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Spannungsabhängiger Kondensator, insbesondere für F6stlzörnerschaltungen
Pie Erfindung betrifft einen spannungsabhängigen Kondensator mit einer in Speyrichtung
zu betreibenden pn-Übergangsfläche, dessen eine oberflächennahe Zone in eine Oberflächenseite
eines Halbleiterkörpers eingesetzt ist, insbesondere für integrierte.monolithische
Festkörperschaltungen. Derartige Kondensatoren sind allgemein bekannt.'Es wird beispielsweise
in diesem Zusammenhang verwiesen auf den Aufsatz "Die Planartechnik bei Transistoren
und integrierten Schaltungen" in der Zeitschrift "S eientia electrica", Band
X (1964), Seiten 97-144 und den Aüfsatz "Integrierte Halbleiterschaltungen nach
der Planarbauweiso"' in der .gleichen Zeitschrift, 13and IX (1963), Seiten
67-91. Derartige Kondensatoren werden bei monolithischen Festkörper#chaltungen
in einer einkristallinen Halbleiterplatte zusammen mit anderen Halb-,' leiterelementen,
wie Wideirstände, Dioden und Transistoren nach dem allgemein bekann.ten Planardiffusionsverfahren
hergestell to.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Flächenbedarf
von spannungsabhängigen Kondensatoren durch Vergrößerung
ihrer spezifischen
Kapazität zu vermindern. Bei integrierten Festkö>rperschaltungen nehmen nämlich
häufig die spannungsab-.hängigen Kondensatoren einen wesentlichen Teil der*Halbleiteroberfläche
ein. Durch die Erfindung-sollen,ferner Strukturen für spannungsabhängige Kondensatoren
mi.t verg#öPerter spezi.,'#'ischer Kapazität.in integrierten Festkörperschaltungen
angegeben werden., deren*.Her«s tellung gleichzeitig mit den Planardiffusionen der
anderen Halbleiterelemente der gleichen Festkörperschaltung erfolgen kann. Insbesondere
soll die Herstellung gleichzeitig mit den zumeist auf der gleichen Halbleiterplatte
befindl.ichen Planartransistoren .. erfolgen können, wobei möglichstnur eine
Änderung der Geometrie der Masken--für die photolithogrIaphische Herstellung der
Oxydmasklerungen'-zugelassen ist.
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Bekanntlich nimmt die Raum ladungskapazität eines*als spannungsabhängigen
Kondensators verwendeten pn-Übergangs mit# wachsender Dotierung bzw. bei Verminderung
des spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterials beiderseits der pn-Übergangs.#"l.'läche
zu. Eine beliebige Vergrößerung der ßpezifischen Kapazität ist jedoct nicht
möglich, da mit den gleichen Dotierungsmafnahmen, welche die spezifische
Kapazität anwach sen lassen, did iperrspannung.
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des pn-Übergahga vermindert wird.
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Die Erfindung.geht von der Erkenntnis aus, daß bei Verwendung eines
Emitter pn-Übdrgangä von im Prinzip bekannten Leistungs-Planartransistoren unter
gewissen Bedingungen sich-eine erhöhte spezifische Kapazität ergibt. Leistungs-Planartranzistoren,
insbesondere bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterials
werden
nämlich im Hinblick auf eine besonders gute Emitterergiebigkeit..mit möglichst großer
Randlänge der Emitter-pn-Übergangsfläche dimensioniert. Wird dieses Konstruktionsprinzip
möglichst großer Randlänge einer pn-Übergangsfläche auf die geometrische Auslegung
einem spannung#abhängigen Kondensators. übertragen, bei dem Überlegungen hezüglich
einer Emittererglebigkeit fehl am Platze sind, dann kann unter Umständen eine erhöhte
spezitische Kapazität festgestellt werden. Diese-Erscheinung beruht darauf,-daß
die Ränder der pn-Übergängsfläche an der Haibleiteroberfläche liegen. Aus diesem
drunde liefert der an der lialbleiteroberfläche liegende Teil der pn-fibergangs-#-#läche
im allgemeinen den Hauptbeitrag der Raumladungskapazität#ö Von dieser Erkenntnis
ausgehend wird bei einem spannungsabhängigen Kondensator mit einer in Sperrichtung
zu bdtreibenden pn-Übergangsfläche, dessen eine oberflächennahe Zone in eine Oberflächenseite
eines Halbleiterkörpers eingesetzt Ist# besondere fUr integrierte monollthisehe:
Festkörperschaltungene die spezifische Kapazität erfindungsgemäß dadurch erhöht,
daß die oberflächennahe Zone dbr pn-Übergangsfläähe mit möglichst .großer,-an die
Oberflächenseite des lialbleiterkärpers stoßenden Bandlänge im Dotterungsgradienten.abnehmender
Störs.tellenkonzentration der ande,#en Zone ins Innerö'des Halbleiterkörpers, wie
an sich bei Emitter-pn--Ü#ergangsflächen bei Leistungs-Planartransistoren bekinn-t#-,---uiid7-init
möglichst großer Randlänge pro Flächeneinheit der Oberflächenseite ausgebildet ist.
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Werden nämlich die Randlängen derartiger "Emitter"-pn-Ubergangs-e
flächen an der Oberfläche auf kleinem Aaum zusammengedrängt,
dann
ergibt sich eine bei Transistorep an sich unerwünschte Erhöhung der Emitter-Raumladungskapazität,
die bei einem spannungsabhängigen'Kondensator bei der Erfindung aber>gerade angestrebt
wird. Die Erhöhung der spezifischen Kapazität beim' Zusammendrängen der Randlängen
der pn-Übergangs:rlächen beruht darauf, daß dadurch'ein erhöhter Flächenanteil der
pn-Übergangs' fläche Im.niederohmigen Halbleitermaterial an der Halbleiteroberfläche
liegt. Aus der obeftgehannten,Literatuystelle in der. Zeitschrift "Seientia electricaft,
Band X,*war zwar bekannt, auch die'Emitter-Basis-Sperrschichtkapazität als.spannungsab-.*
hängiger Kondensator für Festkörperschaltungen zu verwenden&# Die geometrische
Auslegung der an die Oberfläche.'angrenzenden. Zone eines.spannungsabhängigen Kondensators
mit #n-#hergangs-. fläche erfolgt aber im Hinblick auf wesentlich andere und,.*.*'..
teilweise eibh widersprechende elektrische EigerjAchaften, als. sie bei der geometrischen
Auslegung der Emitterzone eines.:; Leistungs-Planartransistors maßgeblich sind,
wie oben bereits. ausgeführt. So kann beispielsweise die oberflächennahe Zone eines
spannungsabhängigen Kondensators wesen'tlich schmaler dim mensioniert.werden als
die Emitterzäne eines Leistungs-Planartranaistors;.da letztere' Zone an,einem in
Flußrichtung betriebenen pn-übergang angrenzt und demnach die Spannungsabfäll:e
zu berücksichtigen sind.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erlätuterti,#,
in der als Ausschnitt4 einer monolithischen Festkörperschaltung 1 im.gl##rsahnitt
einen spannungsabhängigen Kondensator nach der Erfindung,
die Fig-.
2 in Aufsicht den spannungsabhängigen Kondensator gemäß der Fig. 1,
die Fig.
3 ausschnittsweise in Aufsicht eine andere Ausführungsform eines spannungsabhängigen
Kondensators nach der Erfindung mit geänderter Geometrie der ober-. flächennahen*Zone,
und die Fig.*-.4 im Querechnitt eine weitere-Ausführungsform eines spannungsabhängigen
Kondensators nach der . 'Erfindung zeigen..
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-Säfnt-l-iche-Figure-n--de-r---Zeir-hnung betreffen Ausführungsbeispiele
von spannung.sabhäng#gen Kondensatoren für eine integrierte monolithische Festkörperschaltung,
Aeren Zonen gleichzeitig durch Planardiffusionen mit den Zonen von etwaitig noch
weiteren Planartransistorelementen der Festkörperschaltung herg.estellt werden können.
Bis auf die geometrischen VeAältnisse die im.Hinblick.auf spannungsabhängige Kondensatoren
mit mögliehet großer spezifischer Kapazität und, abgesehen von Geometrien, die bei
Planartrarisistoren unbrauchbar oder nicht üblich sind, besteht daher/6ine Ähnlichkeit
mit Planartranaistoreh. Der spannungsabhängige Kondensator gemKß der Fig.
1., der Uber äe Leitbahnen 4 und 41 kontaktiert ist, weist wie aus der Fig.
2 ersichtlich eine Mehrzahl von oberflächennahen Zbnen 9 in Form von Fingern
oder Streifen auf, die durch Durchbrüche in der. Oxydschicht _3 über fingerförmige
Leitbahnen.5'parallel geschaltet sind. Zonen 9 In Form von Fingern oder-Streifen
ergeben eiine * Verbesserung des tan 6 gegenüber ei ner flächenhaften
Zone. Parallel zu diesen oberflächennahen Zonen ist über die Leitbahn
6 die Zone 13 kontaktiertg die bei einem Planartranäistor
der
Kollektorzone entspricht. Die Struktur des'spannungsabhä ngigen Kondensators gemäß
der Fig. 1 ist in d ie Epitaxschicht 2 vgm entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
wie der Grundkörper 1
eindiffundiert und durch Isolierzonen 7 elektrisch
gegen die anderen Elemänte der Festkörperschaltung, wie bekannt, Isoliert... Der
zweite Anschluß 41 des spannungsabhängigen Kondensators k#ntaktiert'Über-Leitbahnen
11 die Zone 10, welche der Basiszone eines Planartransistors entspricht.
Am pn-Übergang iwJschen'"z, der Epitaxschicht 2 und der Unterlage 1 Ist zur
Verminderung, des Zuläitungswiderstandes zur Leitbahn 6 Im Halbleitermateria1
eine relati,#.niedrigohmige Halbleiterschicht 8 eingebettet-, Öbwohl bei
der Struktur gemäß der Fig. 2 die oberflächennahe Zone', in e;Lne Vielzahl von Teilzonen
aufgeteilt ist; welche parallel, geschaltet ein relativ gutes tang bei hohen Frequenzen
ergibt, können selbstverständlich,auch sämtliche Teilzonen zu einer Zone oder zu
Gruppen bandförmig zu>aammengetaßt werden. Dadurch sind sehr schmale-bandförmige-oberilbLehennahe
Zonen möglich.» d'a''. diese nicht auf der gesamten Länge#kontaktiert werden müssen.
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Die Fig. 3 zeigt ausschnittaweise Im Prinzip eine weitere zusammenhängende.Geometrie
der obertlächennahen Zone in Form einen feinen Gitterm#sters. Bai dieser
Geometrie Ist die Abschirmung des spannuhgsabhängigen Kondensators durch eine kasseleitungmöglich,
da in der aktiven Fläche.keine.Kontakte vOrhanden sind* Mit einer derartigen Geometrie
ist ohne weiteres eine Erhöhung-: der spezifischen Kapazität gegenüber herkömmlichen
Strukturen um den Faktor 2 ohne Verminderung der Abbruchspannung des pnübergangs
möglich.
Eine besonders günstige Geometrie, die allerdings im»Üegensatz
zu Fig. 1 bis 3-nur bei Kapazitäten gegen Masse verwendbar ist, zeigt die
Fig. 4, bei der die oberflächennahe Zone 9 in eine brste.Zon.e.
10 vom.entgegengesetzten Leitfähigkeitsfyp eingesätzt ist und zumindest von
einer Teilzone 14 der Qberflächennahen Zone 9'.um-(5ben ist. Die oberflächennahe
Zone 9 is# zweckmäßigerweise zusammenhängend in Form eines Kammes oder noch
günstiger in Form des Gittermusters entsprechend der Fig. 3 ausgebildet und
mit der Teilzone 14 vereinigt worden.-Dieder Basi.,#zone eines Planartransistors
entsprechende Zone 10 ist mit, der Isolierzone 7 vereinigt. Der spannungsabhäng#Se
Kondensator gemäß der Fir. 4 ist über die beiden Flächenkontakte.15 und 12 ca kontaktiert'.
Durch diesen Aufbau ergibt sich eine Abschirmmöglichkeit für den spannungsabhängigen
Kondensator, da die Leitbahn 15 'nahezu die gesamte, . vom Kondensator
eingenommene Ober-.'. fläche, bedecken kann. 9erner ergibt sich der Vorteil induktionsarmer
Zuleitungen, eine Einsparung von Ableitungen und mehr Platz für'die Verdrahtung
der Restschaltun#.
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Der Erfindungsgedanke findet aubh bei diskreten spannungsabhängigen
Kondensatoren seine Anwendung, wenn-beis.pielsweise bei vorgegebener Abmessung eines
Gla,skehäuses die lialbleiteroberfläche begrenzt ist.