく、集積化する必要がある。
従来、半導体基板上に形成されるバリキャップとしては、PN接合の空乏層容量を利用して逆バイアス電圧(V)の印加によって容量値(C0)の制御を行うバリキャップが多用されている。逆バイアス電圧(V)の印加に対し大きな容量変化比(C1/C2)を得るためには、バリキャップ構造を、PN接合面から離れるに従って不純物濃度が減少する超階段接合にして、PN接合を形成する領域の表面不純物濃度,不純物濃度プロファイルなどを最適化することが重要となる(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−68124号公報
しかしながら、前記従来の構成では、PN接合を利用したバリキャップにおいて、まず、カソード−アノード間の寄生抵抗の影響により、特に高周波回路で使用する場合、電気エネルギの減衰,位相ノイズの悪化,回路起動特性の悪化という問題があった。また、大きな容量を得ようとすると、構造上、バリキャップとして有効な容量の面積を2次元的に増大させる必要があるため、素子の微細化が困難であるという問題があった。
さらに、図5(a),(b)に示すバリキャップの特性図のように、容量変化比(C1/C2)と容量値(C0)との間には相反する特性があり、高精度なバリキャップ、すなわち容量変化比(C1/C2)の大きなバリキャップを得ようとすると、容量値(C0)が減少するため、その分、バリキャップとして有効な容量の面積を増大させる必要があり、その結果、バリキャップの精度の向上が困難であるという問題があった。
次に、容量変化比(C1/C2)の大きいバリキャップを形成する場合、バリキャップのPN接合部におけるp領域の濃度勾配がいずれも急峻であるため、製造上のばらつきによるPN接合部の濃度変動が大きくなり、その結果、可変容量比のばらつきが大きくなるという問題があった。
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、カソード−アノード間の寄生抵抗を低減し、デバイスの2次元的な面積の増大を最小限に抑え、なおかつ、LSI工程における追加工程を最小限に抑えることができ、ばらつきの少ない高精度なバリキャップの製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明のバリキャップの製造方法は、低不純物濃度を有する第1導電型の半導体基板上のバリキャップ形成領域に第1の溝と第2の溝を形成する工程と、前記第1の溝の内壁に中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を形成する工程と、前記第1の溝の内壁に高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域を形成する工程と、前記第2の溝の内に高不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を形成する工程と、前記半導体基板を熱処理して前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域と前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域と高不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を活性化させる工程を備え、熱処理後の前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域のピーク濃度位置を、前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域とのPN接合部分に位置させることを特徴とするものである.
また、低不純物濃度を有する第1導電型の半導体基板、低不純物濃度を有する第2導電型の半導体基板に低不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を形成する
また、半導体基板としてSOI層を有する半導体基板を用いる。
また、第1の溝と第2の溝とを同一かつ同時に形成する。
また、第1の溝と第2の溝とを、素子分離における溝と同一かつ同時に形成する。
また、低不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、CMOSトランジスタにおけるウエル領域と同一かつ同時に形成する。
また、中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、CMOSトランジスタにおけるソースおよびドレイン領域と同一かつ同時に形成する。
また、高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域を、CMOSトランジスタにおけるソースおよびドレイン領域と同一かつ同時に形成する。
また、高不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、CMOSトランジスタにおけるソースおよびドレイン領域と同一かつ同時に形成している。
前記構成によって、まず、半導体基板に溝を形成し、その溝の内壁にバリキャップのカソード層とアノード層をそれぞれ形成することにより、カソード−アノード間の寄生抵抗を低減させることが可能となる。その結果、バリキャップを特に高周波回路で使用する場合、電気エネルギの減衰,位相ノイズの悪化,回路起動特性の悪化を最小限に抑えることが可能となる。さらに、溝の内壁にバリキャップを形成することにより、バリキャップとして有効な容量の面積を3次元的に増大させることが可能となる。その結果、デバイスの2次元的な面積の増大を最小限に抑えることが可能である。また、バリキャップ形成用の溝を形成する際、素子分離用の溝と同時に形成することが可能となるため、半導体製造工程を短縮化することが可能である。
また、p領域の濃度のピークが、最終的にカソード層とのPN接合部になるように、B+イオン注入層をイオン注入法により形成することにより、PN接合部におけるp領域の濃度勾配が緩やかになるため、製造上のばらつきによるPN接合部の濃度変動が小さくなり、その結果、容量変化比(C1/C2)のばらつきを抑えることが可能である。
また、CMOSトランジスタ搭載のLSI工程の場合、バリキャップのカソード層とNchMOSトランジスタのソースおよびドレイン領域、バリキャップのp領域またはアノードコンタクト層とPchMOSトランジスタのソースおよびドレイン領域を同時に形成することが可能となるため、半導体製造工程を短縮化することが可能である。
また、n半導体基板上にp-領域を形成した後、p-領域中にバリキャップを形成することにより、バリキャップのアノードおよびカソードが基板から電気的にフローティングな状態となるため、アノードおよびカソード電位を任意の電位にして使用することが可能となる。
また、SOI層を有する半導体基板を使用することにより、バリキャップ形成用の溝を形成する際、SOI層がエッチングストッパとなる。すなわち、エッチングによる溝の深さのばらつきがなくなるため、溝の側面積のばらつきがなくなり、バリキャップ容量の絶対精度を向上させることが可能となる。また、バリキャップのアノードおよびカソードが基板から電気的にフローティングな状態となるため、アノードおよびカソード電位を任意の電位にして使用することが可能となる。
本発明によれば、半導体基板に溝を形成し、その溝の内壁にバリキャップのカソード層とアノード層をそれぞれ形成することができるため、カソード−アノード間の寄生抵抗を低減させることが可能となる。その結果、バリキャップを特に高周波回路で使用する場合、電気エネルギの減衰,位相ノイズの悪化,回路起動特性の悪化を最小限に抑えることが可能となる。さらに、溝の内壁にバリキャップを形成することにより、バリキャップとして有効な容量の面積を3次元的に増大させることが可能となる。その結果、デバイスの2次元的な面積の増大を最小限に抑えることが可能である。また、バリキャップ形成用の溝を形成する際、素子分離用の溝と同時に形成することが可能となるため、半導体製造工程を短縮化することが可能であるなど、追加工程を最小限に抑えて、ばらつきの少ない高精度なバリキャップを製造できる方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の実施形態1におけるバリキャップの製造方法の工程を説明するため主要部を断面して示す説明図、図2は図1のA−A’線断面部分における不純物濃度の分布図である。
図1において、1は低不純物濃度を有する第1導電型であるp-半導体基板、2は基板保護膜、3は第1の溝のカソード形成溝、4は第2の溝のアノード形成溝、5はカソード形成マスク材料、6はB+イオン注入層、7はAs+イオン注入層、8はアノード形成マスク材料、9はBF +イオン注入層、10は中不純物濃度を有する第1導電型であるp領域、11は高不純物濃度を有する第2導電型(n+)のカソード層、12は高不純物濃度を有する第1導電型のアノードコンタクト層、13は層間絶縁膜、14はカソード電極、15はアノード電極、16はPN接合部、17はアノード層である。
前記構成の実施形態1のバリキャップおよびその製造方法について説明する。
まず、基板保護膜2,カソード形成溝3,アノード形成溝4を有するp-半導体基板1上に、カソード形成領域上が開口するようにカソード形成マスク材料5を形成する(図1(a)参照)。
次に、p領域10の濃度のピークが、最終的にカソード層11とのPN接合部16になるように(図1(f)参照)、カソード形成溝3の内壁にB+イオン注入層6をイオン注入法により形成する(図1(b)参照)。
次に、カソード形成溝3の内壁にAs+イオン注入層7をイオン注入法により形成した後、カソード形成マスク材料5を除去し、アノード形成領域上が開口するようにアノード形成マスク材料8を形成する(図1(c)参照)。
次に、アノード形成溝4の内壁にBF +イオン注入層9をイオン注入法により形成した後、アノード形成マスク材料8を除去する(図1(d)参照)。
次に、基板保護膜2を除去した後、熱処理により、B+イオン注入層6,As+イオン注入層7,BF +イオン注入層9を活性化させ、p領域7,カソード層11,アノードコンタクト層12を形成する(図1(e)参照)。
最後に、層間絶縁膜13,カソード電極14,アノード電極15を順次形成して、PN接合部16を介したカソード層11及びアノード層17からなるバリキャップ素子を搭載したp-半導体基板1を得る(図1(f)参照)。
以上のように実施形態1によれば、半導体基板に溝を形成し、その溝の内壁にバリキャップのカソード層とアノード層をそれぞれ形成することにより、カソード−アノード間の寄生抵抗を低減させることが可能となる。その結果、バリキャップを特に高周波回路で使用する場合、電気エネルギの減衰,位相ノイズの悪化,回路起動特性の悪化を最小限に抑えることが可能となる。
さらに、溝の内壁にバリキャップを形成することにより、バリキャップとして有効な容量の面積を3次元的に増大させることが可能となる。その結果、デバイスの2次元的な面積の増大を最小限に抑えることが可能である。また、バリキャップ形成用の溝を形成する際、素子分離用の溝と同時に形成することが可能となるため、半導体製造工程を短縮化することが可能である。
さらに、p領域の濃度のピークが、最終的にカソード層とのPN接合部になるように、B+イオン注入層をイオン注入法により形成することにより、PN接合部におけるp領域の濃度勾配が緩やかになるため、製造上のばらつきによるPN接合部の濃度変動が小さくなり、その結果、容量変化比(C1/C2)のばらつきを抑えることが可能である。
さらに、CMOSトランジスタ搭載のLSI工程の場合、バリキャップのカソード層とNchMOSトランジスタのソースおよびドレイン領域,バリキャップのp領域またはアノードコンタクト層とPchMOSトランジスタのソースおよびドレイン領域を同時に形成することが可能となるため、半導体製造工程を短縮化することが可能である。
図3は本発明の実施形態2におけるバリキャップの製造方法の工程を説明するため主要部を断面して示す説明図であり、図3のA−A’線断面部分における不純物濃度の分布は図2に示すものと同様である。なお、以下の説明において、図1において説明した部材と同一機能の部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
図3において、図1において説明した部材と同一機能の部材には同一符号を付して詳しい説明は省略するが、2は基板保護膜、3はカソード形成溝、4はアノード形成溝、5はカソード形成マスク材料、6はB+イオン注入層、7はAs+イオン注入層、8はアノード形成マスク材料、9はBF +イオン注入層、10はp領域、11はカソード層、12はアノードコンタクト層、13は層間絶縁膜、14はカソード電極、15はアノード電極、16はPN接合部、17はアノード層、18は低不純物濃度を有する第2導電型であるn半導体基板、19は低不純物濃度を有する第1導電型であるp-領域である。
前記構成の実施形態2のバリキャップおよびその製造方法について説明する。 まず、p-領域19,基板保護膜2,カソード形成溝3,アノード形成溝4を有するn半導体基板18上にカソード形成領域上が開口するようにカソード形成マスク材料5を形成する(図3(a)参照)。
次に、p領域10の濃度のピークが、最終的にカソード層11とのPN接合部16になるように(図3(f)参照)、カソード形成溝3の内壁にB+イオン注入層6をイオン注入法により形成する(図3(b)参照)。
次に、カソード形成溝3の内壁にAs+イオン注入層7をイオン注入法により形成した後、カソード形成マスク材料5を除去し、アノード形成領域上が開口するようにアノード形成マスク材料8を形成する(図3(c)参照)。
次に、アノード形成溝4の内壁にBF +イオン注入層9をイオン注入法により形成した後、アノード形成マスク材料8を除去する(図3(d)参照)。
次に、基板保護膜2を除去した後、熱処理により、B+イオン注入層6,As+イオン注入層7,BF +イオン注入層9を活性化させ、p領域7,カソード層11,アノードコンタクト層12を形成する(図3(e)参照)。
最後に、層間絶縁膜13,カソード電極14,アノード電極15を順次形成して、PN接合部16を介したカソード層11及びアノード層17からなるバリキャップ素子を搭載したn半導体基板18を得る(図3(f)参照)。
以上のように実施形態2によれば、実施形態1に加えて以下のような効果がある。
すなわち、n半導体基板上にp-領域を形成した後、p-領域中にバリキャップを形成することにより、バリキャップのアノードおよびカソードが基板から電気的にフローティングな状態となる。つまり、バリキャップの使用方法として、実施形態1では、バリキャップの構造上、アノード電位が基板電位と常に同電位にして使用する必要があるのに対して、実施形態2では、バリキャップのアノードおよびカソードが基板から電気的にフローティングな状態となっているため、アノードおよびカソード電位を任意の電位にして使用することが可能となる。
図4は本発明の実施形態3におけるバリキャップの製造方法の工程を説明するため主要部を断面して示す説明図であり、図4のA−A’線断面部分における不純物濃度の分布は図2に示すものと同様である。
図4において、1はp-半導体基板、2は基板保護膜、3はカソード形成溝、4はアノード形成溝、5はカソード形成マスク材料、6はB+イオン注入層、7はAs+イオン注入層、8はアノード形成マスク材料、9はBF +イオン注入層、10はp領域、11はカソード層、12はアノードコンタクト層、13は層間絶縁膜、14はカソード電極、15はアノード電極、16はPN接合部、17はアノード層、20はSOI層である。
前記構成の実施形態3のバリキャップおよびその製造方法について説明する。 まず、SOI層20,基板保護膜2,カソード形成溝3,アノード形成溝4を有するp-半導体基板1上にカソード形成領域上が開口するようにカソード形成マスク材料5を形成する(図4(a)参照)。
次に、p領域10の濃度のピークが、最終的にカソード層11とのPN接合部16になるように(図4(f)参照)、カソード形成溝3の内壁にB+イオン注入層6をイオン注入法により形成する(図4(b)参照)。
次に、カソード形成溝3の内壁にAs+イオン注入層7をイオン注入法により形成した後、カソード形成マスク材料5を除去し、アノード形成領域上が開口するようにアノード形成マスク材料8を形成する(図4(c)参照)。
次に、アノード形成溝4の内壁にBF +イオン注入層9をイオン注入法により形成した後、アノード形成マスク材料8を除去する(図4(d)参照)。
次に、基板保護膜2を除去した後、熱処理により、B+イオン注入層6、As+イオン注入層7、BF +イオン注入層9を活性化させ、p領域7、カソード層11、アノードコンタクト層12を形成する(図4(e)参照)。
最後に、層間絶縁膜13、カソード電極14、アノード電極15を順次形成して、PN接合部16を介したカソード層11及びアノード層17からなる、バリキャップ素子を搭載したSOI層20を有するp-半導体基板1を得る(図4(f)参照)。
以上のように実施形態3によれば、実施形態1に加えて以下のような効果がある。
すなわち、SOI層を有する半導体基板を使用することにより、バリキャップ形成用の溝を形成する際、SOI層がエッチングストッパとなる。このため、エッチングによる溝の深さのばらつきがなくなるため、溝の側面積のばらつきがなくなり、バリキャップ容量の絶対精度を向上させることが可能となる。また、実施形態2と同様に、SOI層を有する半導体基板を使用することにより、バリキャップのアノードおよびカソードが基板から電気的にフローティングな状態となる。つまり、実施形態2と同様に、アノードおよびカソード電位を任意の電位にして使用することが可能となる。
なお、p領域7,カソード層11,アノードコンタクト層12の形成方法として、それぞれB+イオン,As+イオン,BF +イオンのイオン注入法を用いたが、蒸着拡散法あるいはプラズマドーピング法などを用いてもよく、形成方法を限定するものではない。
また、B+イオン注入層6,As+イオン注入層7,BF +イオン注入層9は、それぞれの導電型を満たしていれば、注入のイオン種を限定するものではない。さらに、B+イオン注入層6およびAs+イオン注入層7は、形成の順序を逆、すなわち、As+イオン注入層7を先に形成した後にB+イオン注入層6を形成しても同等な効果が得られた。
前記実施形態では、第1導電型としてP型、第2導電型としてN型を用いて説明したが、これは逆に、第1導電型としてN型、第2導電型としてP型を用いてもよく、その場合も同等な効果が得られた。
さらに、イオン注入する際の表面保護膜の有無、カソード形成マスク材料とアノード形成マスク材料の膜種、および膜厚,層間絶縁膜の膜種、および膜厚と詳細条件、カソード電極とアノード電極の形成条件を限定するものではない。
本発明は、半導体装置およびその製造方法に有用であり、特にMOSあるいはバイポーラトランジスタデバイスなどに集積回路化されたバリキャップ、およびそのバリキャップの製造方法に適用される。
本発明の実施形態1におけるバリキャップの製造方法の工程を説明するため主要部を断面して示す説明図 図1,図3,図4のA−A’線断面部分における不純物濃度の分布図 本発明の実施形態2におけるバリキャップの製造方法の工程を説明するため主要部を断面して示す説明図 本発明の実施形態3におけるバリキャップの製造方法の工程を説明するため主要部を断面して示す説明図 バリキャップの一般的な特性相関図
符号の説明
1 p-半導体基板
2 基板保護膜
3 カソード形成溝
4 アノード形成溝
5 カソード形成マスク材料
6 B+イオン注入層
7 As+イオン注入層
8 アノード形成マスク材料
9 BF +イオン注入層
10 p領域
11 カソード層
12 アノードコンタクト層
13 層間絶縁膜
14 カソード電極
15 アノード電極
16 PN接合部
17 アノード層
18 n半導体基板
19 p-領域
20 SOI層

Claims (19)

  1. 低不純物濃度を有する第1導電型の半導体基板上のバリキャップ形成領域に第1の溝と第2の溝を形成する工程と、前記第1の溝の内壁に中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を形成する工程と、前記第1の溝の内壁に高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域を形成する工程と、前記第2の溝の内に高不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を形成する工程と、前記半導体基板を熱処理して前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域と前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域と高不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を活性化させる工程を備え
    熱処理後の前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域のピーク濃度位置を、前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域とのPN接合部分に位置させることを特徴とするバリキャップの製造方法。
  2. 前記低不純物濃度を有する第1導電型の半導体基板、低不純物濃度を有する第2導電型の半導体基板に低不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を形成したことを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  3. 前記半導体基板として、SOI層を有する半導体基板を用いたことを特徴とする請求項1または2記載のバリキャップの製造方法。
  4. 前記第1の溝と前記第2の溝を、同一かつ同時に形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  5. 前記第1の溝と前記第2の溝を、素子分離における溝と同一かつ同時に形成することを特徴とする請求項1または4記載のバリキャップの製造方法。
  6. 前記低不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、CMOSトランジスタにおけるウエル領域と同一かつ同時に形成することを特徴とする請求項記載のバリキャップの製造方法。
  7. 前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、CMOSトランジスタにおけるソースおよびドレイン領域と同一かつ同時に形成することを特徴とする請求項記載のバリキャップの製造方法。
  8. 前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域を、CMOSトランジスタにおけるソースおよびドレイン領域と同一かつ同時に形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  9. 前記高不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、CMOSトランジスタにおけるソースおよびドレイン領域と同一かつ同時に形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  10. 前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、イオン注入法により形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  11. 前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、蒸着拡散法により形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  12. 前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、プラズマドーピング法により形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  13. 前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域を、イオン注入法により形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  14. 前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域を、蒸着拡散法により形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  15. 前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域を、プラズマドーピング法により形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  16. 前記高不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、イオン注入法により形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  17. 前記高不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、蒸着拡散法により形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  18. 前記高不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を、プラズマドーピング法あるいは蒸着拡散法により形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
  19. 前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域と前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域を形成する工程において、前記高不純物濃度を有する第2導電型の半導体領域を形成した後に、前記中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を形成することを特徴とする請求項1記載のバリキャップの製造方法。
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