(57)【要約】【課題】容量温度係数が負の値をもつシリコン接合型ダイオードを提供する。【解決手段】第２シリコン単結晶層１６の第２物質の含有濃度を第１シリコン単結晶層１４の第１物質の濃度よりも低く設定し、且つ第２シリコン単結晶層１６に第４族でかつ完全固溶型の元素を導入した、第１シリコン単結晶層１４と第２シリコン単結晶層１６とが接合されたシリコン接合型ダイオード１０は、従来実現されなかったゼロないし負の容量温度係数を持つ。例えば、シリコン接合型ダイオード１０の容量温度係数は−１５００ｐｐｍ／℃を示す。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１物質が添加された第１シリコン単結晶層と、前記第１シリコン単結晶層に接合され、第２導電型の第２物質と第４族でかつ完全固溶型の元素で構成された第３物質とが添加された第２シリコン単結晶層とを備え、前記第２物質の濃度を前記第１シリコン単結晶層に含まれる前記第１物質の濃度よりも低く設定したことを特徴とするシリコン接合型ダイオード。
【請求項２】
第１導電型の第１物質と第４族でかつ完全固溶型の元素で構成された第３物質とが添加された第１シリコン単結晶層と、前記第１シリコン単結晶層に接合され、第２導電型の第２物質が添加された第２シリコン単結晶層とを備え、前記第１物質の濃度を前記第２シリコン単結晶層に含まれる前記第２物質の濃度よりも低く設定したことを特徴とするシリコン接合型ダイオード。
【請求項３】
前記第３物質はゲルマニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン接合型ダイオード。
【請求項４】
前記ゲルマニウムの含有濃度は５〜２０％の範囲に設定されることを特徴とする請求項３に記載のシリコン接合型ダイオード。
【請求項５】
前記第２シリコン単結晶層には更に炭素が含まれることを特徴とする請求項１に記載のシリコン接合型ダイオード。
【請求項６】
前記第１シリコン単結晶層には更に炭素が含まれることを特徴とする請求項２に記載のシリコン接合型ダイオード。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のシリコン接合型ダイオードを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項３から６のいずれか１項に記載の前記ゲルマニウムを添加した第１または第２のシリコン単結晶層を減圧ＣＶＤ装置を用いて成膜したことを特徴とするシリコン接合型ダイオードの製造方法。
【請求項９】
前記成膜の温度を４００℃以上５５０℃以下に設定したことを特徴とする請求項８に記載のシリコン接合型ダイオードの製造方法。
【請求項１０】
容量温度係数が０または負の値をもつことを特徴とするシリコン接合型ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン接合型ダイオードおよびその製造方法に関するものであり、詳しくは、シリコン接合型ダイオードの容量温度係数を制御した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン接合型ダイオードの特性を示す指標の１つとして、容量温度係数が挙げられる。この容量温度係数は周知のとおりダイオードの動作温度と容量との相関を示す係数である。従来のシリコン接合型ダイオードは、すべて容量温度係数が正の値をとるものしか実用に供されていなかった（例えば、特許文献１参照。）。従って、こうしたシリコン接合型ダイオードを集積回路に使用する場合、一般的に集積回路で用いられる各素子は正の容量温度係数を持つものが多く、それらの影響を相殺できないので、温度補償回路は不可欠であった。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１２２０３８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、集積回路の小型化はますます進み、シリコン接合型ダイオードを集積回路に組み込むにあたって、温度補償回路の存在による小型化への障害が問題になっている。また、こうした温度補償回路の作り込みは、シリコンプロセスによる他の集積回路製造工程との整合性が少なく、シリコン接合型ダイオードの製造コストが上昇する原因にもなっていた。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、容量温度係数が負の値をもつシリコン接合型ダイオードを提供することで、シリコン接合型ダイオードを組み込む集積回路の小型化に寄与することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、第１導電型の第１物質が添加された第１シリコン単結晶層と、前記第１シリコン単結晶層に接合され、第２導電型の第２物質と第４族でかつ完全固溶型の元素で構成された第３物質とが添加された第２シリコン単結晶層とを備え、前記第２物質の濃度を前記第１シリコン単結晶層に含まれる前記第１物質の濃度よりも低く設定したことを特徴とするシリコン接合型ダイオードが提供される。また、第１導電型の第１物質と第４族でかつ完全固溶型の元素で構成された第３物質とが添加された第１シリコン単結晶層と、前記第１シリコン単結晶層に接合され、第２導電型の第２物質が添加された第２シリコン単結晶層とを備え、前記第１物質の濃度を前記第２シリコン単結晶層に含まれる前記第２物質の濃度よりも低く設定したことを特徴とするシリコン接合型ダイオードが提供される。
【０００７】
こうしたシリコン接合型ダイオードによれば、従来実現されなかったゼロないし負の値の容量温度係数を持つシリコン接合型ダイオードが実現される。容量温度係数がゼロないし負の値であれば、シリコン接合型ダイオードを組み込む集積回路中の素子の正の容量温度係数の影響を相殺できるため、温度補償回路を省略することができ、集積回路の小型化に大いに寄与する。また、他の集積回路製造工程との整合性が少ない温度補償回路の作り込みを省略することで、シリコン接合型ダイオードの製造コストの低減に大いに役立つ。
【０００８】
前記第３物質はゲルマニウムであってもよく、ゲルマニウムの含有濃度は５〜２０％の範囲に設定されることが好ましい。これによって、容量温度係数を自由に制御することができる。前記第１シリコン単結晶層または前記第２シリコン単結晶層には更に炭素が含まれていてもよい。炭素が含まれれば、本発明のシリコン接合型ダイオードの製造プロセスとトランジスタの製造プロセスとの整合性を高めるのにも役立つ。
【０００９】
本発明によれば、上述したシリコン接合型ダイオードを備えた半導体装置が提供される。本発明のシリコン接合型ダイオードを備えた半導体装置は温度補償回路が不要になり、半導体装置の小型化に大いに役立つ。また、前記ゲルマニウムを添加した第１または第２のシリコン単結晶層を減圧ＣＶＤ装置を用いて成膜したことを特徴とするシリコン接合型ダイオードの製造方法が提供される。シリコン単結晶層の成膜に減圧ＣＶＤ装置を使用すれば、ドーパントの濃度コントロールを容易に行うことができる。前記成膜の温度は４００℃以上５５０℃以下に設定するのが好ましい。こうした成膜の温度にすることで、シリコン単結晶層の結晶構造の質を高く維持することができる。
【００１０】
更に、容量温度係数が０または負の値をもつことを特徴とするシリコン接合型ダイオードが提供される。容量温度係数がゼロないし負の値であれば、シリコン接合型ダイオードを組み込む集積回路の温度補償回路を省略することができ、集積回路の小型化に大いに寄与する。また、他の集積回路製造工程との整合性が少ない温度補償回路の作り込みを省略することで、シリコン接合型ダイオードの製造コストの低減に大いに役立つ。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明のシリコン接合型ダイオードの一実施形態を備えた半導体装置の断面図である。シリコン接合型ダイオード１０は、ｐ型シリコンからなる半導体基板１１上にカソード１２及びアノード１３を備えている。半導体基板１１の表面には、第１シリコン単結晶層１４が形成されている。
【００１２】
第１シリコン単結晶層１４には、素子分離のための周知のＬＯＣＯＳ法（　Ｌｏｃａｌ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　）による素子間分離膜１５が形成されている。アノード１３領域には、第１シリコン単結晶層１４の上面に接合する第２シリコン単結晶層１６が備えられている。また、カソード１２領域には酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜１７が形成されている。更に第２シリコン単結晶層１６に接してアノード電極１８が、層間絶縁膜１７に接してカソード電極１９がそれぞれ形成されている。アノード電極１８やカソード電極１９は、例えばアルミニウムなどの導電材料から形成されれば良い。
【００１３】
ダイオードのシリコン接合を構成する第１シリコン単結晶層１４は、第１導電型の第１物質、例えばリンがドープされている。ｎ−　型の第１シリコン単結晶層１４に含まれるリンの濃度は、例えば５×１０１８［ｃｍ−３］〜２×１０１９［ｃｍ−３］の範囲に設定するのが好ましい。第１シリコン単結晶層１４と接合する第２シリコン単結晶層１６は、第２導電型の第２物質、例えばホウ素がドープされている。Ｐ型の第２シリコン単結晶層１６に含まれるホウ素の濃度は、例えば５×１０１６［ｃｍ−３］〜１×１０１８［ｃｍ−３］　の範囲に設定するのが好ましい。こうした第２シリコン単結晶層１６の第２物質の含有濃度（実施形態にあってはホウ素の濃度）は、第１シリコン単結晶層１４の第１物質の濃度（実施形態にあってはリンの濃度）よりも低く設定する。更に第２シリコン単結晶層１６には、第４族でかつ完全固溶型の元素で構成された第３物質、例えばゲルマニウムがドープされている。第２シリコン単結晶層１６に含まれるゲルマニウムの濃度は、例えば１０％程度であるのが好ましい。
【００１４】
このように、第２シリコン単結晶層１６の第２物質の含有濃度（実施形態にあってはホウ素の濃度）を第１シリコン単結晶層１４の第１物質の濃度（実施形態にあってはリンの濃度）よりも低く設定し、且つ第２シリコン単結晶層１６に第４族でかつ完全固溶型の元素を導入した、第１シリコン単結晶層１４と第２シリコン単結晶層１６とが接合されたシリコン接合型ダイオード１０は、従来実現されなかったゼロないし負の容量温度係数を持つ。例えば、シリコン接合型ダイオード１０の容量温度係数は−１５００ｐｐｍ／℃を示す。
【００１５】
本発明者は第２シリコン単結晶層１６にドープされる第４族でかつ完全固溶型の元素、例えばゲルマニウムの含有量を５〜２０％の範囲で増減させると、シリコン接合型ダイオード１０の容量温度係数を−２０００〜０ｐｐｍ／℃の範囲で自由に調節可能であることを見出した。ゲルマニウムの含有量を５％よりも少なくすると、容量温度係数は正の値に転じる。また、ゲルマニウムの含有量を２０％よりも多くすると、第２シリコン単結晶層１６の臨界膜厚が１０００Å程度になり、逆バイアス値で制御できる容量範囲が狭まって実用的ではない。
【００１６】
従来実現できなかったゼロないし負の容量温度係数を持つ、こうしたシリコン接合型ダイオード１０を集積回路に用いれば、従来、シリコン接合型ダイオードを組み込んだ集積回路を小型化するにあたって障害になっていた温度補償回路を省略することが可能になる。シリコン接合型ダイオードを組み込んだ集積回路の小型化に大いに寄与する。また、従来、温度補償回路の作り込みは、シリコンプロセスによる他の集積回路製造工程との整合性が少なく、シリコン接合型ダイオードの製造コストが上昇する原因にもなっていたが、こうしたシリコン接合型ダイオード１０を集積回路に用いれば、温度補償回路を省略することができるので、シリコン接合型ダイオードの製造コストの低減にも大いに寄与する。
【００１７】
なお、上述した実施形態における第１シリコン単結晶層１４のほうに第１導電型の第１物質例えばリンと、第４族でかつ完全固溶型の元素で構成された第３物質、例えばゲルマニウムをドープするとともに、第２シリコン単結晶層１６に第２導電型の第２物質、例えばホウ素をドープして、第１シリコン単結晶層１４の第１物質の濃度を第２シリコン単結晶層１６の第２物質の濃度よりも低く設定しても、上述した実施形態と同様にゼロないし負の容量温度係数を持つシリコン接合型ダイオードが得られる。
【００１８】
つまり、第１シリコン単結晶層１４または第２シリコン単結晶層１６の何れか一方に第４族でかつ完全固溶型の元素で構成された第３物質をドープし、この第３物質をドープした側のシリコン単結晶層に含まれる第１物質または第２物質の濃度を、第３物質をドープしない側のシリコン単結晶層に含まれる第１物質または第２物質の濃度よりも低く設定すれば、本発明のゼロないし負の容量温度係数を持つシリコン接合型ダイオードが得られる。
【００１９】
次に、上述した構成のシリコン接合型ダイオードの製造工程を説明する。まず、図２に示すように、ｐ型シリコンからなる半導体基板１１を準備する。この半導体基板１１に第１導電型の第１物質、例えばリンを５×１０１８［ｃｍ−３］〜２×１０１９［ｃｍ−３］の濃度でドープする。リンのドープはＰイオンの打ち込みによればよい。こうして半導体基板１１に第１シリコン単結晶層１４を形成する。次に、第１シリコン単結晶層１４を素子分割するために、いわゆるＬＯＣＯＳ工程により酸化シリコンからなる素子間分離膜１５を第１シリコン単結晶層１４の所定の領域に形成する。先ず、表面に約５００オングストロームのシリコン酸化膜を形成し、ＬＰ−ＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を約１０００オングストロームの厚さに形成する。シリコン窒化膜の成膜条件としては、７００〜９００℃でＳｉＨ２　Ｃｌ２　＋ＮＨ３　のガスを分解させる。
【００２０】
次に、リソグラフィー工程を利用してパターニングし、この時のレジストをマスク材としてシリコン窒化膜をドライエッチングによって除去する。シリコン窒化膜下の約５００オングストロームのシリコン酸化膜のうち、表面の１００〜２００オングストローム程度が除去された時点でドライエッチングを停止すれば、下地にダメージを与えることなく、シリコン窒化膜を完全に除去することができる。その後フォトレジストを除去する。先にパターニングしたシリコン窒化膜をマスク材として使用して選択的酸化を行い素子間分離膜１５を得る。選択的酸化の条件としては、例えば１０００℃のスチーム中で４時間酸化することにより、約８０００オングストロームの酸化膜が形成できる。このようにして図３に示す状態の基板が得られる。
【００２１】
続いて、第１シリコン単結晶層１４および素子間分離膜１５の上面を覆うように、シリコン−ゲルマニウム混晶膜を形成する。このシリコン−ゲルマニウム混晶膜はシリコンに１０％のゲルマニウムと、第１シリコン単結晶層１４にドープされたリンよりも低濃度になるように設定されたホウ素を予め導入している。ホウ素の濃度は、例えば５×１０１６［ｃｍ−３］〜１×１０１８［ｃｍ−３］　の範囲であればよい。こうしたシリコン−ゲルマニウム混晶膜は、減圧ＣＶＤ装置を用いて成膜できる。成膜の際の温度は４００℃〜５５０℃、例えば５００℃に設定して２０００Åの厚みまで積層すればよい。その後、このシリコン−ゲルマニウム混晶膜を所定の形状にパターニングすれば、図４に示す、第１シリコン単結晶層１４とシリコン接合した第２シリコン単結晶層１６を得ることができる。なお、こうした第２シリコン単結晶層１６は、更に炭素が含まれていても良い。第２シリコン単結晶層１６に炭素が含まれる場合であっても、第２シリコン単結晶層１６の第２物質は炭素を含まない濃度で第１シリコン単結晶層１４の第１物質の濃度よりも低く設定するのが好ましい。
【００２２】
図５に示すように、酸化シリコン膜を形成したあとリソグラフィー工程によりパターニングし、ＲＩＥ（リアクティブイオンビームエッチング）によりエッチングして酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜１７を形成する。この層間絶縁膜１７に接してアルミニウムを積層させてカソード電極１９を形成する。また、第２シリコン単結晶層１６に接してアルミニウムを積層させてアノード電極１８を形成する。以上の工程を経て、シリコン接合型ダイオード１０の形成は完了する。
【００２３】
図６に本発明のシリコン接合型ダイオードの第２の実施形態を示す。図６のシリコン接合型ダイオード３１では、ｐ型シリコンからなる半導体基板３２の一方の面（表面）に、リンなどの第１物質を含む第１シリコン単結晶層３３と、第１物質の濃度よりも低い濃度の第２物質（例えばホウ素）と第４族でかつ完全固溶型の元素（例えばゲルマニウム）を導入した第２シリコン単結晶層３４とが形成されている。そして第２シリコン単結晶層３４の上層にアノード電極３５が形成されている。また、半導体基板３２の他方の面（裏面）にはコンタクト層３６とカソード電極３７が形成されている。このように、半導体基板３２を挟んで両側にアノード電極３５およびカソード電極３７が形成される構造であっても良い。
【００２４】
図７に本発明のシリコン接合型ダイオードの第３の実施形態を示す。図７に示すシリコン接合型ダイオード４１では、ｐ型シリコンからなる半導体基板４２にＬＯＣＯＳ工程による酸化シリコンからなる素子間分離膜４３が形成され、さらにこの半導体基板４２および素子間分離膜４３を覆うようにリンなどの第１物質を含む第１シリコン単結晶層４４が形成されている。この第１シリコン単結晶層４４の上層には、第１物質の濃度よりも低い濃度の第２物質（例えばホウ素）と第４族でかつ完全固溶型の元素（例えばゲルマニウム）を導入した第２シリコン単結晶層４５が形成され、第１シリコン単結晶層４４との間でシリコン結合する。第２シリコン単結晶層４５の両側面には酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜４６が形成されている。第２シリコン単結晶層４５の上面にはアルミニウムを積層させたアノード電極４７が、また層間絶縁膜４６に隔てられた第１シリコン単結晶層４４の上層にはカソード電極４８がそれぞれ形成されている。
【００２５】
【実施例】
本出願人は、本発明のシリコン接合型ダイオードの特性を検証した。検証にあたって、５×１０１８［ｃｍ−３］程度のリンをドープした第１（ｎ型）シリコン単結晶層に、ＬＯＣＯＳプロセスで素子間分離酸化膜を形成した。続いてホウ素を５×１０１６［ｃｍ−３］程度と１０％のゲルマニウムを含んだシリコンゲルマニウム混晶膜を２０００Å程度形成し、パターニングして第２（ｐ型）シリコン単結晶層１６を形成した。続いて酸化シリコン膜を形成してからパターニングして層間絶縁膜を形成した。更にアルミニウムを形成してからパターニングして取り出し電極を形成し、シリコン接合型ダイオードの測定サンプルを作成した。
【００２６】
図８に前述した測定サンプルを３０℃，４０℃，５０℃，６０℃，７０℃，８０℃のそれぞれの温度環境下で、バイアス電圧を変化させて容量を測定した結果を示す。この測定結果によれば、シリコン接合型ダイオードの動作温度を高くすれば、ほぼ比例して容量は低くなった。このように、容量温度係数は約−１５００ｐｐｍ／℃となり、本発明のシリコン接合型ダイオードは負の値の容量温度係数を示すことが確認された。
【００２７】
また、本出願人は、上述した検証に用いた測定サンプルと同様の測定サンプルを準備して、本発明のシリコン接合型ダイオードの温度と容量変化率との関係を検証した。ここで容量変化率とは容量変化量を初期値との比で表したものである。本発明のシリコン接合型ダイオードの温度と容量変化率との関係の検証結果を図９に示す。測定サンプルのバイアス電圧は−１Ｖ，−２Ｖ，−３Ｖにそれぞれ設定された。この測定結果によれば、いずれのバイアス電圧においても、シリコン接合型ダイオードの動作温度が高くなるにつれて、容量変化率は直線的に低下することが確認された。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のシリコン接合型ダイオードおよびその製造方法によれば、従来実現されなかったゼロないし負の値の容量温度係数を持つシリコン接合型ダイオードが実現される。容量温度係数がゼロないし負の値であれば、シリコン接合型ダイオードを組み込む集積回路中の素子の正の容量温度係数の影響を相殺できるため、温度補償回路を省略することができ、集積回路の小型化に大いに寄与する。また、他の集積回路製造工程との整合性が少ない温度補償回路の作り込みを省略することで、シリコン接合型ダイオードの製造コストの低減に大いに役立つ。
【００２９】
前記第３物質をゲルマニウムで構成して、ゲルマニウムの含有濃度を５〜２０％の範囲に設定すれば、容量温度係数を自由に制御することができる。前記第１シリコン単結晶層または前記第２シリコン単結晶層に更に炭素を含むことで、本発明のシリコン接合型ダイオードの製造プロセスと、一般的なトランジスタの製造プロセスとの整合性は高められ、本発明のシリコン接合型ダイオードの製造コスト削減に役立つ。
【００３０】
上述したシリコン接合型ダイオードを備えた半導体装置は温度補償回路が不要になり、半導体装置の小型化に大いに役立つ。また、ゲルマニウムを添加した第１または第２のシリコン単結晶層を減圧ＣＶＤ装置を用いて成膜することで、ドーパントの濃度コントロールを容易に行うことができる。成膜の温度を４００℃以上５５０℃以下に設定すれば、シリコン単結晶層の結晶構造の質を高く維持することができる。
【００３１】
ゼロないし負の値の容量温度係数を持つシリコン接合型ダイオードは、シリコン接合型ダイオードを組み込む集積回路の温度補償回路を省略することができ、集積回路の小型化に大いに寄与する。また、他の集積回路製造工程との整合性が少ない温度補償回路の作り込みを省略できるので、シリコン接合型ダイオードの製造コストの低減に大いに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のシリコン接合型ダイオードの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明のシリコン接合型ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図３】図３は、図２に続く工程断面図である。
【図４】図４は、図３に続く工程断面図である。
【図５】図５は、図４に続く工程断面図である。
【図６】図６は、本発明のシリコン接合型ダイオードの第２実施形態を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明のシリコン接合型ダイオードの第３実施形態を示す断面図である。
【図８】図８は、温度に応じたバイアス電圧と容量との関係を示すグラフである。
【図９】図９は、温度と容量変化率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　シリコン接合型ダイオード
１１　半導体基板
１２　カソード
１３　アノード
１４　第１シリコン単結晶層
１５　素子間分離膜１５
１６　第２シリコン単結晶層
１７　層間絶縁膜１７
１８　アノード電極
１９　カソード電極
【図１】
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【図２】
2004095807.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004095807.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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