JP7701249B2 - Variable capacitance element and its manufacturing method - Google Patents
Variable capacitance element and its manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP7701249B2 JP7701249B2 JP2021187818A JP2021187818A JP7701249B2 JP 7701249 B2 JP7701249 B2 JP 7701249B2 JP 2021187818 A JP2021187818 A JP 2021187818A JP 2021187818 A JP2021187818 A JP 2021187818A JP 7701249 B2 JP7701249 B2 JP 7701249B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- semiconductor
- variable capacitance
- semiconductor substrate
- capacitance element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Description
本発明は、可変容量素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a variable capacitance element and a manufacturing method thereof.
可変容量素子は、高周波フィルタ、TVチューナ、水晶振動子を共振器としたVCXO(Voltage Controlled Xtal Oscillator)等の電圧制御可変発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)などに用いられる。 Variable capacitance elements are used in high-frequency filters, TV tuners, and voltage-controlled variable oscillators (VCOs) such as VCXOs (Voltage Controlled Xtal Oscillators) that use a quartz crystal as a resonator.
可変容量素子としては、例えば特許文献1、2に記載されたような、pn接合を用いる可変容量ダイオードが知られている。特許文献1に開示された可変容量素子は、第1導電型の拡散層の周囲に環状の第2導電型のコンタクト層を形成した構造をユニットとし、ユニットがアレイ状に配置されている。
As a variable capacitance element, for example, a variable capacitance diode using a pn junction, as described in
特許文献2に開示された可変容量素子は、半導体基板の表面に形成された第1導電型不純物拡散領域と、半導体基板の表面に第1導電型不純物拡散領域に重なるように形成された第2導電型不純物拡散領域と、第2導電型不純物拡散領域の表面上に形成され、シリコン含有率が3wt%以上10wt%以下であるアルミニウムシリコンからなる第1電極と、半導体基板の裏面に形成される第2電極と、を備える。 The variable capacitance element disclosed in Patent Document 2 includes a first conductivity type impurity diffusion region formed on the surface of a semiconductor substrate, a second conductivity type impurity diffusion region formed on the surface of the semiconductor substrate so as to overlap the first conductivity type impurity diffusion region, a first electrode formed on the surface of the second conductivity type impurity diffusion region and made of aluminum silicon with a silicon content of 3 wt% or more and 10 wt% or less, and a second electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate.
また、特許文献3には、低不純物濃度を有する第1導電型の半導体基板上で可変容量素子形成領域に溝を形成する工程と、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、溝の内部に高不純物濃度を有する第2導電型の半導体材料を埋め込む工程と、半導体基板の中不純物濃度を有する第1導電型の半導体領域を活性化する熱処理の工程とからなる可変容量素子の製造方法が開示されている。 Patent document 3 discloses a method for manufacturing a variable capacitance element, which includes the steps of forming a groove in a variable capacitance element formation region on a semiconductor substrate of a first conductivity type having a low impurity concentration, forming a semiconductor region of the first conductivity type having a medium impurity concentration on the inner wall of the groove, embedding a semiconductor material of a second conductivity type having a high impurity concentration inside the groove, and performing a heat treatment to activate the semiconductor region of the first conductivity type having a medium impurity concentration of the semiconductor substrate.
特許文献1~3に記載されたような可変容量素子は、半導体基板の表面側に位置し、積層方向に関し、半導体基板の表面から離れるに従って不純物濃度が増加する第1領域と、この第1領域と隣接するように当該第1領域の下方に位置し、半導体基板の不純物濃度が減少する第2領域と、を有する。このような不純物濃度プロファイルを有する可変容量素子では、半導体基板の結晶軸に沿ってイオン注入した際にチャネリングに因ってイオンが半導体結晶の奥深くまで注入されるため、不純物濃度が深さ方向に関して緩やかに減少する、いわゆる「裾拡がり」なプロファイルとなり、急峻な不純物濃度の濃度勾配となる階段接合プロファイルを得ることが難しい。そのため、容量可変比および印加電圧の大きさに対する容量可変比の直線性が高い可変容量素子を得ることが難しかった。
Variable capacitance elements such as those described in
本発明は、上記事情に鑑みてなされた発明であり、容量可変比および印加電圧の大きさに対する容量可変比の直線性が高い可変容量素子を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a variable capacitance element that has a high capacitance variable ratio and a high linearity of the capacitance variable ratio with respect to the magnitude of the applied voltage.
(1)本発明の第一の態様に係る可変容量素子は、
半導体基板と、前記半導体基板の主面に設けられたキャップ層と、を備え、
前記半導体基板は、第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層と前記キャップ層との間に配置された、第1導電型の第2半導体層と、を有し、
前記キャップ層は、導電体層と、前記導電体層と前記第2半導体層との間に位置する絶縁物層と、を有し、
前記第2半導体層の不純物濃度は、積層方向に関して前記絶縁物層から離れるに従って減少する。
(1) A variable capacitance element according to a first aspect of the present invention comprises:
A semiconductor substrate and a cap layer provided on a main surface of the semiconductor substrate,
the semiconductor substrate has a first semiconductor layer of a first conductivity type and a second semiconductor layer of the first conductivity type disposed between the first semiconductor layer and the cap layer;
the cap layer includes a conductive layer and an insulating layer located between the conductive layer and the second semiconductor layer;
The impurity concentration of the second semiconductor layer decreases with increasing distance from the insulating layer in the stacking direction.
(2)上記態様に係る可変容量素子において、前記第2半導体層の不純物濃度は、-5{log10(個・cm-3)/μm}以下の濃度勾配となっていてもよい。 (2) In the variable capacitance element according to the above aspect, the impurity concentration of the second semiconductor layer may have a concentration gradient of −5 {log 10 (atoms·cm −3 )/μm} or less.
(3)上記態様に係る可変容量素子において、前記半導体基板は、積層方向において、前記第1半導体層と前記第2半導体層との界面に不純物濃度の極小値を有していてもよい。 (3) In the variable capacitance element according to the above aspect, the semiconductor substrate may have a minimum value of the impurity concentration at the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer in the stacking direction.
(4)上記態様に係る可変容量素子において、前記キャップ層の厚みは、50nm以上であってもよい。 (4) In the variable capacitance element according to the above aspect, the thickness of the cap layer may be 50 nm or more.
(5)上記態様に係る可変容量素子において、前記半導体基板は不純物元素を含むシリコンで構成されており、前記絶縁物層は、二酸化ケイ素で構成されており、前記導電体層は、多結晶シリコンで構成されていてもよい。 (5) In the variable capacitance element according to the above aspect, the semiconductor substrate may be made of silicon containing an impurity element, the insulating layer may be made of silicon dioxide, and the conductive layer may be made of polycrystalline silicon.
(6)本発明の第二の態様に係る可変容量素子の製造方法は、第1導電型の半導体領域を有する半導体基板の主面に絶縁物層を形成する第一工程と、前記絶縁物層の主面に導電体層を形成し、前記半導体基板の主面に前記絶縁物層及び前記導電体層を有するキャップ層を設ける第二工程と、前記キャップ層の前記導電体層側から、前記導電体層と前記絶縁物層とを介して前記半導体基板にイオン注入を行い、前記半導体領域のうち前記絶縁物層と接する側の領域に、積層方向に関して前記絶縁物層から離れるに従って不純物濃度が減少する第1導電型の第2半導体層を形成し、残りの前記半導体領域に第1導電型の第1半導体層を形成する第三工程と、を有する。 (6) A method for manufacturing a variable capacitance element according to a second aspect of the present invention includes a first step of forming an insulating layer on a main surface of a semiconductor substrate having a semiconductor region of a first conductivity type, a second step of forming a conductor layer on the main surface of the insulating layer and providing a cap layer having the insulating layer and the conductor layer on the main surface of the semiconductor substrate, and a third step of implanting ions into the semiconductor substrate from the conductor layer side of the cap layer through the conductor layer and the insulating layer to form a second semiconductor layer of the first conductivity type in which the impurity concentration decreases with increasing distance from the insulating layer in the stacking direction in a region of the semiconductor region that contacts the insulating layer, and forming a first semiconductor layer of the first conductivity type in the remaining semiconductor region.
(7)上記態様に係る可変容量素子の製造方法は、前記第一工程及び前記第二工程において、前記キャップ層の厚みが50nm以上となるように、前記絶縁物層及び前記導電体層を形成してもよい。 (7) In the method for manufacturing a variable capacitance element according to the above aspect, in the first and second steps, the insulating layer and the conductive layer may be formed so that the thickness of the cap layer is 50 nm or more.
(8)上記態様に係る可変容量素子の製造方法は、前記第一工程及び前記第二工程において、前記第2半導体層を形成する予定の領域と重なる位置に、前記絶縁物層と前記導電体層とからなるキャップ層を形成してもよい。 (8) In the method for manufacturing a variable capacitance element according to the above aspect, in the first step and the second step, a cap layer made of the insulating layer and the conductive layer may be formed in a position overlapping with the region in which the second semiconductor layer is to be formed.
(9)上記態様に係る可変容量素子の製造方法は、前記第三工程において、前記半導体基板にイオン注入を行い、積層方向から平面視して前記導電体層と同じ形状の前記第2半導体層を形成してもよい。 (9) In the method for manufacturing a variable capacitance element according to the above aspect, in the third step, ions may be implanted into the semiconductor substrate to form the second semiconductor layer having the same shape as the conductive layer when viewed in a plan view from the stacking direction.
本発明によれば、可変比および印加電圧の大きさに対する容量可変比の直線性の高い可変容量素子を提供することができる。 The present invention provides a variable capacitance element with a highly linear capacitance ratio versus the variable ratio and the magnitude of the applied voltage.
以下、本発明の実施形態の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合がある。このため、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっている場合がある。 Below, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the drawings used in the following description may show enlarged characteristic parts for the sake of convenience in order to make the features of the present invention easier to understand. For this reason, the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones.
[可変容量素子]
<第1実施形態>
図1は、本実施形態に係るMOS型の可変容量素子100の断面構造を模式的に示す図である。
図1に示すように、可変容量素子100は、半導体基板20と、半導体基板の主面Sに設けられたキャップ層10と、を備える。半導体基板20は、第1導電型の第1半導体層22と、第1半導体層22とキャップ層10との間に配置された、第1導電型の第2半導体層23と、を有する。キャップ層10は、導電体層12と、導電体層12と第2半導体層23との間に位置する絶縁物層11と、を有する。第2半導体層23の不純物濃度は、積層方向に関して絶縁物層11から離れるに従って減少する。以下、第1導電型がp型であり、第2導電型がn型である場合を例に挙げて説明する。
[Variable capacitance element]
First Embodiment
FIG. 1 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of a MOS
1, the
可変容量素子100の半導体基板20は、例えば不純物元素を含むシリコンで構成されている。半導体基板20は、ベース基板21上に重なる第1半導体層(ウェル)22と、第2半導体層23と、ベース基板21の上方であると共に第2半導体層の面内方向外側に設けられた低濃度層24と、低濃度層24の面内方向外側に設けられた拡散層25a、25bと、ベース基板21の上方であると共に拡散層25bの面内方向外側に設けられたエピタキシャル領域26と、を有する。
The semiconductor substrate 20 of the
低濃度層24a、24b、およびエピタキシャル領域26は、ベース基板21に直接接する構成に限定されず、ベース基板21と離間している構成、例えば、ベース基板21上に1又は複数の他の層を介して設けられている構成を含む。尚、上方とは、必ずしも重力方向に沿う方向とは一致しない。図1において、一点鎖線で囲まれた領域を積層構造50と呼称する。
The low concentration layers 24a, 24b and the
ベース基板21は、例えば低濃度の不純物元素を含むp型半導体基板である。
低濃度層24は、例えば第1半導体層22と第2半導体層23との界面における不純物濃度よりも不純物濃度が低いp型領域である。低濃度層24は、例えば半導体基板20の主面Sに沿って形成されている。半導体基板20の主面S20と低濃度層24の積層方向端面S24との距離は、例えば半導体基板20の主面S20と第2半導体層23の積層方向端面S23との距離以上である。可変容量素子100が低濃度層24を有することで、ゲート端子aから端子配線bの回路構造が、部分的に半導体基板20の積層方向成分を含むように制御することができる。
The
The low concentration layer 24 is, for example, a p-type region having a lower impurity concentration than the impurity concentration at the interface between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23. The low concentration layer 24 is formed, for example, along the main surface S of the semiconductor substrate 20. The distance between the main surface S20 of the semiconductor substrate 20 and the end surface S24 in the stacking direction of the low concentration layer 24 is, for example, equal to or greater than the distance between the main surface S20 of the semiconductor substrate 20 and the end surface S23 in the stacking direction of the second semiconductor layer 23. By including the low concentration layer 24 in the
拡散層25a、25bは、例えば、p型の不純物元素を含む。拡散層25a、25bは、例えば、第1半導体層22よりも高濃度の不純物元素を含む第1拡散層25aa、25baと、第1拡散層25aa、25baよりも高濃度の不純物元素を含む第2拡散層25ab、25bbと、をそれぞれ有する。半導体基板20の主面S20と第2拡散層25ab、25bbの積層方向端面S25bとの距離は、例えば半導体基板20の主面S20と低濃度層24の積層方向端面S24との距離より大きい。半導体基板20の主面S20と第1拡散層25aa、25baの積層方向端面S25aとの距離は、例えば、半導体基板20の主面S20と第2拡散層25ab、25bbの積層方向端面S25bとの距離よりも大きい。 The diffusion layers 25a, 25b include, for example, a p-type impurity element. The diffusion layers 25a, 25b include, for example, first diffusion layers 25aa, 25ba including a higher concentration of the impurity element than the first semiconductor layer 22, and second diffusion layers 25ab, 25bb including a higher concentration of the impurity element than the first diffusion layers 25aa, 25ba. The distance between the main surface S20 of the semiconductor substrate 20 and the stacking direction end faces S25b of the second diffusion layers 25ab, 25bb is greater than the distance between the main surface S20 of the semiconductor substrate 20 and the stacking direction end faces S24 of the low concentration layers 24, for example. The distance between the principal surface S20 of the semiconductor substrate 20 and the end faces S25a of the first diffusion layers 25aa, 25ba in the stacking direction is, for example, larger than the distance between the principal surface S20 of the semiconductor substrate 20 and the end faces S25b of the second diffusion layers 25ab, 25bb in the stacking direction.
拡散層25a、25bには、ポリシリコン配線やアルミニウム配線等の導電体配線が接続されている(図中の端子配線b)。 Conductor wiring such as polysilicon wiring or aluminum wiring is connected to the diffusion layers 25a and 25b (terminal wiring b in the figure).
エピタキシャル領域26は、例えば、低濃度の不純物元素を含むn型のエピタキシャル領域(またはウェル領域)である。エピタキシャル領域26内には、p型拡散抵抗やPMOSトランジスタ等の素子が形成される。絶縁物層11上であり、導電体層12に並ぶ位置には、例えば二酸化ケイ素を主成分として含むサイドウォールスペーサー13が設けられる。
The
<積層構造>
図2は、図1の可変容量素子100における積層構造50の拡大断面図である。積層構造50は、例えば、ベース基板21、第1半導体層22及び第2半導体層23がこの順に積層されてなる半導体基板20と、半導体基板20上に絶縁物層11及び導電体層12がこの順に積層されてなるキャップ層10と、を備える。
<Laminated structure>
Fig. 2 is an enlarged cross-sectional view of a laminated structure 50 in the
半導体基板20は、例えば不純物元素を含むシリコンで構成されている。絶縁物層11および導電体層12は、それぞれ、例えば酸化物、多結晶半導体で構成されている。具体的な例としては、絶縁物層11は、二酸化ケイ素で構成されており、導電体層12は、多結晶シリコンで構成されている。このように、積層構造50は、MOS構造を有する。 The semiconductor substrate 20 is made of, for example, silicon containing impurity elements. The insulating layer 11 and the conductive layer 12 are made of, for example, an oxide and a polycrystalline semiconductor, respectively. As a specific example, the insulating layer 11 is made of silicon dioxide, and the conductive layer 12 is made of polycrystalline silicon. In this way, the stacked structure 50 has a MOS structure.
ベース基板21、第1半導体層22及び第2半導体層23は、例えばp型の不純物元素を含む半導体領域である。例えば、第1半導体層22はp-層、第2半導体層23はp層であり、第2半導体層23の不純物濃度は、例えば第1半導体層22の不純物濃度よりも高い。
The
第2半導体層23の不純物濃度は、図2中のドット濃淡で示すように、積層方向に関して、絶縁物層11から離れるに従って減少する。第2半導体層23の不純物濃度は、例えば1.0×1017~5.0×1018(個/cm3)であり、4.0×1017~2.0×1018(個/cm3)であることが好ましい。第2半導体層23の不純物濃度は、例えば-5{log10(個・cm-3)/μm}以下の濃度勾配となり、例えば-10{log10(個・cm-3)/μm}以上の濃度勾配となる。第2半導体層23の不純物濃度の濃度勾配は、半導体基板20の主面Sおよび第2半導体層23の積層方向端面S23における不純物濃度の差を第2半導体層23の深さの差で除することにより求めることができる。すなわち、第2半導体層23の不純物濃度の濃度勾配は、[{log10(第2半導体層23の積層方向端面S23における不純物濃度)-log10(半導体基板20の主面Sにおける不純物濃度)}/(第2半導体層23の深さの差)]を計算することで求めることができる。 The impurity concentration of the second semiconductor layer 23 decreases with increasing distance from the insulating layer 11 in the stacking direction, as shown by the dot shading in FIG. 2. The impurity concentration of the second semiconductor layer 23 is, for example, 1.0×10 17 to 5.0×10 18 (pieces/cm 3 ), and preferably 4.0×10 17 to 2.0×10 18 (pieces/cm 3 ). The impurity concentration of the second semiconductor layer 23 has a concentration gradient of, for example, −5 {log 10 (pieces·cm −3 )/μm} or less, and a concentration gradient of, for example, −10 {log 10 (pieces·cm −3 )/μm} or more. The concentration gradient of the impurity concentration of the second semiconductor layer 23 can be obtained by dividing the difference in impurity concentration between the main surface S of the semiconductor substrate 20 and the end surface S 23 in the stacking direction of the second semiconductor layer 23 by the difference in depth of the second semiconductor layer 23. That is, the concentration gradient of the impurity concentration of the second semiconductor layer 23 can be obtained by calculating [{log 10 (impurity concentration at the stacking direction end surface S 23 of the second semiconductor layer 23) - log 10 (impurity concentration at the main surface S of the semiconductor substrate 20)} / (difference in depth of the second semiconductor layer 23)].
第2半導体層23の積層方向端面S23の位置は、例えば半導体基板20の不純物濃度プロファイルを基に画定することができる。具体的には、上述の通り第2半導体層23の不純物濃度は半導体基板20の主面から離れるに従って減少し、また後述の通り第1半導体層22のうち、第2半導体層23と接する領域の不純物濃度は、半導体基板20の主面Sから離れるに従って増加するため、積層方向端面S23の不純物濃度は、積層方向における不純物濃度プロファイルの極小値となる。このように、半導体基板20は、例えば積層方向において、第1半導体層22と第2半導体層23との界面に不純物濃度の極小値を有する。従って、積層方向において、半導体基板の主面Sに最近接の不純物濃度の極小値が第2半導体層23の積層方向端面S23であり、且つ積層方向における第2半導体層23と第1半導体層22との界面であると画定することができる。 The position of the stacking direction end face S23 of the second semiconductor layer 23 can be determined based on, for example, the impurity concentration profile of the semiconductor substrate 20. Specifically, as described above, the impurity concentration of the second semiconductor layer 23 decreases with increasing distance from the main surface of the semiconductor substrate 20, and as described later, the impurity concentration of the region of the first semiconductor layer 22 that contacts the second semiconductor layer 23 increases with increasing distance from the main surface S of the semiconductor substrate 20, so that the impurity concentration of the stacking direction end face S23 is the minimum value of the impurity concentration profile in the stacking direction. In this way, the semiconductor substrate 20 has a minimum value of the impurity concentration at the interface between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23 in the stacking direction, for example. Therefore, it can be determined that the minimum value of the impurity concentration closest to the main surface S of the semiconductor substrate in the stacking direction is the stacking direction end face S23 of the second semiconductor layer 23, and is also the interface between the second semiconductor layer 23 and the first semiconductor layer 22 in the stacking direction.
第1半導体層22は、図2中のドット濃淡で示すように、例えば、第2半導体層23の積層方向端面S23と接し、積層方向端面S23から積層方向に離間するに従い不純物濃度が増加する領域R22aと、該領域R22aと接し、積層方向端面から離間するに従い不純物濃度が増加する領域R22bと、を有する。すなわち、第1半導体層22の不純物濃度は、これら2つの領域R22a、R22bの界面22iにおいて最大となる。第1半導体層22の不純物濃度の最大値は、第2半導体層23の不純物濃度の最大値よりも小さいことが好ましい。また、第1半導体層22における平均不純物濃度は、第2半導体層23における平均不純物濃度よりも低いことが好ましい。 As shown by the dot shading in FIG. 2, the first semiconductor layer 22 has, for example, a region R22a that contacts the stacking direction end face S23 of the second semiconductor layer 23 and whose impurity concentration increases with increasing distance from the stacking direction end face S23, and a region R22b that contacts the region R22a and whose impurity concentration increases with increasing distance from the stacking direction end face. That is, the impurity concentration of the first semiconductor layer 22 is maximum at the interface 22i between these two regions R22a and R22b. The maximum value of the impurity concentration of the first semiconductor layer 22 is preferably smaller than the maximum value of the impurity concentration of the second semiconductor layer 23. In addition, the average impurity concentration in the first semiconductor layer 22 is preferably lower than the average impurity concentration in the second semiconductor layer 23.
キャップ層10は、例えば第2半導体層23上に積層された絶縁物層11と、絶縁物層11上に積層された導電体層12と、からなる。 The cap layer 10 is composed of, for example, an insulating layer 11 laminated on the second semiconductor layer 23 and a conductive layer 12 laminated on the insulating layer 11.
キャップ層10は、例えば第2半導体層23上に積層された絶縁物層11と、絶縁物層11上に積層された導電体層12と、からなる。 The cap layer 10 is composed of, for example, an insulating layer 11 laminated on the second semiconductor layer 23 and a conductive layer 12 laminated on the insulating layer 11.
絶縁物層11は、二酸化ケイ素等の絶縁体で構成されている。絶縁物層11は、積層方向と交差する方向(基板の面内方向)において、第2半導体層23よりも大きい。絶縁物層11は、例えば積層方向から平面視して、第2半導体層23及び第2半導体層23に並んで配置された低濃度層24と重なる。 The insulating layer 11 is composed of an insulator such as silicon dioxide. The insulating layer 11 is larger than the second semiconductor layer 23 in a direction intersecting the stacking direction (in-plane direction of the substrate). When viewed in a plan view from the stacking direction, for example, the insulating layer 11 overlaps with the second semiconductor layer 23 and the low concentration layer 24 arranged next to the second semiconductor layer 23.
導電体層12は、ポリシリコンなどの導電性を有する材料で構成されている。導電体層12は、積層方向から平面視して、第2半導体層23と重なり、例えば同じ形状をしている。導電体層12は、例えばn型の不純物元素を含む。 The conductor layer 12 is made of a conductive material such as polysilicon. When viewed from above in the stacking direction, the conductor layer 12 overlaps with the second semiconductor layer 23 and has, for example, the same shape. The conductor layer 12 contains, for example, an n-type impurity element.
キャップ層10の厚みd10は、例えば50nm以上である。キャップ層10の厚みは、例えば400nm以下であり、100nm~300nmであることが好ましい。 The thickness d 10 of the cap layer 10 is, for example, 50 nm or more. The thickness of the cap layer 10 is, for example, 400 nm or less, and preferably 100 nm to 300 nm.
キャップ層10の厚みd10は、イオン注入する際の加速エネルギーの大きさとともに第2半導体層23の不純物濃度分布や厚みを画定する。キャップ層10の厚みd10が50nm以上であることで、後述する製造過程で半導体基板にイオン注入を行い、第2半導体層23を形成する工程(第三工程)において、不純物元素の一部を遮る効果を得られやすく、第2半導体層23の不純物濃度を積層方向に関して、絶縁物層11から離れるに従って減少するプロファイルとすることができる。また、キャップ層10の厚みd10が大きい場合、第2半導体層23を形成するためには、イオン注入の加速エネルギーを大きくする必要がある。キャップ層10の厚みd10が400nm以下であることで、キャップ層10で過剰にチャネリングが発生するのを簡便に抑制することができ、第2半導体層23の不純物濃度を高くし、且つ絶縁物層11から離れるに従って減少する構成に制御された、サブミクロン程度の厚みの第2半導体層23を形成しやすい。 The thickness d 10 of the cap layer 10 determines the impurity concentration distribution and thickness of the second semiconductor layer 23 together with the magnitude of the acceleration energy during ion implantation. When the thickness d 10 of the cap layer 10 is 50 nm or more, it is easy to obtain the effect of blocking a part of the impurity element in the process (third process) of forming the second semiconductor layer 23 by ion implantation into the semiconductor substrate in the manufacturing process described later, and the impurity concentration of the second semiconductor layer 23 can be made to have a profile that decreases with distance from the insulator layer 11 in the stacking direction. In addition, when the thickness d 10 of the cap layer 10 is large, it is necessary to increase the acceleration energy of the ion implantation in order to form the second semiconductor layer 23. When the thickness d 10 of the cap layer 10 is 400 nm or less, it is possible to easily suppress the occurrence of excessive channeling in the cap layer 10, and it is easy to form the second semiconductor layer 23 having a thickness of about submicrons, which is controlled to have a configuration in which the impurity concentration of the second semiconductor layer 23 is high and decreases with distance from the insulator layer 11.
絶縁物層11の厚みd11は、例えば3nm~14nmであり、5nm~8nmであることが好ましい。また、導電体層12の厚みd12は、例えば50nm~400nmであり、100nm~300nmであることが好ましい。 The thickness d11 of the insulating layer 11 is, for example, 3 nm to 14 nm, and preferably 5 nm to 8 nm, and the thickness d12 of the conductive layer 12 is, for example, 50 nm to 400 nm, and preferably 100 nm to 300 nm.
可変容量素子100においては、ゲート端子aと端子配線bとの電位差を変化させることにより、半導体基板20と導電体層12との間の容量を変化させることができる。具体的には、ゲート端子aの電位に正の電位を与えて、ゲート端子aと端子配線bとの電位差を大きくすると、半導体基板20の表面近傍に空乏層が形成される。ゲート端子aの電位を高めると、空乏層が積層方向に広がり、半導体基板20と導電体層12との間の容量が減少する。
In the
また可変容量素子100において、ゲート端子aに負の電位を与えて、ゲート端子aと端子配線bとの電位差を十分に大きくすると、半導体基板20の表面近傍に正孔が集まり、可変容量素子は、蓄積状態となる。この結果、可変容量素子100の容量は、絶縁物層11の容量と略同一となり、最大値をとる。
In addition, in the
従って、第2半導体層23の不純物濃度が積層方向に関して絶縁物層11から離れるに従って減少する構成であると、第2半導体層23において深さ方向距離の増大に伴って不純物濃度が減少するといった一様の相関関係となるため、階段接合プロファイル或いはこれに近いプロファイルが得られる。このため、可変容量素子100の容量可変比が高く、且つ、導電体層12に印加される電圧の大きさの変化に対する容量可変比の変化のプロファイルの直線性が高くなる。また、第2半導体層23の不純物濃度の濃度勾配が-5{log10(個・cm-3)/μm}以下であると、理想的な階段接合に近いプロファイルが得られるとともに、印加電圧の大きさの変化に対する容量可変比の変化のプロファイルの直線性をより高くすることができる。
Therefore, if the impurity concentration of the second semiconductor layer 23 decreases with increasing distance from the insulating layer 11 in the stacking direction, a uniform correlation is established in which the impurity concentration decreases with increasing distance in the depth direction in the second semiconductor layer 23, and an abrupt junction profile or a profile similar thereto can be obtained. As a result, the capacitance variable ratio of the
尚、上記実施形態では、半導体基板20が不純物元素を含むシリコンで構成される例を示したが、半導体基板20は、不純物元素を含むシリコンで構成される例に限定されず、不純物元素を含むゲルマニウム、セレン等で構成されていてもよい。 In the above embodiment, an example is shown in which the semiconductor substrate 20 is made of silicon containing an impurity element, but the semiconductor substrate 20 is not limited to being made of silicon containing an impurity element, and may be made of germanium, selenium, or the like containing an impurity element.
上記実施形態では、第1半導体層22が、積層方向端面S23から離れるに従い不純物濃度が増加する領域R22aと積層方向端面S23から離れるに従い不純物濃度が減少する領域R22bとを有する構成を開示したが、この例に限らず、第1半導体層22は、積層方向端面S23から離れるに従い不純物濃度が単調に減少する構成であってもよく、不純物濃度が単調に減少する構成であってもよい。このような場合、第2半導体層を形成する前の積層方向における不純物濃度プロファイルのグラフと、第2半導体層を形成した後の積層方向における不純物濃度プロファイルのグラフと、を照合することにより、第1半導体層22および第2半導体層23の界面を画定することができる。 In the above embodiment, the first semiconductor layer 22 has a region R22a in which the impurity concentration increases with increasing distance from the stacking direction end face S23 and a region R22b in which the impurity concentration decreases with increasing distance from the stacking direction end face S23 , but the present invention is not limited to this example, and the first semiconductor layer 22 may have a configuration in which the impurity concentration monotonically decreases with increasing distance from the stacking direction end face S23 , or may have a configuration in which the impurity concentration monotonically decreases. In such a case, the interface between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23 can be defined by comparing a graph of the impurity concentration profile in the stacking direction before the second semiconductor layer is formed with a graph of the impurity concentration profile in the stacking direction after the second semiconductor layer is formed.
また、上記実施形態では、第1導電型がp型であり、第2導電型がn型である可変容量素子について説明したが、これに限らず、第1導電型がn型であり、第2導電型がp型であってもよい。例えば、上記実施形態において、第1半導体層22がp-層であり、第2半導体層23がp層である例を示したが、第1半導体層22がn-層であり、第2半導体層がn層であってもよい。ここで、p-層およびn-層は、それぞれ平均不純物濃度がp層およびn層よりも低いことを示す。このような構成では、ゲート端子aの電位を低めると、空乏層が拡がり、半導体基板20と導電体層12との間の容量が減少する。 In the above embodiment, the variable capacitance element is described in which the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type, but the present invention is not limited thereto, and the first conductivity type may be n-type and the second conductivity type may be p-type. For example, in the above embodiment, the first semiconductor layer 22 is a p - layer and the second semiconductor layer 23 is a p-layer, but the first semiconductor layer 22 may be an n - layer and the second semiconductor layer an n-layer. Here, the p - layer and the n - layer indicate that the average impurity concentration is lower than that of the p-layer and the n-layer, respectively. In such a configuration, when the potential of the gate terminal a is lowered, the depletion layer expands and the capacitance between the semiconductor substrate 20 and the conductor layer 12 decreases.
[可変容量素子の製造方法]
次に、本実施形態に係る可変容量素子の製造方法の一例を説明する。以下、可変容量素子100の積層構造50を形成する工程を中心に説明する。本実施形態においては、図3~図7に示す本実施形態に係る可変容量素子の製造過程を参照する。
[Manufacturing method of variable capacitance element]
Next, an example of a method for manufacturing the variable capacitance element according to this embodiment will be described. The following mainly describes the process for forming the layered structure 50 of the
本実施形態に係る可変容量素子の製造方法は、第1導電型の半導体領域を有する半導体基板20の主面Sに絶縁物層11を形成する第一工程と、絶縁物層11の主面S11に導電体層12を形成し、半導体基板20の主面Sに絶縁物層11及び前記導電体層を有するキャップ層10を設ける第二工程と、キャップ層10の導電体層12側から、導電体層12と絶縁物層11とを介して半導体基板20にイオン注入を行い、半導体領域のうち絶縁物層11と接する側の領域に、積層方向に関して絶縁物層11から離れるに従って不純物濃度が減少する第1導電型の第2半導体層23を形成し、残りの半導体領域に第1導電型の第1半導体層22を形成する第三工程と、を有する。 The method for manufacturing a variable capacitance element according to this embodiment includes a first step of forming an insulating layer 11 on a main surface S of a semiconductor substrate 20 having a semiconductor region of a first conductivity type; a second step of forming a conductor layer 12 on the main surface S11 of the insulating layer 11 and providing a cap layer 10 having the insulating layer 11 and the conductor layer on the main surface S of the semiconductor substrate 20; and a third step of implanting ions into the semiconductor substrate 20 from the conductor layer 12 side of the cap layer 10, via the conductor layer 12 and the insulating layer 11, to form a second semiconductor layer 23 of the first conductivity type in which the impurity concentration decreases with increasing distance from the insulating layer 11 in the stacking direction, in a region of the semiconductor region that is in contact with the insulating layer 11, and forming a first semiconductor layer 22 of the first conductivity type in the remaining semiconductor region.
(準備工程)
第1導電型の半導体領域を有さない半導体基板を用いて可変容量素子100を製造する場合、例えば、第1工程を行う前に準備工程として、第1準備工程および第2準備工程を有する。尚、第1導電型の半導体領域を有する半導体基板20を用いて可変容量素子100を製造する場合、準備工程は省略可能である。
(preparation process)
When manufacturing the
第1準備工程では、図3に示すように、例えば半導体基板20に第2導電型の半導体領域を形成する。具体的には、例えばp型の半導体基板20の主面S側にn型のエピタキシャル領域26を形成する。
In the first preparation step, as shown in FIG. 3, for example, a semiconductor region of the second conductivity type is formed in the semiconductor substrate 20. Specifically, for example, an n-
第2準備工程では、図4に示すように、半導体基板に第1導電型の半導体領域を形成する。具体的には、例えばn型のエピタキシャル領域26を有する半導体基板20にイオン注入を行い、エピタキシャル領域26よりも主面Sから離れた領域まで第1導電型のウェル22´を形成する。ウェル22´は、例えばp(p-)型の半導体領域である。例えば半導体基板の主面S側に半導体基板の主面Sから離れるに従って不純物濃度が増加する領域R22a´、及びこの領域と接し、半導体基板の主面Sから離れるに従って不純物濃度が減少する領域R22b、を有する。
In the second preparation step, as shown in Fig. 4, a semiconductor region of a first conductivity type is formed in a semiconductor substrate. Specifically, ions are implanted into a semiconductor substrate 20 having an n-
(第一工程)
第一工程では、図5に示すように、p型の半導体領域(ウェル22´)を有する半導体基板の主面Sに絶縁物層11を形成する。第一工程は、先ず半導体基板を熱処理し、主面Sに、例えば厚みd11が3~14nmの熱酸化膜を形成する。次いで、フォトレジスト(図示せず)等を用いて、絶縁物層11を形成する予定の領域を覆う。次いで、このフォトレジストをマスクとしてエッチングを行い、マスクした領域以外の領域の熱酸化膜を除去して、絶縁物層11を形成する。
(First step)
In the first step, as shown in Fig. 5, an insulating layer 11 is formed on a main surface S of a semiconductor substrate having a p-type semiconductor region (well 22'). In the first step, the semiconductor substrate is first heat-treated to form a thermal oxide film having a thickness d11 of, for example, 3 to 14 nm on the main surface S. Next, a photoresist (not shown) or the like is used to cover the region where the insulating layer 11 is to be formed. Next, etching is performed using this photoresist as a mask, and the thermal oxide film in the region other than the masked region is removed, thereby forming the insulating layer 11.
(第二工程)
次いで、図6に示すように、絶縁物層11の主面S11に導電体層12を形成し、半導体基板の主面Sに絶縁物層11及び導電体層12を有するキャップ層10を設ける。第二工程は、例えば絶縁物層11の主面S11にポリシリコン等の多結晶半導体を形成してパターニングを行い、n型の導電体層12を形成する。第二工程におけるパターニングは、例えば面内方向における導電体層12の大きさが、面内方向における絶縁物層11の大きさよりも小さくなるように行う(図1参照)。
(Second process)
6, a conductor layer 12 is formed on the main surface S11 of the insulator layer 11, and a cap layer 10 having the insulator layer 11 and the conductor layer 12 is provided on the main surface S of the semiconductor substrate. In the second step, for example, a polycrystalline semiconductor such as polysilicon is formed on the main surface S11 of the insulator layer 11 and patterned to form an n-type conductor layer 12. The patterning in the second step is performed so that the size of the conductor layer 12 in the in-plane direction is smaller than the size of the insulator layer 11 in the in-plane direction (see FIG. 1).
本第二工程では、絶縁物層11および導電体層12を有するキャップ層10を設けることができる。すなわち、絶縁物層11および導電体層12からなるキャップ層10を設けてもよいし、絶縁物層11および導電体層12に加えて他の層を有するキャップ層を設けてもよい。本実施形態に係る可変容量素子の製造方法は、第一工程及び第二工程において、後述する第2半導体層23を形成する予定の領域と重なる位置に、絶縁物層11と導電体層12とからなるキャップ層10を形成する。 In this second step, a cap layer 10 having an insulating layer 11 and a conductive layer 12 can be provided. That is, a cap layer 10 consisting of an insulating layer 11 and a conductive layer 12 may be provided, or a cap layer having other layers in addition to the insulating layer 11 and the conductive layer 12 may be provided. In the manufacturing method of the variable capacitance element according to this embodiment, in the first and second steps, a cap layer 10 consisting of an insulating layer 11 and a conductive layer 12 is formed in a position overlapping with a region in which a second semiconductor layer 23, which will be described later, is to be formed.
第一工程及び第二工程では、キャップ層10の厚みd10が50nm以上となるように、絶縁物層11及び導電体層12を形成することが好ましく、厚みd10が100nm以上となるようにすることがより好ましい。また、第一工程及び第二工程では、キャップ層10の厚みd10が400nm以下となるように絶縁物層11および導電体層12を形成することが好ましく、300nm以下となるようにすることが好ましい。 In the first and second steps, the insulating layer 11 and the conductive layer 12 are preferably formed so that the thickness d 10 of the cap layer 10 is 50 nm or more, and more preferably so that the thickness d 10 is 100 nm or more. In the first and second steps, the insulating layer 11 and the conductive layer 12 are preferably formed so that the thickness d 10 of the cap layer 10 is 400 nm or less, and more preferably so that the thickness d 10 is 300 nm or less.
また、絶縁物層11上であって、導電体層12に並ぶ位置に、例えば二酸化ケイ素を用いてサイドウォールスペーサー13を形成する。 In addition, a sidewall spacer 13 is formed on the insulating layer 11 in a position aligned with the conductive layer 12, using, for example, silicon dioxide.
(第三工程)
次いで、図7に示すように、キャップ層10の導電体層12側から導電体層12と絶縁物層11とを介して半導体基板20にイオン注入を行い、ウェル22´のうち、絶縁物層11と接する側の領域に、積層方向に関して絶縁物層11から離れるに従って不純物濃度が減少する第1導電型の第2半導体層23を形成し、残りのウェル22´に第1導電型の第1半導体層22を形成する。すなわち、第三工程では、ウェル22´に第2半導体層23を形成し、ウェル22´のうち第2半導体層23以外の部分が第1半導体層22となる。第1半導体層22は、例えばp(p)型の半導体領域である。
(Third step)
7, ions are implanted into the semiconductor substrate 20 from the conductive layer 12 side of the cap layer 10 through the conductive layer 12 and the insulating layer 11 to form a second semiconductor layer 23 of a first conductive type having an impurity concentration decreasing with increasing distance from the insulating layer 11 in the stacking direction in a region of the well 22' that contacts the insulating layer 11, and a first semiconductor layer 22 of a first conductive type is formed in the remaining well 22'. That is, in the third step, the second semiconductor layer 23 is formed in the well 22', and the portion of the well 22' other than the second semiconductor layer 23 becomes the first semiconductor layer 22. The first semiconductor layer 22 is, for example, a p (p) type semiconductor region.
第三工程では、例えば半導体基板20にイオン注入を行い、積層方向から平面視して、導電体層12と同じ形状の第2半導体層23を形成することができる。 In the third step, for example, ions are implanted into the semiconductor substrate 20 to form a second semiconductor layer 23 having the same shape as the conductive layer 12 when viewed in a plan view from the stacking direction.
第三工程では、例えばセルフアライメントで第2半導体層23を形成することができるため、マスクなどが不要である。イオン注入する際の加速エネルギーは、キャップ層10の厚みや、第2半導体層23として形成された半導体領域の深さにも拠るが、例えば30~70kEVにすることができる。加速エネルギーが小さすぎると、キャップ層10を突き抜けて半導体基板にイオン注入することができないため、所定の大きさ以上の加速エネルギーにすることが好ましい。 In the third step, the second semiconductor layer 23 can be formed by, for example, self-alignment, so no mask is required. The acceleration energy during ion implantation can be, for example, 30 to 70 kEV, depending on the thickness of the cap layer 10 and the depth of the semiconductor region formed as the second semiconductor layer 23. If the acceleration energy is too small, the ions cannot penetrate the cap layer 10 and be implanted into the semiconductor substrate, so it is preferable to use an acceleration energy of a predetermined magnitude or more.
導電体層12は、無秩序な結晶粒で構成されており、キャップ層10を介して半導体基板20にイオン注入する場合、注入されるイオンが無秩序な方位の結晶粒で構成された導電体層12の原子に衝突しやすくなり、イオンの一部が遮られ、キャップ層10に留まる。従って、本実施形態の製造方法によって積層構造50を製造することで、チャネリングが抑制される。そのため、従来のように半導体基板にキャップ層を設けずに直接イオン注入を行う場合、主面側の領域では主面から離れるに従って不純物濃度が増大し、主面から離れた領域では、主面から離れるに従って不純物濃度が減少する濃度プロファイルになるところ、本実施形態では、第2半導体層23の不純物濃度が、積層方向に関して離れるに従って減少する濃度プロファイルとなる。これにより、積層構造50が形成される。 The conductor layer 12 is composed of disordered crystal grains, and when ions are implanted into the semiconductor substrate 20 through the cap layer 10, the implanted ions are more likely to collide with atoms of the conductor layer 12 composed of crystal grains with disordered orientations, and some of the ions are blocked and remain in the cap layer 10. Therefore, by manufacturing the stacked structure 50 by the manufacturing method of this embodiment, channeling is suppressed. Therefore, when ions are directly implanted into the semiconductor substrate without providing a cap layer as in the past, the impurity concentration in the region on the main surface side increases with distance from the main surface, and the impurity concentration in the region away from the main surface decreases with distance from the main surface. In this embodiment, however, the impurity concentration of the second semiconductor layer 23 decreases with distance in the stacking direction. This forms the stacked structure 50.
積層構造50の製造方法について上述したが、例えば他の工程をさらに含み、以下の手順で図1に示すような可変容量素子100を製造することができる。
The manufacturing method for the laminated structure 50 has been described above, but it may further include other steps, and the
可変容量素子100を製造する場合、例えばp型LDD構造のMOSトランジスタを用いてもよい。このような場合、p型LDD構造のMOSトランジスタのpチャネルを低濃度層24として用いることができる。
When manufacturing the
さらに、上記準備工程の後であって上記第一工程の前に、主面Sのうち、低濃度層24を形成する領域以外の領域と重なる部分にマスクをした状態でイオン注入を行い、p型の低濃度領域として低濃度層24を形成してもよい。 Furthermore, after the above preparation step and before the above first step, ion implantation may be performed with a mask on the portion of the main surface S that overlaps with the region other than the region in which the low concentration layer 24 is to be formed, to form the low concentration layer 24 as a p-type low concentration region.
また、上記第一工程において、熱酸化膜を除去して絶縁物層11を形成する際に、低濃度層24の上面全体を覆う熱酸化膜を残してもよい。 In addition, in the first step, when removing the thermal oxide film to form the insulating layer 11, the thermal oxide film may be left covering the entire upper surface of the low concentration layer 24.
また、上記第一工程の後であって上記第二工程の前に、半導体基板に所定のパターンを有するマスクを介してイオン注入を行い、ウェルにp型の第1拡散層25aa、25baを形成してもよい。 Also, after the first step and before the second step, ion implantation may be performed on the semiconductor substrate through a mask having a predetermined pattern to form p-type first diffusion layers 25aa, 25ba in the well.
また、上記第二工程の後であって上記第三工程の前に、第1拡散層25aa、25baに、イオン注入をさらに行い、第1拡散層25aa、25baと比べ不純物濃度の高い第2拡散層25ab、25bbを形成してもよい。 Furthermore, after the second step and before the third step, ion implantation may be further performed on the first diffusion layers 25aa, 25ba to form second diffusion layers 25ab, 25bb having a higher impurity concentration than the first diffusion layers 25aa, 25ba.
また、上記第三工程の後に、拡散層25bに端子配線bを接続し、ベース基板21と同じ電位になるように設置してもよい。このようにして、図1に示すような可変容量素子100を製造することができる。
Furthermore, after the third step, the terminal wiring b may be connected to the diffusion layer 25b and set to the same potential as the
上述したように、本実施形態の可変容量素子100によれば、MOS構造において、キャップ層10が、導電体層12と、導電体層12と第2半導体層23との間に位置する絶縁物層11とを有し、第2半導体層23の不純物濃度が、積層方向に関し、半導体基板20の主面Sから離れるに従って減少する構成であるので、容量可変比および半導体基板20の深さに対する容量可変比の直線性が高い可変容量素子を提供することができる。
また、可変容量素子100が、積層方向において、第2半導体層23に対し、主面Sから離れた側に、第2半導体層23の平均不純物濃度よりも低い平均不純物濃度を示す第1半導体層22を有する場合、動作時に、第1半導体層22からの熱拡散によるp-の沸き上がりにより、第2半導体層23の不純物濃度が高まる。そのため、直列抵抗を抑えることができる。
As described above, according to the
Furthermore, when the
また、本実施形態に係る可変容量素子の製造方法によれば、第三工程において、導電体層12を有するキャップ層10を介してイオン注入するため、注入されるイオンが無秩序な結晶粒の方位で構成された導電体層12の原子に衝突しやすく、チャネリングが抑制される。従って、第2半導体層23の不純物濃度が積層方向に関して絶縁物層11から離れるに従って不純物濃度が減少し、且つ該不純物濃度の濃度勾配を高くすることができる。従って、容量可変比及び半導体基板20の深さに対する不純物濃度の直線性が高い可変容量素子100を簡便な方法で作製することができる。
In addition, according to the manufacturing method of the variable capacitance element of this embodiment, in the third step, ions are implanted through the cap layer 10 having the conductive layer 12, so that the implanted ions are likely to collide with atoms of the conductive layer 12, which is composed of disordered crystal grain orientations, and channeling is suppressed. Therefore, the impurity concentration of the second semiconductor layer 23 decreases as it moves away from the insulator layer 11 in the stacking direction, and the concentration gradient of the impurity concentration can be made high. Therefore, a
<適用例>
図8は、上記実施形態の可変容量素子100を備える電圧制御型発振器200の回路図の一例である。図8に示すように、電圧制御型発振器200は、例えば内部回路71、抵抗72、保護ダイオード73、VDD端子74、入力端子75、VSS端子76及び可変容量素子100を有する。
VDD端子74の電圧は、例えば接地電圧であり、VSS端子の電圧は電源電圧である。電圧制御型発振器200において、VDD端子74と、VSS端子76との間には、内部回路71が設けられている。この内部回路71は、例えば反転増幅器や帰還抵抗など一般的な発振回路による構成である。入力端子75は、抵抗72を介して内部回路71に水晶などの圧電振動子が接続される端子であり、この入力端子75とVSS端子76との間に可変容量素子100が設けられている。図示していないが、可変容量素子100の入力端子75側には、別の端子を通じて制御電圧が与えられ、その容量値が調整される。さらに、VDD端子74とVSS端子76との間にも保護素子として、保護ダイオード73が設けられている。
このように、本実施形態の可変容量素子100を、水晶振動子を共振器とした電圧制御型発振器200等に適用することができる。
<Application Examples>
8 is an example of a circuit diagram of a voltage-controlled
The voltage of the
In this way, the
ここまで、可変容量素子、およびその製造方法、並びに可変容量素子を用いた電圧制御型発振器について記載したが、上記の実施形態及び変形例の特徴的な構成をそれぞれ組み合わせてもよい。 So far, we have described a variable capacitance element, a manufacturing method thereof, and a voltage-controlled oscillator using a variable capacitance element, but the characteristic configurations of the above embodiments and modifications may be combined.
以下、本発明の実施例および比較例を説明する。本発明は、以下の実施例のみに限定されるものではない。 The following describes examples and comparative examples of the present invention. The present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
実施例1として、プロセスシミュレーションにより図2に示すような積層構造を作製した。プロセスシミュレーションは、TCADを用いて行った。プロセスシミュレーションでは、以下の条件のプロセスをシミュレートした。
[Example 1]
As Example 1, a laminated structure as shown in Fig. 2 was fabricated by process simulation. The process simulation was performed using TCAD. In the process simulation, a process was simulated under the following conditions.
実施例1は、先ず第1準備工程として、p型のシリコン基板に、エピタキシャル領域26を形成した。次いで、第2準備工程として、シリコン基板の主面に120kEVの加速エネルギーでB+イオンをドーズ量2.5×1013個/cm2注入し、ベース基板21上にp型の半導体領域を形成した。
In Example 1, first, as a first preparation step, an
次いで、第一工程として、p型の半導体領域が形成されたシリコン基板を大気中で800℃で熱酸化し、該シリコン基板の主面に厚み6.5nmの絶縁物層を形成した。 Next, in the first step, the silicon substrate on which the p-type semiconductor region was formed was thermally oxidized at 800°C in air to form an insulating layer with a thickness of 6.5 nm on the main surface of the silicon substrate.
次いで、第二工程として、減圧CVDすることにより、絶縁物層の主面に厚み200nmのポリシリコン層を形成し、絶縁物層及びポリシリコン層からなるキャップ層を形成した。 Next, in the second step, a polysilicon layer with a thickness of 200 nm was formed on the main surface of the insulating layer by low-pressure CVD, and a cap layer consisting of the insulating layer and the polysilicon layer was formed.
次いで、第三工程として、キャップ層のポリシリコン層側から、ポリシリコン層と絶縁物層とを介して、シリコン基板にイオン注入を行った。イオン注入は、50kEVの加速エネルギーでB+イオンをドーズ量2.0×1013個/cm2個/cm2注入した。実施例1では、このようにして、ベース基板、第1半導体層、第2半導体層、絶縁物層、及びポリシリコン層が積層方向にこの順で設けられた、図2に示すような積層構造を作製した。 Next, in the third step, ion implantation was performed on the silicon substrate from the polysilicon layer side of the cap layer through the polysilicon layer and the insulator layer. The ion implantation was performed by implanting B+ ions at a dose of 2.0×10 13 ions/cm 2 ions/cm 2 with an acceleration energy of 50 kEV. In Example 1, a stacked structure as shown in FIG. 2 was thus produced, in which the base substrate, the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the insulator layer, and the polysilicon layer were provided in this order in the stacking direction.
次いで、作製した積層構造の面内方向における1箇所の位置の積層方向における不純物の濃度分布をSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)プロファイルデータをベースにしたシミュレーションにより求めた。 Next, the impurity concentration distribution in the stacking direction at one position in the in-plane direction of the fabricated stacked structure was determined by simulation based on SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) profile data.
[比較例1]
比較例1として、プロセスシミュレーションにより以下のプロセスで形成される積層構造をシミュレートした。比較例1では、実施例1と同様の方法でシミュレーションを行った。
[Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, a laminated structure formed by the following process was simulated by process simulation. In Comparative Example 1, the simulation was performed in the same manner as in Example 1.
シリコン基板の主面に160kEVの加速エネルギーでB+イオンをドーズ量1.5×1013個/cm2注入し、第一の半導体領域を形成した。
次いで、表層部近傍に第一の半導体領域が形成されたシリコン基板の主面に50kEVの加速エネルギーでB+イオンをドーズ量2.0×1013個/cm2注入し、ベース基板上に第一の半導体領域が形成され、第一の半導体領域上に第二の半導体領域が形成された積層構造を作製した。
A first semiconductor region was formed by implanting B+ ions into the main surface of the silicon substrate at a dose of 1.5× 1013 ions/ cm2 with an acceleration energy of 160 kEV.
Next, B + ions were implanted at a dose of 2.0 × 1013 ions/ cm2 with an acceleration energy of 50 kEV into the main surface of the silicon substrate in which the first semiconductor region was formed near the surface layer portion, to produce a stacked structure in which the first semiconductor region was formed on the base substrate and the second semiconductor region was formed on the first semiconductor region.
次いで、作製した積層構造の積層方向における不純物濃度を実施例1と同様の方法で求めた。 Next, the impurity concentration in the stacking direction of the fabricated stacked structure was determined in the same manner as in Example 1.
図9に実施例1および比較例1の積層構造の積層方向における不純物濃度の測定結果の片対数グラフを示す。図9において、深さ0μmは、半導体基板の主面Sである。すなわち、比較例1における深さ0μmは、第二の半導体領域の表面に対応し、実施例1における深さ0μmは、第2半導体層の表面に対応する。 Figure 9 shows a semi-logarithmic graph of the measurement results of the impurity concentration in the stacking direction of the stacked structures of Example 1 and Comparative Example 1. In Figure 9, a depth of 0 μm is the main surface S of the semiconductor substrate. That is, a depth of 0 μm in Comparative Example 1 corresponds to the surface of the second semiconductor region, and a depth of 0 μm in Example 1 corresponds to the surface of the second semiconductor layer.
実施例1において、第2半導体層は、深さ0μm~0.14μmに位置し、第1半導体層は、深さ0.14μm~約0.6μmに位置する。実施例1の第2半導体層は、半導体基板の主面から離れるに従い不純物濃度が減少する不純物濃度プロファイルを示している。実施例1において、第1半導体層および第2半導体層の境界は、不純物濃度の極小値に対応する。 In Example 1, the second semiconductor layer is located at a depth of 0 μm to 0.14 μm, and the first semiconductor layer is located at a depth of 0.14 μm to approximately 0.6 μm. The second semiconductor layer in Example 1 exhibits an impurity concentration profile in which the impurity concentration decreases with increasing distance from the major surface of the semiconductor substrate. In Example 1, the boundary between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer corresponds to the minimum value of the impurity concentration.
図9の結果から、実施例1において、半導体基板の主面側に位置する第2半導体層の不純物濃度が、積層方向に関して絶縁物層から離れるに従って減少することが確認された。 The results in Figure 9 confirm that in Example 1, the impurity concentration of the second semiconductor layer located on the main surface side of the semiconductor substrate decreases with increasing distance from the insulating layer in the stacking direction.
一方、比較例1のように、半導体基板に直接イオン注入を行う方法では、主面側の領域において半導体基板の主面から離れるに従って不純物濃度が増加し、主面から離れた領域において、半導体基板の主面から離れるに従い不純物濃度が減少する不純物濃度プロファイルになることが確認された。 On the other hand, in the method of directly implanting ions into a semiconductor substrate as in Comparative Example 1, it was confirmed that the impurity concentration profile is such that in the region on the main surface side, the impurity concentration increases with increasing distance from the main surface of the semiconductor substrate, and in the region away from the main surface, the impurity concentration decreases with increasing distance from the main surface of the semiconductor substrate.
また、比較例1では、深さ0.2μm~0.35μmにおいて、不純物濃度の濃度勾配が比較的急峻であり、この領域における不純物濃度の濃度勾配は、-2.65{log10(個・cm-3)/μm}であった。これに対し、実施例1の第2半導体層(深さ0μm~0.14μm)における不純物濃度の濃度勾配は、-9.66{log10(個・cm-3)/μm}であった。従って、実施例1および比較例1を比較することで、比較例1の不純物濃度の濃度勾配が比較的急峻な領域と比べ、実施例1における第2半導体層の不純物濃度の濃度勾配は、約3.6倍以上急峻であることが確認された。
Furthermore, in Comparative Example 1, the concentration gradient of the impurity concentration was relatively steep at a depth of 0.2 μm to 0.35 μm, and the concentration gradient of the impurity concentration in this region was -2.65 {log 10 (particles·cm -3 )/μm}. In contrast, the concentration gradient of the impurity concentration in the second semiconductor layer (
10 キャップ層、11 絶縁物層、12 導電体層、20 半導体基板、21 ベース基板、22 第1半導体層、23 第2半導体層、
24 低濃度層、25a・25b 拡散層、25aa・25ba 第1拡散層、25ab・25bb 第2拡散層、26 エピタキシャル領域
10 Cap layer, 11 Insulator layer, 12 Conductor layer, 20 Semiconductor substrate, 21 Base substrate, 22 First semiconductor layer, 23 Second semiconductor layer,
24 low concentration layer, 25a and 25b diffusion layers, 25aa and 25ba first diffusion layers, 25ab and 25bb second diffusion layers, 26 epitaxial region
Claims (9)
前記半導体基板は、第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層と前記キャップ層との間に配置された、第1導電型の第2半導体層と、を有し、
前記キャップ層は、導電体層と、前記導電体層と前記第2半導体層との間に位置する絶縁物層と、を有し、
前記第2半導体層の不純物濃度は、積層方向に関して前記絶縁物層から離れるに従って減少する、可変容量素子。 A semiconductor substrate and a cap layer provided on a main surface of the semiconductor substrate,
the semiconductor substrate has a first semiconductor layer of a first conductivity type and a second semiconductor layer of the first conductivity type disposed between the first semiconductor layer and the cap layer;
the cap layer includes a conductive layer and an insulating layer located between the conductive layer and the second semiconductor layer;
A variable capacitance element, wherein the impurity concentration of the second semiconductor layer decreases with increasing distance from the insulating layer in a stacking direction.
前記絶縁物層は、二酸化ケイ素で構成されており、
前記導電体層は、多結晶シリコンで構成されている、請求項1~4のいずれか一項に記載の可変容量素子。 the semiconductor substrate is made of silicon containing an impurity element,
The insulating layer is made of silicon dioxide,
5. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the conductive layer is made of polycrystalline silicon.
前記絶縁物層の主面に導電体層を形成し、前記半導体基板の主面に前記絶縁物層及び前記導電体層を有するキャップ層を設ける第二工程と、
前記キャップ層の前記導電体層側から、前記導電体層と前記絶縁物層とを介して前記半導体基板にイオン注入を行い、前記半導体領域のうち前記絶縁物層と接する側の領域に、積層方向に関して前記絶縁物層から離れるに従って不純物濃度が減少する第1導電型の第2半導体層を形成し、残りの前記半導体領域に第1導電型の第1半導体層を形成する第三工程と、を有する、可変容量素子の製造方法。 A first step of forming an insulating layer on a main surface of a semiconductor substrate having a semiconductor region of a first conductivity type;
a second step of forming a conductive layer on a main surface of the insulating layer and providing a cap layer having the insulating layer and the conductive layer on a main surface of the semiconductor substrate;
a third step of implanting ions into the semiconductor substrate from the conductor layer side of the cap layer, through the conductor layer and the insulating layer, to form a second semiconductor layer of a first conductivity type in a region of the semiconductor region that contacts the insulating layer, the second semiconductor layer having an impurity concentration that decreases with increasing distance from the insulating layer in a stacking direction, and a third step of forming a first semiconductor layer of the first conductivity type in the remaining semiconductor region.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021187818A JP7701249B2 (en) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | Variable capacitance element and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021187818A JP7701249B2 (en) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | Variable capacitance element and its manufacturing method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023074723A JP2023074723A (en) | 2023-05-30 |
| JP7701249B2 true JP7701249B2 (en) | 2025-07-01 |
Family
ID=86541375
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021187818A Active JP7701249B2 (en) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | Variable capacitance element and its manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7701249B2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004140028A (en) | 2002-10-15 | 2004-05-13 | Fujitsu Ltd | Voltage variable capacitance element and method of manufacturing the same, semiconductor integrated circuit device and method of manufacturing the same |
| JP2005210005A (en) | 2004-01-26 | 2005-08-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| US20100059859A1 (en) | 2008-09-09 | 2010-03-11 | Freescale Semiconductor, Inc. | Varactor structure and method |
| JP2011066055A (en) | 2009-09-15 | 2011-03-31 | Fujitsu Semiconductor Ltd | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR970053932A (en) * | 1995-12-08 | 1997-07-31 | 김광호 | Capacitance Improvement Morse Capacitor Using Latch Voltage of Transistor |
| JP2006041001A (en) * | 2004-07-23 | 2006-02-09 | Renesas Technology Corp | Capacitor structure and semiconductor device |
| JP5058551B2 (en) * | 2006-10-10 | 2012-10-24 | セイコーNpc株式会社 | Oscillator circuit |
-
2021
- 2021-11-18 JP JP2021187818A patent/JP7701249B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004140028A (en) | 2002-10-15 | 2004-05-13 | Fujitsu Ltd | Voltage variable capacitance element and method of manufacturing the same, semiconductor integrated circuit device and method of manufacturing the same |
| JP2005210005A (en) | 2004-01-26 | 2005-08-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| US20100059859A1 (en) | 2008-09-09 | 2010-03-11 | Freescale Semiconductor, Inc. | Varactor structure and method |
| JP2011066055A (en) | 2009-09-15 | 2011-03-31 | Fujitsu Semiconductor Ltd | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023074723A (en) | 2023-05-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6228726B1 (en) | Method to suppress CMOS device latchup and improve interwell isolation | |
| US10177045B2 (en) | Bulk CMOS RF switch with reduced parasitic capacitance | |
| JPH08250728A (en) | Field effect type semiconductor device and method of manufacturing the same | |
| JPH02256267A (en) | Film soi c-mos element and its manufacture | |
| US9190501B2 (en) | Semiconductor devices including a lateral bipolar structure with high current gains | |
| EP1214737B1 (en) | A method of producing a schottky varicap diode | |
| JP2004235577A (en) | Voltage controlled variable capacitance element | |
| US8722475B2 (en) | Method and structure for high Q varactor | |
| US8889535B2 (en) | Semiconductor device and method for fabricating semiconductor buried layer | |
| JP7701249B2 (en) | Variable capacitance element and its manufacturing method | |
| KR100505676B1 (en) | Method for manufacturing CMOS transistor having lightly doped drain structure | |
| US10224342B2 (en) | Tunable capacitor for FDSOI applications | |
| US7247925B2 (en) | Semiconductor device and method for fabricating the same | |
| JP6186601B2 (en) | Variable capacitance diode | |
| JP2003158199A (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
| US7091617B2 (en) | Design and layout techniques for low parasitic capacitance in analog circuit applications | |
| CN100594600C (en) | Complementary metal-oxide-semiconductor transistor and manufacturing method thereof | |
| CN120050986A (en) | Semiconductor structure and manufacturing method thereof | |
| JP3939688B2 (en) | Varicap manufacturing method | |
| JP2006108249A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| US7087503B1 (en) | Shallow self isolated doped implanted silicon process | |
| US20060115955A1 (en) | Method for manufacturing anti-punch through semiconductor device | |
| CN121531752A (en) | Semiconductor device structure and fabrication method | |
| JP4777618B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| JPH06283671A (en) | Electronic component capable of negative operating resistance and manufacturing method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240910 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20250521 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250603 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250619 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7701249 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |