DE1589834A1 - Varaktor mit vergroessertem Kapazitaetsbereich - Google Patents

Description

General Instrument Corporation
in Newark, N.J. / U S-A

Varaktor mit vergrößertem Kapazitätsbereich

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kapazitives Varaktorelement, bestehend aus zwei leitfähigen Elektroden mit je einem Elektrodenanschluß, einer dazwischen liegenden Isolationsschicht und einer zusätzlichen Halbleiterschicht beliebiger Leitcharakteristik.

Varaktoren sind Halbleiterelemente mit einem Elektrodenpaar, zwischen welchen eine Kapazität aufgebaut ist, wobei die Kapazität dieser Elemente durch Veränderung der angelegten Vorspannung verändert werden kann. Bei jener Art von Varaktoren, auf welche sich die vorliegende Erfindung

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bezieht, wird die Kapazität durch den Raum zwischen einem Halbleiter und einer Flächenelektrode bestimmt, wobei letztere in Nähe des Halbleiters, jedoch von demselben isoliert sich befindet. Der Ausdruck "Oxydvaraktor"wird bei dieser Art von Varaktoren sehr oft verwendet, da die Isolierschicht zwischen dem Halbleiter und der Flächenelektrode normalerweise aus einem Oxyd besteht und zwar gewöhnlich aus Siliciumdioxyd für jene Fälle, wenn der Halbleiter aus Silicium gebildet ist. Es ist jedoch nicht notwendig, daß die dielektrische Schicht zwischen dem Halbleiter und der Flächenelektrode aus einem Oxyd besteht.

Sie kann aus irgendeinem geeigneten dielektrischen Material bestehen, welches mit dem Halbleitermaterial verträglich ist - es sollte weder den Halbleiter dopieren noch verunreinigen und sollte gegenüber dem Halbleitermaterial ein Oberflächenpotential haben, das die Wirksamkeit der Kapazität zwischen dem Halbleiter und der Flächenelektrode nicht beeinträchtigt. Der Ausdruck "Oxydvaraktor¹¹ wird in dem folgenden ganz allgemein benützt und soll sich nicht allein auf eine bestimmte Zusammensetzung einer dielektrischen Isolationsschicht beschränken.

So wie es wohl bekannt ist, hängt die Größe der maximal erreichbaren Kapazität eines Oxydvaraktors von der Größe der Flächenelektrode und dem Abstand zwischen derselben

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und dem Halbleiter ab, was bedeuten soll, daß je größer die Fläche und je kleiner der Abstand, desto größer die maximal erreichbare Kapazität ist. Die Größe der Kapazität kann über einen beschränkten Bereich verändert werden, indem eine Gleichstrom-Rtentialdifferenz zwischen die Flächenelektrode und dem Halbleiter gelegt wird. Der Bereich, über welchen die Kapazität eines solchen Elementes variiert werden kann, ist jedoch begrenzt. Bei einem typischen Siliciumhalbleitervaraktor innerhalb integrierter Stromkreise erwirkt z.B. eine Veränderung der Vorspannung eine Kapazitätsänderung zwischen einer oberen Grenze von 30. und einer unteren Grenze von 10 pF, was einer Kapazität sveränderung von 3 : 1 entspricht.

Es ist das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ein Oxydvaraktorelement zu. schaffen, bei welchem der Kapazitätsänderungsbereich wesentlich über den bekannten Stand der Technik vergrößert wird, wobei Verfahrensschritte verwendet werden, die sich für dl.= Anwendung bei Mikroschaltkreisen und integrierten Schaltkreisen eignen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Halbleiterschicht auf der der Isolationsschicht zugekehrten Seite wenigstens ein Teilstück mit entgegengesetzter Leit-

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charakteristik aufweist und daß das Teilstück mit der auf der anderen Seite der Isolationsschicht liegenden Elektrode leitend verbunden isti

Es hat sich nämlich herausgestellt, daß eine gewünschte Vergrößerung des Kapazitätsänderungsbereiches erreicht wird, wenn innerhalb des Halbleiters ein oder mehrere Teilstücke mit entgegengesetzter Leitcharakteristik an der Oberfläche der Flächenelektrode ausgebildet werden und wenn diese Teilstücke elektrisch mit der Flächenelektrode verbunden werden. Die Oberflächen dieser Teilstücke mit entgegengesetzter Leitcharakteristik sind im Verhältnis zur Flächenelektrode sehr klein, wodurch die Verluste hinsichtlich der maximal erreichbaren Kapazität kleinstmöglich gehalten werden. Vorzugsweise sind diese Teilstücke nicht größer als ein Zehntel der besagten Flächenelektrode und können selbst in manchen Fällen nur ein Hundertstel oder selbst noch weniger dieser Fläche betragen.

Es muß hervorgehoben werden, daß bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Methode die Ansprechzeit des Varaktors nicht wesentlich beeinflußt wird. Die einzige wesentliche Beschränkung bei der Verwendung von Varaktoren gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber konventionellen Oxydvaraktoren besteht darin, daß bei Varaktoren gemäß der

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vorliegenden Erfindung die Elektroden nur in einem Sinn eine Vorspannung erhalten können, d.h. daß die Trennschicht zwischen dem Halbleiter und dem eine entgegengesetzte Leitcharakteristik aufweisenden Teilstück nur eine negative Vorspannung erhalten kann.

Pur die Verwendung innerhalb Mikroschaltkreisen und integrierter Schaltkreise ist das Element gemäß der vorliegenden Erfindung sehr gut geeignet. Ferner sind die Verfahren für die Herstellung solcher Elemente dieselben, wie sie für die Herstellung von Mikro- und integrierten · Schaltkreisgruppen verwendet werden.

Durch die Verwendung des Prinzips der vorliegenden Erfindung können Kapazitätsänderungen über einen Bereich von 1 :15 erzielt werden, wodurch sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine Verbesserung über einen Faktor 5 ergibt. Wenn eine Vorspannung an das erfindungsgemäße Element gelegt wird, nimmt die Kapazität von einem maximalen Werte monoton ab, bis an einem bestimmten Punkt die Trennschicht zwischen den Halbleiterstücken von entgegengesetzter Leitcharakteristik zusammenbricht. In den meisten Fällen ist die Trennschichtzusammenbruchspannung geringer als die Durchschlagsspannung der dielektrischen Isolierschicht. Dadurch ist ein zusätzlicher Überspannungs·

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schutz gewährleistet, da der Zusammenbruch der Trennschicht keinen Schaden hervorruft und reversibel ist, während ein Durchschlag durch die dielektrische Schicht irreversible Schaden hervorruft.

In dem folgenden soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels, unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben werden, in welchen:

Fig. 1 eine schematische, stark vergrößerte, jedoch nicht maßstabsgerechte Schnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist und

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Ausführungsform von Fig. 1 ist.

Während bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Varaktor einen im wesentlichen η-Typ Siliciumhalbleiter aufweist, auf welchem eine Isolierschicht aus Silicium-

dioxyd liegt, so sollte doch verstanden sein, daß verschiedene Materialien und verschiedene Leitungsarten im Hahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Es sollte ferner noch einmal darauf hingewiesen werden, daß die Zeichnungen nicht maßstabsgerecht sind und daß dieselben nicht notwendigerweise die verschiedenen Teile mit richtigen und wünschenswerten Abmaßen darstellen.

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Die spezifische in den Figuren dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht aus einem mit A bezeichneten Halbleiter, der aus η-Typ Silicium gebildet ist und der in Anlehnung an bereits gut bekannte Techniken aus einer ersten η-Typ Schicht 2 bestehen kann, auf welcher eine zweite ebenfalls aus η-Typ Material bestehende Schicht , 4 epitaxial aufgewachsen 1st, wodurch der Serienwiderstand des Elementes minimisiert wird· Der Halbleiter A weist eine'obere Außenfläche 6 auf, auf welcher eine dielektrische Schicht 8 in geeigneter Weise aufgebracht wird. Wenn der dargestellte Halbleiter A aus Silicium hergestellt ist, besteht die Isolierschicht 8 gewöhnlich aus Siliciumdioxid. Die Dicke dieser Schicht 8 soll so klein wie möglich gehalten werden, damit die effektive Kapazität des erf indungsgernäöen Elementes möglichst groß ist. Aus diesem

ο Grunde wird gewöhnlich eineSthLohtdicke von 700 bis 1.000 A gewählt. Oberhalb der dielektrischen Schicht liegt eine Flächenelektrode 10 auf, die aus einem geeigneten Leitermaterial hergestellt ist.

Die elektrischen Verbindungen zur Elektrode 10 und zum Halbleiter A werden in irgendeiner geeigneten Weise hergestellt. Bei der spezifischen Konstruktion des Ausführungsbeispiels besteht die elektrische Verbindung zur Elektrode 10 aus einem Draht 12, der in geeigneter Weise bei 14 an der Elektrode 10 befestigt ist. Wie dargestellt, ist

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der Halbleiter A auf einer leitfähigen Grundplatte 16 befestigt, zur welcher ein Draht 18 bei 20 in geeigneter Weise befestigt ist, wodurch der Draht 18 über die leitfähige Grundplatte 16 mit dem Halbleiter A elektrisch verbunden ist. Der Draht 18 und die leitfähige Grundplatte 16 bilden eine Elektrode, die elektrisch mit dem Halbleiter A verbunden ist.

Das Element, so wie es bisher beschrieben worden ist, entspricht dem eines .konventionellen Oxydvaraktors. Die Kapazität der bisher bekannten Elemente wird durch den Abstand zwischen der Elektrode 10 und dem Halbleiter A, d^h. genauer jenem in der Nähe der Außenfläche 6 liegenden Teil des Halbleiters A bestimmt. -Sobald eine äußere Vorspannung zwischen den Drähten 12 und 18 angelegt wird, verändert sich die Größe der Kapazität. Im allgemeinen wird bei den konventionellen Oxydvaraktoren die maximale Kapazität , die durch die Fläche der Elektrode 10 und der Dicke der Isolierschicht 8 bestimmt iat, dann erreicht, wenn relativ hohe Gleichstromvorspannungen

beliebiger Polarität an das Element angelegt sind, wobei die Kapazitätsänderungen beim Verändern der Vorspannung über den dazwischenliegenden Spannungsbereich auftreten. Es hat sich herausgestellt, daß bei diesen Elementen eine obere Kapazitätsgrenze bei gewissen maximalen Vorspan-

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nungswerten auftritt, wobei ein weiteres Vergrößern dieser Vorspannung zu keiner, weiteren Zunahme der Kapazität führt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleiter A vorgesehen, der ein Teilstück 22 mit entgegengesetzter Leitcharakteristik aufweist, welches sich bis zur Oberfläche 6 des Halbleiters erstreckt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem zum größten Teil eine n-Typ Leitcharakteristik aufweisenden Halbleiter A ist das Teilstück 22 p-Typ leitfähig. Das Teilstück 22 kann in jeder beliebigen Weise hergestellt werden, wie dies z.B. durch Diffusion eines p-Typ Störstoffes in den Halbleiter A hinein an einem vorher festgelegten Teilstück der Oberfläche 6 erfolgen kann. Die dafür verwendbaren Herstel« lungsverfahren sind bereits gut bekannt. Durch Anwendung eines solchen Verfahrens wird eine p-n Trennschicht. 24 zwischen dem p-Typ Teilstück 22 und dem Rest des Halbleiters A mit der η-Typ Leitcharakteristik gebildet.

Wie in den Figuren dargestellt ist, wird die Elektrode 10

bei-25 mit dem p-Typ Teilstück 22 elektrisch verbunden/ daß letzteres gleichzeitig mit der Elektrode 10 eine Vorspannung erhält, die sich von der an dem Halbleiter A genden Spannung unterscheidet. Dj^e Polarität der Vor·, spannung wird so gewählt, daß die Gleichrichtertrennschicht Zk negativ vorgespannt lit.

ORIGINAL INSPECTED

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Durch die Anbringung eines p-Typ Teilstückes 22 und einer von der Elektrode 10 hergeleiteten elektrischen Zwisohenverbindung Zb verschiebt sich im Vergleich zu den bisher bekannten Elementen die untere Kapazitätsgrenze: Bei einer Erhöhung der Vorspannung tritt bei dem erfindungsgemäßen Element eine weitere Kapazitätsverminderung auf und zwar bis zu jenem Punkt bei welchem ein Zusammenbruch der Trennschicht Zk eintritt. Dies bedeutet, daß Varaktoren, die bisher von einem maximalen Kapazitätswert von 30 PF nur bis zu einem minimalen Wert von 10 pP veränderlich waren, durch die erfindungsgemäße Konstruktion von einem maximalen Kapazitätswert von 30 pF bis zu seinem minimalen Kapazitätswert von 2 pP verändert werden können.

Da die Kapazität eines erfindungsgemäßen Elementes innerhalb der dielektrischen Zwischenschicht 8 zwischen der Elektrode 10 und den entsprechenden Teil, des Halbleiterkörpers A entsteht, so ergibt sich, daß durch die zusatzliehe Anbringung eines p-Typ Teilstückes 22 die effektive kapazitätserzeugende Fläche der Elektrode 10 um die Ober*·

j flächengröße des p-Typ Teilstückes 22 vermindert wird. j Die Oberfläche des p-Typ Teilstückes 22 kann jedoch im Verhältnis ku der Oberfläche der Elektrode 10 genügend klein gehalten werden, so daß keine fierkbare Verringerung

der maximal

erreichbaren Kapazität eintritt, während zur

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selben Zeit dieses Teilstück wirkungsvoll dazu dient,

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die gewünschte Verringerung der minimalen Kapazität zu erreichen. Obwohl das relative Oberflächenverhältnis zwischen dem p-Typ Teilstück 22 und der Elektrode 10 hinsichtlich einer Dimensionierung nicht besonders kritisch ist. so werden die besten Resultate doch dann erhalten, wenn die Oberfläche des Teilstückes 22 nicht mehr als 1/10 der Fläche der Elektrode 10, vorzugsweise jedoch ungefähr 1/100 der Elektrodenfläche ausmacht. Die aktive Oberfläche der Elektrode 10 weist im allgemeinen einen Durchmesser von einem 1/12 bis zu einem 1/4 mm (3-10 mils) auf, während die Oberfläche des Teilstückes 22 einen Durchmesser in der Größenordnung von 1/40 mm (1 mil) aufweist.

Varaktoren gemäß der vorliegenden Erfindung können in sehr einfacher Weise und ohne allzugroße Kosten hergestellt werden. Die Siliciundioxydschicht 8 kann z.B. zuerst über die ganze Oberfläche 6 des Elementes ausgebildet werden, worauf eine Öffnung 26 unter der Verwendung von Aufdampfverfahren hineingeätzt wird. Ein p-Typ Störstoff wird daraufhin in den Halbleiterkörper A durch die Öffnung 26 hineindiffundiert, wodurch ein p-Typ Teilstück 22 ent-■teht. Daraufhin wird die dicke Oxydschicht 8 entfernt und anschließend eine Oxydschicht 8 mit für'die Funktions-

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weise der erfindungsgemäßen Varaktoren geeignete Dicke aufgebracht, worauf eine Öffnung 26 in dieselbe.hineingeätzt wird. Daraufhin wird die Elektrode 10 mit dem Teilstück 25 gebildet, wobei letzteres die elektrische Verbindung mit dem p-Typ Teilstück 22 herstellt.

Die Fähigkeit des- erfindungsgemäßen Elementes, durch Veränderung einer Gleichstromvorspannung sehr große Kapazitätsänderungen aufzuweisen, tritt jedoch nur dann auf, wenn die Löcherläufzeit von den entferntesten Stellen des Halbleiterkörpers A in der Nähe der Oberfläche 6 unterhalb der Elektrode 10 bis zum p-Typ Teilstück 22 nicht wesentlich größer ist als die Lebensdauer der Minuri« tätsträger an der Oberfläche 6. Diese Bedingung wird jedoch mit einem nennenswerten Sicherheitsfaktor erfüllt_# wenn die Elektrode 10 z.B. einen Durchmesser von l/k mm (10 mils) und das p-Typ Teigstück 22 einen Durchmesser von l/Jj-0 mm (1 mil) aufweist. Dieses angegebene Verhältnis ist jedoch nur eine ungefähre Angabe und stellt in keinster Weise eine Begrenzung der größtmöglichen Fläche der Elektrode 10 dar. Sollten größere Kapazitätswerte gewünscht werden, so können ferner größere Elektroden 10 mit einer Mehrzahl von angeeigneten Stellen angebrachten p-Typ Teilstücken 22 verwendet werden.

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Bei Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt die effektive Kapazität zwischen der Elektrode 10 und dem Halbleiterkörper A zu, wenn eine negative Vorspannung zwischen den Drähten 12 und 18 im zunehmenden Maße angelegt wird, wobei bei einem bestimmten Punkt ein Zusammenbruch der Diode eintritt. Diese Eigenschaft unterscheidet sich von den bisher bekannten Oxydfaktoren in zweifacher Hinsicht:

1.) Während bei den erfindungsgemäßen Elementen die

Kapazität entgegengesetzt zu der angelegten Vorspannung variiert, verändert sieh bei den bisher bekannten Elementen die Kapazität in der selben Richtung wie der absolute Wert der angelegten Vorspannung zu beiden Seiten eines Mittelwertes.

2.) Während bei den erfindungsgemäßen Elementen eine fortschreitende Kapazitatsveränderung bis zum Zusammenbruch der Trennschicht eintritt, kommen bei den bisher bekannten Elementen die Kapazitätsveränderungen schon weit vor einem Zusammenbruch zum Stillstand·

Bei Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Durchschlagsspannung der Trennschicht Zk im allgemeinen niedriger als die Durchschlagsspannung der dielektrischen j Schicht 3« Dies bedeutet einen automatiechen Übertpan-

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nungsschutz, da der Trennschichtzusammenbruch keine Beschädigungen hervorruft, während hingegen bei einem ZuL sammenbruch der dielektrischen Schicht 8 die nützlichen Eigenschaften des Elementes zerstört würden.

-Daraus läßt sich erkennen, daß durch eine sowohl in konstruktiver wie auch in herstellungstechnischer Hinsicht einfache Abänderung; Varaktorelemente erzeugt werden können, die ohne Schwierigkeiten in Hikroschaltkreisen und in integrierten Schaltkreisen verwendet werden können, die einen in sehr starkem Maße über den bisher bekannten Stand der Technik hinausgehenden Kapazitätsveränderungs-

bereich aufweisen und die einen inneren Schutz gegen durch Überspannungen hervorgerufene Zerstörungen besitzen.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   I.) Kapazitives Varaktorelement, bestehend aus zwei leitfähigen Elektroden, mit je einem Elektrodenanschluß, einer dazwischen liegenden Isolationsschicht und einer zusätzlichen Halbleiterschicht beliebiger Leitcharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Halbleiterschicht (2,4) auf der der Isolationsschicht (8) zugekehrten Seite wenigstens ein Teilstück (22) mit zur Leitcharakteristik der Halbleiterschicht (2,4)-entgegengesetzter Leitcharakteristlk aufweist, und daß das Teilstück (22) mit der auf der anderen Seite der Isolationsschicht (8) liegenden

   Elektrode (10) leitend verbunden ist.

   2.) Varaktorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (8) eine Öffnung (26) aufweist, und daß* die Elektrode (10) mit einem Ansatz (25) bis an das Teilstück (22) der Halbleiterschicht (2,4) heran-

   reicht.

   3·) Varaktorelement nach Anspruch I₁ oder 2, dadurch !

   gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (2j4) aus zwei f Schichten besteht, wobei die zweite Schicht (4) auf der ersten (2) epitaxial aufgewachsen ist, und daß das Teilst Üok (22) zur Gänze innerhalb der zweiten Schicht . (4) liegt.

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   ^.) Varaktorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mikroschaltkreisen und integrierten Schaltkreisen die eine Elektrode durch die Grundplatte (16) gebildet ist, und daß auf derselben der Reihe nach die Halbleiterschichten (2,^) die Isolierschicht (8) und die zweite Elektrode (10) aufgeschichtet sind.

   5.) Varaktorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Teil-Stückes (22) höchstens 1/10 der Elektrodenfläche ausmacht.

   6.) Varaktorelement nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Teilstückes (22) ungefähr 1/100 der Elektrodenfläche ausmacht.

   7.) Varaktorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (2,k) und die Isolierschicht (8) aus Silicium bzw. Siliciumdioxyd bestehen.

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