DE1918014B2 - Integrierter halbleiterkondensator und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Integrierter halbleiterkondensator und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
60
Die Erfindung betrifft einen integrierten Halbleiterkondensator mit geringem Platzbedarf, gebildet durch
die Sperrschicht einer Übergangszone zwischen einer ersten und zweiten Halbleiterschicht unterschiedlichen
Leitungstyps, wobei die die Sperrschicht-Kapazität des Halbleiterelementes bestimmende effektive Längenbzw.
Flächenausdehnung der Übergangszone durch Die U.OUC umfaßt eine Halbleiterscheibe mit
konzentrisch angeordneten Zonen abwechselnden Le,-tungstyps. Die Zonen des einen Leitungstyps sind über
eine durchgehende Diffusionszone an der Vorderseite und die des entgegengesetzten Leitungstyps über eine
entsprechende Diffusionszone an der Ruckseite der Halbleiterscheibe kontaktiert.
Nachteilig bei dieser bekannten Diodenstruktur ist.
daß sie sich nicht ohne weiteres in eine monolithische Schaltung integrieren läßt und ein relativ aufwendiges
Herstellungsverfahren erforderlich macht.
Bei der Herstellung eines Halbleiterkondensators sei
die Diffusionstiefe Xj. Weist das verwendete Maskenfenster beispielsweise eine Breite von 100 λ, auf, so
entsteht eine Gesamtbreite der Ubergangszone von etwa 100 X,+ πΧ, Der zweite Summand hat seine
Ursache darin, daß an den Rändern des Diffusionsfensters unterhalb der Maske eine Querdiffusion auftritt.
die auf jeder Seite einen Viertelkre.s mit einem der
Diffusionstiefe X1 entsprechenden Halbmesser bildet.
Die Gesamtbreite der auf diese Weise gebildeten Übergangszone setzt sich somit aus einer geradlinigen,
der Breite des Maskenfensters entsprechenden Lange 100 X1 und aus dem Umfang zweier Viertelkreise mit
dem Halbmesser Xj zusammen.
In der integrierten Schaltungstechnik ist man bestrebt, den Platzbedarf insbesondere für passive
Schaltelemente möglichst gering zu halten.
Es ist demzufolge das Ziel der Erfindung, integrierte
Halbleiterkondensatoren anzugeben, deren Platzbedarf bezogen auf ihre elektrische Größe gegenüber bekannten
entsprechenden Elementen wesentlich geringer ist. Insbesondere ist das Ziel der Erfindung einen
integrierten Halbleiterkondensator mit möglichst hohem
Kapazitätswert, bezogen auf eine gegebene flächenmäßige Ausdehnung.
Diese Aufgabe wird für einen Halbleiterkondensator der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die Übergangszone durch parallele
Streifen der ersten in der zweiten Halbleiterschicht gebildet ist und daß diese Streifen im Querschnitt
senkrecht zu ihrer Längsachse aus sich von der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht ins Innere
erstreckenden and im Bereich der Oberfläche ineinan- 5 der übergehenden halbkreisförmigen Bögen bestehen.
Auf diese Weise wird erreicht, daß der im wesentlichen die Größe der Kapazität bestimmende
Teil der Obergangszone angenähert wellenförmig verläuft wobei die einfache Kontaktie; barkeit erhalten io
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß entsprechende parallele Streifen der ersten Halbleiterschicht
in zwei Richtungen senkrecht zueinander
verlaufen. 's
Auf diese Weise wird nicht nur eine Kapazitätserhöhung in bezug auf die Breite, sondern auch in bezug auf
die Länge erreicht
Hinsichtlich des Aufwandes außerordentlich vorteilhafte Verfahren zur Herstellung derartiger Halbleiter- 20
kondensatoren in gebräuchlicher Planartechnik sind in Unteransprüchen niedergelegt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher
beschrieben. Es zeigt 1S
F i g. 1 in perspektivischer Ansicht einen Teil eines
Halbleiterkondensators,
F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Teil einer Trägerplatte
mit dem Diffusionsmuster,
Fig eine Schnittansicht 3-3 der Anordnung gemäß 3°
Fig. 2. wobei die durchgeführten Diffusioner, darge
stellt sind,
F i g. 4 eine entsprechende Schnittansicht, nach dem der Halbleiterkondensator fertiggestellt und zum
Zwecke seiner Verbindung mit einer monolithischen, integrierten Schaltung metallisiert ist.
Fi g 5 eine entsprechende Schnittansicht, aus der das Ergebnis einer ersten Diffusion eines abgewandelten
Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterkondensators
zu ersehen ist, .. .
F i g. 6 eine Schnittansicht der Struktur gemäß F1 g. 5
nach einer zweiten Diffusion.
Der insbesondere in Fig. 1 dargestellte Halble.terkondensator 10 weist eine effektive Breitenausdehnung
11 seiner Übergangszone auf, die im wesentlichen von mehreren halbkreisförmigen Bögen 12 bestimmt wird,
leder der Bögen 12 zeigt nur einen sthr kleinen geraden Teil der gleich der Breite der Öffnung in der
Oxidschicht ist, durch welche die die halbkreisförmige Übergangszone bildende Diffusion von Störstellen
erfolgt. Jeder der Bögen 12 hat einen Radius, der nicht größer als die Diffusionstiefe Xj der diffundierten
Schicht 14 ist. Die diffundierte Schicht 14 und die Schicht, in welcher Schicht 14 eindiffundiert wird,
beispielsweise Substrat 15, weisen entgegengesetzten Leitungstyp auf. Im betrachteten Beispiel ist die
Sndiene Schicht 14 P-leitend und das Substrat 15
N Direktive Längenausdehnung 1.6 der Übergangszone
der Sperrschicht-Kapazität 10 ergibt sich aus der L mehrere? halbkreisförmigen Bögen 17 verlaufenden
Übergangszone. Wie auch die die effektive Bre.te der übergangszone bestimmenden Bögen 12 zeigen auch
die die effektive Länge der Ubergangszone bestimmenden
Bögen 17 nur einen geringen geraden Teil auf. Der Radius der Bögen 17 entspricht im wesentlichen dem
Radius der Bögen 12. Das heißt also, daß der Radius de Böeen 17 nicht größer als die Diffus.onst.efe Xj der
diffundierten Schicht 14 ist
Durch den in F i g. 1 gezeigten Aufbau wird eine effektive Breite 11 der Übergangszone der Sperrschicht-Kapazität
10 erzielt, die wesentlich größer als die lineare Ausdehnung der Kapazitätsdiode JO ist
Entsprechendes gilt für die effektive Längenausdehnung 16. Auf diese Weise erhält man eine Kapazitätsdiode
10, deren effektive Fläche wesentlich vergrößert ist ohne daß eine Vergrößerung der benötigten Halbleiterflache
erforderlich wäre. Für eine gegebene Ausdehnung einer Kapazitätsdiode erhält man somit einen
wesentlich höheren Kapazitätswert.
Bei der Herstellung des Halbleiterkondensators 10 wird in einem ersten Verfahrensschritt eine Oxidschicht
18, beispielsweise Silizium-Dioxid, auf der Oberfläche
des Substrats 15 dadurch erzeugt daß die Oberfläche thermisch oxydiert wird. Das Substrat 15 kann
beispielsweise an seiner Oberfläche eine Epithaxieschicht
aus Silizium aufweisen. Das beispielsweise N-dotierte Substrat kann eine Dicke von etwa 200 μπι
und einen spezifischen Widerstand von 0,02 Ohm χ cm
aufweisen, wobei die N-dotierte Epitaxieschicht eine Dicke von etwa 6 bis 8 μίτι und einen spezifischen
Widerstand von 0,2 Ohm χ cm aufweist.
Nach der Herstellung der Oxidschicht 18 auf der Oberfläche des Substrats 15 wird zunächst in Längsrichtung
und dann in Querrichtung jeweils eine Anzahl paralleler Schlitze 19 und 20 in der Silizium-Dioxidschicht
gebildet. Die Schlitze 19 verlaufen demnach senkrecht zu den Schlitzen 20. Wie aus F i g. 2 zu
ersehen ist. bilden die verbleibenden Teile der Silizium-Dioxidschicht 18 getrennte, quadratische Inseln.
Die Herstellung der Schlitze 19 und 20 kann in der üblichen Weise durch Anwendung der Photoätztechnik
erfolgen. Dabei wird die Silizium-Dioxidschicht zunächst mit Photolack beschichtet, geeignet belichtet und
dann entlang der Schlitze abgeät/'
In einem anschließenden Verfahrensschritt werden
ι durch die Schlitze 19 und 20 eine P-Leitfähigkeit
erzeugende Störstellen, beispielsweise Bor, eindiffundiert. Die Diffusion erfolgt vorzugsweise in zwei
Schritten. Im ersten Schritt wird bei einer Temperatur von 1200°C und während einer Dauer von 85 Minuten
Bor auf das Substrat 15 aufgebracht. Dabei werden etwa 10 Minuten für die Erhitzung des Substrats auf 1200°C
benötigt. Die Borkonzentration liegt vorzugsweise bei 1,8 χ ΙΟ18 Atome/cm3. Der resultierende Schichtwiderstand
ist 460 Ohm/Flächeneinheit und die Tiefe der Übergangszone in einem Halbleitermaterial mit einem
spezifischen Widerstand von einem Ohm χ cm liegt bei
etwa 2,5 μην
Während des zweiten Diffusionsschrittes erfolgt eine Neuverteilung des während des ersten Diffusionsschrittes
in das Substrat 15 eindiffundierten Bors. Dabei wird zunächst für die Dauer von 5 Minuten Sauerstoff, dann
für die Dauer von 40 Minuten Wasserdampf und schließlich für die Dauer von 5 Minuten wiederum
Sauerstoff bei einer Temperatur von 9700C über das Substrat 15 geleitet. Der Wasserdampf bewirkt, daß auf
der Oberfläche des Substrats 15 eine Oxidschicht entsteht, in die Bor eindiffundiert. Während der ersten
5 Minuten wird das Substrat auf die erforderliche Temperatur gebracht.
Bei diesem Diffusionsschritt wird ein Schichtwiderstand von 517 Ohm/Flächeneinheit erreicht. Die Tiefe
der Übergangszone im Halbleitermaterial mit einem spezifischen Widerstand von einem Ohm χ cm beträgt
etwa 3 μιη.
Der Diffusionskoeffizient während des ersten Diffusionsschrittes beträgt 1,05 χ 10-12cm2/sec. Während
des zweiten Diffusionsschrittes beträgt der Diffusionskoeffizient 3 χ 10-|4cm2/sec.
Wie in Fig.3 in bezug auf die Breite 11 der
Sperrschicht-Kapazität 10 dargestellt, erzeugt die Diffusion durch die Schlitze 19 eine Anzahl von
Übergangszonen mit im Querschnitt halbkreisförmigen Bögen 12, die die effektive Breitenausdehnung der
Kapazität erzeugen. Damit die Diffusionen durch die Schlitze 19 ineinander übergehen, muß der Abstand der
parallelen Schlitze geringer sein als der doppelte Radius der Bögen 12. Aus diesem Grunde muß die Diffusion so
gesteuert werden, daß die Entfernung zwischen den einzelnen Schlitzen 19 überbrückt wird. Selbstverständlich
muß die Breite der Schlitze so groß sein, daß Diffusion in der gewünschten Weise erfolgen kann.
In der Längenausdehnung der Kapazität 10 erfolgt gleichzeitig mit der Diffusion durch die Schlitze 19 eine
entsprechende Diffusion durch die Schlitze 20.
Nach der Eindiffusion der Schicht 14 wird an geeigneter Stelle in die N-dotierte Schicht des Substrats
14 eine N+ -Zone eindiffundiert, über die der eine Anschluß zur Kapazität hergestellt wird. Der andere
Anschluß erfolgt über die eindiffundierte P-Schicht 14. Nach Fertigstellung des Halbleiterkondensators 10 wird
ein Teil der Silizium-Dioxidschicht 18 und die während der durchgeführten Diffusionen entstandenen Silizium-Dioxidschichten
entfernt Wie aus F i g. 4 zu ersehen ist, wird dann auf der oberen Oberfläche der diffundierten
Schicht 14 eine Metallschicht 22 niedergeschlagen. Auf diese Weise wird der metallische Kontakt zur Schicht 14
als ein Anschluß des Kondensators hergestellt Auch die nicht dargestellte N+-Zone wird mit einem Metallfilm
versehen, über den der andere metallische Anschluß des Kondensators hergestellt wird.
Für die Herstellung der Schicht 14 kann an Stelle der
zweistufigen Diffusion auch eine einstufige Diffusion angewendet werden. Das zu verwendende P-dotierte
Material könnte beispielsweise wiederum Bor in einer Konzentration von 2 χ 1019 Atomen/cm3 sein. Die
Dauer der Diffusion wäre etwa 80 Minuten bei einer Temperatur von 11000C, wobei die ersten 10 Minuten
der Erhitzung des Substrates dienen. Der resultierende mittlere Schichtwiderstand würde etwa 196 Ohm/Flächeneinheit
betragen und die Diffusionstiefe in einer N-dotierten Probe mit einem spezifischen Widerstand
von einem Ohm χ cm wäre etwa 0,91 μητ.
Wäre der Abstand zwischen den Achsen zweier benachbarter Schlitze 19 bzw. 20 größer als das
Zweifache der Diffusionstiefe Xj, dann wäre durch eine
einfache Diffusion eine Vereinigung der halbkreisförmigen Bögen 12 und 17 nicht zu erzielen, sondern diese
wurden einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen.
In diesem Falle müßten zwei Diffusionen durchgeführt werden.
Das in diesem Fall beispielsweise anzuwendende Verfahren ergibt sich aus den F i g. 5 und 6. In F i g. 5 ist
eine beispielsweise aus Silizium-Dioxid bestehende Schicht 25 auf der Oberfläche eines N-dotierten
Substrats 26 vorhanden. Die Herstellung dieser Schicht 25 kann durch thermische Oxydation der Oberfläche des
Substrats 26 erfolgen. Substrat 26 kann dabei wie das im vorhergehenden beschriebene Substrat 15 aus einer
Epitaxieschicht bestehen. Wie bereits beschrieben,
ίο werden in der Silizium-Dioxidschicht 25 in der
Längsrichtung parallele Schlitze 27 hergestellt In entsprechender Weise werden zu den Schlitzen 27
senkrecht verlaufende parallele Schlitze in der Querrichtung gebildet. Die im vorliegenden Fall durchzuführende
doppelte Diffusion wird lediglich in bezug auf die Breitenausdehnung der Sperrschicht-Kapazität beschrieben.
Nach der Herstellung der Schlitze 27 in der Silizium-Dioxidschicht 25 werden dem Substrat 26
durch Eindiffusion von Bor P-dotierte Bereiche 28 mit halbkreisförmigem Querschnitt erzeugt Die Bereiche
28 gehen dabei, wie angenommen, nicht ineinander über, sondern sind durch isolierende N-leitende Teile des
Substrats 26 voneinander getrennt. Diese erste Diffusion entspricht im wesentlichen der im vorhergehenden
beschriebenen einzigen Diffusion, sie erfolgt lediglich während einer kürzeren Zeitdauer.
Wie aus F i g. 6 zu ersehen ist, wird nach der ersten Diffusion in der Silizium-Dioxidschicht 25 ein großes
Fenster 30 in bekannter Weise freigelegt Die Breite des Fensters 30 entspricht dem Abstand der äußeren
Ränder der beiden äußeren Schlitze 27. Entsprechendes gilt für die Längsrichtung der Anordnung.
In einer zweiten Diffusion wird P-leitendes Material
durch das Fenster 30 in der Schicht 25 diffundiert Die Konzentration des Materials kann dabei gleich, größer
oder kleiner als bei der ersten Diffusion sein.
Bei dieser zweiten Diffusion wird eine flache P-leitende Schicht 31 erzeugt die die P-leitenden Zonen
28 der ersten Diffusion miteinander verbindet.
Die zweite Diffusion könnte auch durch Schlitze erfolgen, die in der Schicht 25 im Bereich der während
der ersten Diffusion nicht umdotierten Zone des Substrats 26 hergestellt werden.
Auf Grund der beschriebenen Verfahren erhält man einen Halbleiterkondensator 32 mit einer Sperrschicht
32, deren effektive Breitenausdehnung größer ist als die entsprechende lineare Ausdehnung des Kondensators.
Dasselbe gilt für die Längenausdehnung. Die Herstellung der Anschlußmöglichkeiten für den Halbleiterkondensator
26 können in derselben Weise erfolgen, wie bei dem beschriebenen Halbleiterkondensator 10. Selbstverständlich
erhält man auch bereits eine wesentliche Kapazitätserhöhung wenn lediglich der Obergang in
einer Richtung verlängert wird. In diesem Fall müßten lediglich parallele Schlitze in einer Richtung in der
Silizhim-Dioxidschicht hergestellt werden.
Claims (5)
1. Integrierter Halbleiterkondensator mit geringem Platzbedarf, gebildet durch die Sperrschicht
einer Obergangszone zwischen einer erstell und zweiten Halbleiterschicht unterschiedlichen Leitungstyps,
wobei die die Sperrschicht-Kapazität des Halbleiterelementes bestimmende, effektive Längen-
bzw. Flächenausdehnung der Übergangszone durch gezielt hergestellte Unebenheiten des Überganges
vergrößert ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Übergangszone durch parallele Streifen der ersten in der zweiten Halbleiterschicht
gebildet ist und daß diese Streifen im Querschnitt senkrecht zu ihrer Längsachse aus sich
von der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht ins Innere erstreckenden und im Bereich der Oberfläche
ineinander übergehenden halbkreisförmigen Bögen bestehen. *>
2. Integrierter Halbleiterkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende
parallele Streifen der ersten Halbleiterschicht in zwei Richtungen senkrecht zueinander verlaufen.
3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkon- *5
densators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht in der zweiten
Halbleiterschicht durch Diffusion von geeigneten Störstellen unter Verwendung einer Maske mit
parallelen Schlitzen bestimmten gegenseitigen Ab-Standes gebildet und die Diffusion so gesteuert wird,
daß die Diffusionstiefe größer ist als der halbe gegenseitige Abstand der Längsachsen zweier
paralleler Schlitze in den verwendeten Masken.
4. Verfahren zur Herstellung e'nes Halbleiterkondensators
nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht in der zweiten
Halbleiterschicht durch Diffusion von geeigneten Störstellen unter Verwendung einer Maske mit
jeweils parallelen Schlitzen in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen erfolgt und die
Diffusion so gesteuert wird, daß die Diffusionstiefe größer ist als der halbe gegenseitige Abstand der
Längsachsen zweier paralleler Schlitze in den verwendeten Masken.
5. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkondensators nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht in der zweiten Halbleiterschicht durch Diffusion von
geeigneten Störstellen unter Verwendung einer Maske mit parallelen Schlitzen bestimmten gegenseitigen
Abstandes gebildet wird und daß bei einer keine zusammenhängende Streifenstruktur bildenden
Diffusion in einer weiteren, anschließenden Diffusion die Überbrückung zwischen den einzelnen
Streifen hergestellt wird.
werden diese Halbleiterkondensator Bauweise dadurch hergestellt, daß
erstellen ein« Leitungstyps in eine Störstellen des
entgegengesetzten Leitungstyps aufweisende HaIb-S
!Sicht eindiffundiert werden. Dabe. b.ldet sich an
Her Grenze zwischen den beiden so entstandenen 7onen entgegengesetzten Leitungstyps eine sogenann-
« übeSngSoL Die Größe der dabei entstehenden
SperShf-Kapazität ist direkt proportional der
Fläche der Übergangszone. Daraus ergibt sich, daß fur
eine große Sperrschicht-Kapazität in emer integnerten
Scha&sanordnung eine entsprechend große SubsSäche
erforderlich ist Der Platzbedarf bekannter Sleiterkondensatoren hängt also von der Große des
geforderten Kapazuätswertes ab.
8 Bei bekannten Herstellungsverfahren fur Halbleiterkondensatoren erfolgt eine Diffus.on durch ent Masken fenster dessen Größe dem gewünschten Kapaz.tatswer angenaßt sein muß. Bezogen auf eine Langene.nheit der Ubergangszone ist der Kapazitätswert eines diffund.erten Halbleiterkondensators etwa gleich dem Produkt des Kapazitätswertes je Flächeneinheit und der
8 Bei bekannten Herstellungsverfahren fur Halbleiterkondensatoren erfolgt eine Diffus.on durch ent Masken fenster dessen Größe dem gewünschten Kapaz.tatswer angenaßt sein muß. Bezogen auf eine Langene.nheit der Ubergangszone ist der Kapazitätswert eines diffund.erten Halbleiterkondensators etwa gleich dem Produkt des Kapazitätswertes je Flächeneinheit und der
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dioden mit vergrößerter akt.ver Ubergangsflache auszustatten, ohne die Abmessungen der Diode zu
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