シリコン超階段接合の降伏電圧の実験的検討 利用統計を見る

論 文

シリコン超階段接合の降伏電圧の実験的検討

中山吉郎 清水東 石田哲朗 （昭和48年8月31日受理）

Experimental Study on Breakdown Voltage of

Silicon Hyper-Abrupt Junction

YoshiroNAKAYAMA AzumaSHIMIZU TetsuroISHIDA        Synopsi8  The hyper・abrupt junction has the impurity distribution in which the concentration decreases with the distance from the P・N boundary． This junction is used in the devices such as hyper−abrupt varactor diode， Read diode， drift transistor and monolithic integrat・ ed circuit． It is necessary， for the designer of these devices， to make clear the relation between the impurity distribution and the breakdown voltage of this junction． For this reason， the authors have reported the breakdown voltages of the germanium hyper・ abrupt junction．  In this paper， the silicon hyper・abrupt junction is fabricated by planer techniques， and the relation between the breakdown voltage and the impurity distribution of this junction is obtained experimentally， and the experimental values are coincided qualita・ tively with the theoretical results which have been reported by the authors． 1． まえがき  超階段接合は，PN境界から遠ざかるに従って不純 物濃度が減少するような接合であり，合金中拡散法1｝・2） 二重拡散法3｝エピタキシャル成長法4）などで実現でき る。この接合は可変容量ダイオード・リードダィォー ド・半導体ICなどにみられ，これらのデバイスを設 計する場合には，超階段接合の不純物分布と降伏電圧 との関係を明らかにすることが重要となる。  このような理由から筆者らは，ゲルマニウム超階段 接合の降伏電圧について理論的解析を行ない，実測値 とよく一致することを報告した5）。一方，シリコン超 階段接合については，理論的解析はすでに行なった が6），実測値との比較はまだなされていない。そこで， シリコン超階段接合の降伏電圧と不純物分布との関係 を実験的に求め，すでに発表した理論との比較を行な った。その結果，降伏電圧の不純物分布依存性は理論 と定性的に一致することがわかった。 2． シリコン超階段接合の降伏電圧の理論値  シリコン超階段接合の降伏電圧と不純物分布の関係 についてはすでに筆者らが理論的に解析している が6），本論文の実測値との比較のために，その要点を 記す。  まず，超階段接合の不純物分布を指数関数で近似し   N（x）＝Noexp（−x／Le）−F IV，   」V（x）＝」V。。＞No十2Vb ただし

  x：PN境界からの距離

2V（x）：距ee xにおける不純物濃度  N。：式（1）の第1項の最大値 x≧O x＜0 （1） （2） Le：式（1）の第1項が2V。の1／eになる距離 Nb：母材の不純物濃度 N。。：x＜0での不純物濃度であり，じゅうぶんに

T

₆ ≧ ξ 1021 ₁ E．、．＝1．4×106V／cm ●    ㌔ 、

＼

＾No ＝1020cm−3 、 10・9＼・7×105 @     、 “、 、 1020 1018 、 、、 e 1017 、 ll ‘ 1016 ＼ 、 、、 い ＿1015 1019一 1 ＼ 、 ＼ 、 一 1018 一 N5／N。二〇．01 1 1017 101エ 1012 10 N。Le〔cm−2〕   図一1 シリコン超階段接合の降伏電圧の理論値 Fig．1 Theoretical values of breakdown voltage    in silicon hyper−abrupt junction．     大きな一定値 で表わす。つぎに，シリコソの場合，Tyagiの実験7｝ から導き出した条件で降伏機構が異なってくると仮定 する。すなわち，i）空乏層にかかる最大電界Em。xが 0，7×106V／cm以下では電子なだれ現象のみで降伏し， ii）（0．7∼1．4）×106V／cmではツェナ現象と電子なだ れ現象の組み合わされた機構で降伏し，iii）1。4×106 V／cmではツェナ降伏のみが生ずるとする。また，実 効イオン化率 a，ffを   eVeff＝3．85×10−30E6      （3） で表わす。ただし，Eは電界の強さである。  以上のような条件で求めた降伏電圧の一例を図・−1に 示す。図の横軸のNoLeは拡散によって母材にあとか らドープされる不純物の全量，縦軸は正規化降伏電圧 N，V．である。また，実線および破線は電子なだれ降 伏電圧を，一点鎖線はツェナ降伏電圧を示す。この図 から，降伏電圧はN。Leが（2∼8）×10i2cm’2のとこ ろで急激に変化することがわかる。 に後者には高度の技術が達成されていなければならな い。そこで，ダイオードの製作に必要な基礎的なデー タをとり，また，これらの技術を確立するため，以下 の実験を行なった。  3．1シリコン酸化膜の成長  酸化膜の成長には，装置が簡単で，しかも膜厚を比較 的大きくとりやすい水蒸気酸化法8）を用いた（図一2）。 この方法により得られた酸化時間に対する酸化膜の厚 さの関係を図一3に示す。ただし，シリコソの温度をパ ラメータとしており，また，膜厚は顕微干渉計によっ て測定したものである。この図から，膜厚は時間のほ ぼ1／2乗に比例していることがわかる。酸素の流量を 100∼1，000cc／minの範囲で変えても膜厚に対する影 響はみられず，また，シリコソの不純物形および抵抗率 の違いによる膜厚に対する影響もみられなかった。  3．2 拡散装置および拡散層の評価法 02

e

反応管 3．酸化膜成長と不純物拡散の基礎実験 排気 中 熱電対  プレーナ形ダイオードを製作するのに用いられる選 択拡散法では，シリコン酸化膜の成長と不純物の拡散 とを制御することが重要となる。超階段接合ではNo およびLeを正確に制御しなけれぽならないので，特 電熱器     図一2 水蒸気酸化法の装置 Fig．2 The apParatus of steam oxidation． 芭 遣、。・ 念 室 灘．

貨〆／、／：

Y影

プ多゜／／／／’

帆／／1

0、の流量：100cc／min 1° G。・ 102       10 成長時間〔min〕   図一3 成長時間による酸化膜の厚さの変化 Fig，3 Dependencies of thickness of oxidation    layer on the growth time．

昭和48年12月 山梨大学工学部研究報告 第24号 塗 罰 ；ご ブ ↑o、IN、 Fig．4 図一4不純物の拡散装置 Diffusion apParatus of impurity．  開管法による実験装置を図一4に示す。N形不純物源 としてPOCl3を， P形不純物源としてBBr3を用い， りんおよびほう素をシリコソ中に拡散させる。形成さ れた拡散層は接合の深さ晦，表面濃度1V、および拡散 定数Dなどで評価される。  X」は，試料の一端を5°の角度に研摩し， これにス テイソエッチを施すことによりP形とN形の区別をつ け，顕微鏡で測定した。また，四探針法によりシート 抵抗ρ、 ・・ CV／1を測定し，勘とρ、とから平均導電率 3−1／沈」ρsを算出してIrvinの与えた図9）からN、を 求めた。Dは，りんおよびほう素がそれぞれガウス分 布と補誤差関数分布に従って拡散するとし，拡散時間・ 拡散温度・表面濃度を与えれぽ算出できる。  3．3 りん拡散の結果  N形不純物であるりんの拡散の制御は重要であり， ほう素の場合と異なり，特に表面濃度を下げる必要が ある。そのため，ここではデポジションとドライブイ ソから成る二段拡散法を使った。デポジションは，短 時間で試料に不純物を付着または浅く拡散させる工程 である。りん拡散では，表面濃度と接合の深さを同時 に制御してN。およびLeを決定しなくてはならず， この工程での試料の温度を適当に選ぶ必要がある。ド 101 ［g 裟1°° 墓 10−1 0 ドライブイン温度：1100℃ N一1015cm→3 デポジション時間：5min、  デポジション温度  司一●一：900℃  ‘Ule−be：800℃  ◇頃く〕一：700℃  −X−or−：600（℃ 2    4    6    8   ドライブイン塒…問lh］ 10 図一5 りんのドライブインの時間と接合の深さの関係 Fig・5 Dependencies of junction depth on drive・in    time of phosphor． 101 盲 主 れ 迷10° 如   10−1    500     600      700      800     900         デポジション温度〔℃］ 図一6 りんのデポジションの温度と接合の深さの関係 Fig・6 Variation of junction depth by deposition    temperature of phosphor． ’ 1法＋〉 ’’ ’

／

／

⊥

’ ’

／

デポジション：5min ／Vδ _{：1015cm−3} ライブインは，デポジションを終えた試料を不純物の ない石英管内で長時間高温に保って不純物を深く拡散 させ，同時に表面濃度を下げる工程である。 Table 1 表一1 りん拡散の条件 Diffusion condition of phosphor． 項 目 Siの温度 〔℃〕 拡散時間 不純物を含ん だN2ガスの 流量  〔CC／min〕 N2ガスの 流量 〔CC／min〕 02ガスの 流量 〔CC／min〕 不純物源 の温度 〔℃〕 デポジション 1…一…1・一・m・・1 2∼5

・・…1・5

20 ドライブイン

・・…1・−1・h・L／＞1・，…1・5L／

母材の不純 物濃度  〔cm−3〕 P形 1014∼1016

 ここで使用したりんの二段拡散の条件を表一1に，そ の結果を図一5および6に示す。接合の深さはかなり精 度よく制御されることがわかる。この場合，1，100°C における拡散定数はほぼ1．0×10−13cm2／sであるが， この温度におけるFullerら1°）およびMackintosh！1｝ の結果はそれぞれ3．5×10−13cm2／sおよび8．5×10−13 cm2^sであり，本研究に比べるとかなり高い。これ は，本論文では表面濃度が1016∼10igcm“3であるのに 対し，Fullerらのそれは102°∼1021cm−3とかなり高 いためにfield−aided diffusioni2）の影響が生じている と考えられる。  3．4 ほう素拡散の結果  ほう素はりんに比べて試料の表面を汚しやすいた 101 盲 ｝ ぬ 堅100 ξ ＜ロ 10−1 N6 r1015cm−3

拓

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ク 一 1 1000     1050     1100     1150     1200          拡散温度〔℃］    図一7 ほう素の拡散温度と接合の深さの関係 Fig．7 Dependencies of junction depth on diffusion    temperature of boron． ㌻ 琶 直 ・1021 lO20 Nδ＝1015cm−3

1

一

拡皆蹄師刊min

／

’

ン

／

6

／

   1000．    1050     1100’    1150     1200’         拡散温度〔℃〕    図一8 ほう素の拡散温度と表面濃度の関係 Fig．8 Relation between surface concentration of    boron and diffusion ternperature． ㌃ 邑 藷 10−11

㌔

o

10−12 ＼ 、 、8

A

Fullerら1°） Q

N

筆者ら 、 10−13 、 o o、 §、 10−14 6．66．8 7。0 7．2 7．47．6 7．88．08． 104／T［°K−1〕    図一9 シリコン中のほう素の拡散定数 Fig． g Diffusion constants of boron in silicon． め，02ガスを多量に流し表面を酸化させて保護する 必要がある。1，000°C以上の高温で拡散した場合，酸 化膜除去後も汚れが付着していることが認められる。 ほう素の場合，表面濃度の制御はりんのそれに比べて 精度を必要としないが，Leを決めるために接合の深 さを正確に制御する必要がある。図一7∼9に拡散温度 に対する接合の深さ，表面濃度および拡散定数の関係 を示す。図一7および8より，拡散温度によって接合の 深さおよび表面濃度がかなりよく制御されることがわ かる。また，図一9より本研究の拡散定数はFullerら のそれよりいくらか低いことがわかる。 4， 超階段接合の製作  酸化膜および不純物拡散の基礎実験を基にしてN形 シリコソを母材にしたプレーナ形超階段接合ダイオー ドを製作した。プレーナ構造にするときにはホトマス クパターンが必要となるが，りん拡散用マスクのパタ ーンの径（200μm）をほう素拡散用マスクのパターソ （210∼240μm）に比べて小さくした。これは次の理由 による。図一10（a）の構造の超階段接合のように，りん とほう素のパターンの径を等しいか，りんをほう素の パターソに比べて大きくしたとき，N形不純物濃度が 高いA部分の接合で最初の降伏が起こり，超階段接合 の降伏といえなくなる。したがって，プレーナ形超階 段接合ダイナードでは，図一10（b）の構造が適当である と考えた。すなわち，ほう素のパターンの径をりんの

昭和48年12月 山梨大学工学部研究報告 第24号 （a）りんとほう素拡散のパ  ターンの径が等しい場合 Sio2 pi B N N （b）りんよりもほう素拡散の パターンの径が大きい場合  図一10 プレーナ形超階段接合ダイオードの構造 Fig．10 Structures of planer diode with hyper・     abrupt junction．        アルミニウム 100μm Sio2 5000 ∼70 150μm _{ほう素拡散層    りん拡散層} ニッケル      図一11 ダイオードの断面図 Fig．11 Cross・section of hyper・abrupt junction     diode． o それに比べて大きくすれば，超階段接合の領域Bで降 伏電圧が決まると考えられる。  製作工程は次のようになる。  1） N形シリコンウェーバを適当な寸法にスクラィ   ブし，ラッピングおよびエッチソグを行なって表   面を鏡面に仕上げる。  2） シリコン酸化膜を約5，000A成長させ，ホトエ   ッチング技術を使ってりん拡散用マスクを形成さ   せる。  3） りんのデポジションおよびドライブインを行な   う。  4）ほう素拡散用マスクを形成させる。  5）ほう素を拡散する。  6）約2，000Aの酸化膜を成長させる。  7）表面にアルミニウムを蒸着する。  8） ホトエッチングによりアルミニウム電極を形成   する。  9）裏面を研摩して拡散層を除去し，これにニッケ   ルめっきを施す。 10）試料をスクライブする。 完成したダイオードを図一11に示す。 5．測定結果および検討  5．1電圧一電流特性および電圧一容量特性  電圧一電流特性の一例を図一12および13に示す。図一 12の順特性は常温（22．5°C）におけるものであり，逆 巡， 完 き⊇ 10−2 o No．18A11 10∼3 o

1

  o 10一1 o ／ 10−5一 ／ o ／ 10−6 10−7

F

    ρ1

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ノ      。C_^曙〆／ ゜グ♂∠／ 10−6

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。／△ 〆 △ 10『9 ⑯      ⊥」 1     10−1   100   101   102         電 圧［V〕      図一12 電圧一電流特性 Fi9．12 Current・voltage characteristics of     the diode． 100 80

冨60

￡ 送

紐40

20 0    l mo．18A11 7 ／♂°’ ！γ @    ’ e0・86V 0．5         1．0         1．5         2． 電圧〔V〕        図一13 順方向特性 Fig．13 Forward current−voltage characteristics     of the diode、 特性は，降伏電圧の温度依存性を調べるため，いくつ かの温度で測定してある。温度特性についてぽ5，2で 説明する。図一13で順方向の立ち上がりが悪いのは， 電極とシリコンとの間が完全なオーム接触になってい ないためと考えられるが，これは熱処理によってある 程度改善できる。たとえぽ，処理前では順電圧1Vに

100 ； L三 〇 10 1 、、    1423     ＼・

1904B2  漣

        1       10         ば、tlザ，i）［v」      図一14 電圧一容量特性 Fig．14 Capacitance−voltage characteristics     of the hyper・abrupt junction． 対して順電流が1∼2μAであったのに対し，処理後 では5∼10μAとなった。また，拡散電位の測定値は 0．8∼1．OVとかなり高いが，これは直列抵抗Rsが 11∼12Ωと大きいことによると考えられる。  逆電圧一容量特性の例を図一14に示す。曲線のこう 配はいずれも1／2よりも大きく，超階段接合になって いることがわかる。また，No．2102A 1のように，こ う配が一3ときわめて大きいものも得られている。こ

T

』 乙 ミ 之 1020 1019 1018    1017     10iコ         10i2         10i3        N。 L。〔cm−3〕      図一15降伏電圧の理論値と実験値  Fig．15 Theoretical and experimental values      of breakdown voltage in silicon      hyper・abrupt junction． れらの特性を解析することにより，」V。，Le等の値が 設計どおりになっているかどうかを吟味することがで きる1｝。  5．2降伏電圧および降伏機構  製作したダイオードの中でCV特性曲線が超階段 接合であることを示すものについて降伏電圧を測定し た。また，降伏機構を調べるために温度依存性を測定 理論値凡＝1017cm−・ 1016 一   一   一   一   一  一  一       、 、 、       1015−   一    一   一   ＿         一  、 、 ・、 @ 、 、 、 、 ＼ ot ＼・、 o bo I oo o  、 P  、 﨟@・ 、 Nδ／N。二〇．01  、   、、、°＼、§ ㌻ ∼V』＝1×1015cm→3 『、＿＿＿ Table 2        表一2 拡散条件および測定結果 Diffusion condition and experimental results of hyper・abrupt junction． 試 料 番 号 8122 8202 1322 1331 1423 1432 1714 1731 18A11 18B32 18B41 母 材 の 不 純 物 濃 度 〔cm−3〕 2．1×1015  〃 1．5×1015  〃 1．5×1015  〃 2．3×1015  〃 2．5×1014 2．0×101s  〃 拡  散  条  件 り _ん ／・う素 デ ポ ジ シの ヨ時 ン間 〔min〕 4 〃 4 〃 3 〃 4 〃 4 4 〃 デ ポ ジ シの ヨ温 ン度 〔℃〕 700 〃 600 〃 800 〃 750 〃 800 800 〃 不 純 物 N2の ガ流 ス量 〔cc／ min〕 5 〃 3 〃 2 〃 2 〃 2 2 〃 b“

1

ブの イ時 ン間 〔min〕 260 200 210 〃 155 〃 155 〃 115 155 〃 拡 散 時 間 〔h〕 5 〃 4 〃 4 〃 4 〃 5 5 〃 ほ う 素Sio2 拡成 散長 後時 の間 〔min〕 20 〃 25 〃 20 〃 15 〃 20 20 〃

No

〔cm−3〕 Le 〔μm〕     1 4．5×1016 1．5×1016 4．1×1016  〃 1．0×1017  〃 1．4×1017  〃 9．5×1016 9．5×1016  〃 0．1 0．11 0．2 〃 O．15 〃 0．2 〃 0．17 0．17 〃 NeLe 〔cm−2〕 4．5×1011 1．65×1011 6．25×1011  〃 1．5×1012  〃 2．8×1012  〃 1．6×1012 1．6×1012  〃 v． 〔v〕 80 120 42．1 51．4

 6

18．1 4．3 3．6 6．5  40  32 IV，Y． 〔Vcm−3〕 3．6×101s 1．8×1018 1．7×101s 2．1×1018  6×1017 1．8×1018  6×1017 5．1×1017 6．2×IO17 3．8×loiS 3．0×1018 降温 伏度 電依 圧存 の性 正 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 降 伏 機 構 電子なだ れ  〃  〃  〃  〃  〃  〃  〃  〃  〃  〃

昭和48年12月 山梨大学工学部研究報告 第24号 した。その結果の一例を表一2に示す。製作されたほと んどの試料において，降伏電圧の温度依存性は正であ る。このことから，降伏機構は電子なだれ降伏である と考えられる。  図一15に2Vo≒10i7cm−3のときの」VoLeに対する 」VoV．の関係を示す。 N。L，が2×10i2cm−2より小さ いときは降伏電圧はかなり高いが，N。L，がこれをこ えると急激に低下してくる。これは図一1に示した理論 曲線の傾向と定性的に一一致している。しかし，降伏電圧 の実測値と理論値との間にはかなりの差がみられる。 これは，理論的には，実効イオソ化率α，∫ゾの近似が 正確でないため，降伏電圧の理論値が高めに出たこと が原因と考えられる。また，実験的には，測定誤差の ほかに，転位などの欠陥の存在する部分で局部的に降 伏が起き，実測値が低く出てしまったためと考えられ る。 6． む す び  シリコン超階段接合ダイオードを二重拡散法で製作 し，その降伏電圧を測定したところ，理論と定性的に 一致する結果を得た。しかし，その値は理論値に比べ てかなり低い。実効イオソ化率の近似を正確にし，転 位などの欠陥のない結晶を使い，また，より精密な不 純物分布の制御を行なえば，理論値と実測値とはさら によく一致することが期待される。  ここに得られた結果は，超階段接合をもつ可変容量 ダイオード・リードダイオード・ドリフトトランジス タ・半導体ICなどの素子の設計に役立つ。特に，耐 圧の高い素子を作ろうとするならぽ，NoL，の値は 1×1012cm−2以下にすべきであると結論できる。 文 献 1） A．Shimizu and J． Nishizawa：Alloy・diffused   variable capacitance diode with large figure・cf’   merit， IRE Trans． on Electron Devices， ED・8，5，   p．370 （Sept．19δ1）． 2） T．Sukegawa， K． Fujikawa and J．Nishizawa：   Silicon alloy−diffused variable capacitance diode，   Solid・st． Electron．，6，1， p．1（Jan．1963）． 3） 中島良夫，堀場太郎：シリコン超階段型接合の逆特性，   昭40信学全大，538． 4）A．L． Anderson and M． J．0’Rourke：Avapor．   grown variable capacitance diode， IBM J．，4，3，   p．264 （July 1960）． 5） 小林光彦，清水東，石田哲朗：ゲルマニウム超階段接   合の降伏電圧，信学論（C），52−C，9，P．555（昭44−09）． 6）清水東，小林光彦，秋山亘，石田哲朗：シリコン超階   段接合の降伏電圧，信学論（C），54−C，8，p．706（昭46−   08）． 7）M．S． Tyagi：Zener and avalanche breakdown   in silicon alloyed p・n junctions・II， Solid−st． Elec・   tron．，4，1， P．117 （Jan．1968）． 8）R．M． Burger and R． P． Donovan：F皿damen．   tals of l Silicon Integrated Device Technology．   Vol．10xidation， Diffusion and Epitaxy， Prentice．   Hall Inc．， New Jersey（19δ7）． 9） J．C． Irvin：Resistivity of bulk silicon and of   diffused layers in silicon， Bell Syst． tech． J．，41，   2，p．387（March 1962）． 10） C．S． Fuller and J． A． Ditzenbarger：Diffusion   of donor and acceptor elements in silicon， J．   appl． Phys．，22，5， p．544（May 1956）． 11）1．M． Mackintosh：The diffusion of phosphorus   in silicon， J． Electrochem． Soc．，109，5， p．392   （May 1962）． 12） A．D． Kurtz and R． Yee：Diffusion of boron   into silicon， J． appl． Phys．，31，2， p．303（Feb．   1960）．