DE1955345C2 - Halbleiterbauelement mit einer spannungsabhängigen Kapazität - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer spannungsabhängigen Kapazität gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind bereits Varaktoren, d. h. Halbleiterbauelemente mit spannungsabhängiger Kapazität bekannt geworden, die im Halbleiterkörper einen pn-übergang aufweisen (Electronics, 7. August 1967, S. 107-113). Die Raumladungszone dieses pn-Überganges wird als spannungsabhängige Kapazität ausgenutzt. Außerdem wurden bereits sogenannte MOS-Varaktoren vorgeschlagen (The Bell System Technical Journal, Mai 1962, S. 803—831). Diese Kapazitätsbauelemente bestehen aus einem Halbleiterkörper auf dessen einer Oberflächenseite eine Isolierschicht angeordnet ist Auf der Isolierschicht befindet sich ein Metallkontakt, während auf der der Isolierschicht gegenüberliegenden Oberflächenseite des Halbleiterkörpers ein zweiter Metallkontakt vorgesehen ist Wird zwischen den beiden Metallkontakten eine Spannung angelegt, wirkt das Bauelement als spannungsabhängige Kapazität, wobei der Kapazitätswert von der Dicke der Isolierschicht, der

_ne g_{ariz versc}h_wun(j_en i_st und die maximale Kapazität Cmajt, die durch die Dicke der Oxydschicht bestimmt wird, erreicht ist.

Aus % Electronics«, 7. August 1967, S. 111, ist ferner ein MOS-Varaktor bekannt bei dem beide Anschlußkontakte auf einer Oberflächenseite des Halbleiterkörpers angeordnet sind. Dabei weist die einen Kontakt tragende Oxydschicht eine Stufe auf, über die der Metallkontakt zur Anschlußstelle verläuft Diese Stufe dient jedoch nicht der gezielten Einstellung einer mehrstufigen Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie.

Für bestimmte Zwecke werden nun aber Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien von Varaktoren benötigt, die einen speziellen Funktionsverlauf aufweisen. So geht die vorliegende Erfindung von der Erkenntnis aus, daß beispielsweise für die Frequenzvervielfachung oder die gezielte Frequenzverzerrung ein Kennlinienverlauf erwünscht ist, bei dem die Kapazität der Halbleiteranordnung in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung stufenförmig ansteigt. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein derartiges und beispielsweise für den genannten Zweck verwendbares Halbleiterbauelement anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmalen gelöst

Der zweite Anschluß an das Halbleiterbauelement befindet sich beispielsweise auf der dem Isoliermaterial abgewandten Oberflächenseite des Halbleiterkörpers, an einer Seitenfläche des Halbleiterkörpers oder steht mit dem Halbleiterkörper auf der Oberflächenseite in Verbindung, auf der sich auch das stufenförmig ausgebildete Isoliermaterial befindet. Der Halbleiterkörper und die einzelnen Stufen des Isoliermaterialbelages auf der Halbleiteroberfläche bilden Teilkapazitäten, die sich zu der Gesamtkapazität der Halbleiteranordnungaddieren.

Die Kapazitätswerte der Teilkapazitäten können in vorteilhafter Weise dadurch eingestellt werden, daß die

verschiedenen Schichten des isolierenden Materials aus Stoffen mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten bestehen. Ein weiterer Freiheitsgrad besteht in der Dickenwahl der einzelnen Isolierstoffschichten.

Die notwendigen Ladungen können in die Isolierschichten beispielsweise durch Dotierungen eingebaut werden. So kann beispielsweise eine Siliziumdioxydschicht mit Bor oder Phosphor dotiert werden. Auch durch die Wahl der Isoliermaterialien selbst, läßt sich an der Halbleiteroberfläche eine Feldverteilung einstellen, die durch die angelegte Spannung kompensiert werden muß oder das durch die angelegte Spannung verursachte Feld noch verstärkt. Derartige Eigenschaften kommen beispielsweise basischen Oxyden zu.

Um einen zur Kapazitätsachse symmetrischen Spannungs-Kapazitäts-Kennlinien-Verlauf zu erzielen, kann auf die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Halbleiterkörpers ein stufenförmig ausgebildetes, mehrschichtiges Isoliermaterial aufgebracht werden, wobei das Isoliermaterial auf beiden Oberflächenseiten mit je einem zusammenhängenden Metallkontakt versehen ist.

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im weiteren anhand einiger Ausführungsbeispiele noch näher erläutert werden.

In der F i g. 2 ist ein MOS-Varaktor dargestellt, der aus einem Halbleiterkörper 1 besteht. Dieser Halbleiterkörper setzt sich beispielsweise aus einem niederohmigen η+-dotierten Halbleitergrundkörper 2 und einer hochohmigen Oberflächenzone 3 des gleichen Leitungstyps zusammen. Auf der Oberflächenschicht 3 ist eine erste Isolierschicht 7 angeordnet, die die ganze Oberflächenseite des Halbleiterkörpers oder nur Teile dieser Oberflächenseite bedeckt.

Eine weitere Isolierschicht 8 bedeckt nur einen Teil der Isolierschicht 7, während ein Teil der Isolierschicht 8 wiederum von einer dritten Isolierschicht 9 bedeckt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist noch eine vierte Isolierschicht 10 vorgesehen, die sich auf einem Teil der Isolierschicht 9 befindet. Auf diese Weise ergibt sich auf der Halbleiteroberfläche ein stufenförmiger Aufbau verschiedener Isolierschichten, wobei die Zahl der einzelnen Schichten den jeweiligen Anforderungen entspricht und als Material für die verschiedensten Schichten eine ganze Reihe von Dielektrika Verwendung finden können. Die einzelnen Schichten des Isoliermaterials können aus demselben oder aus verschiedenartigen Stoffen bestehen. So können zum Beispiel die Schichten 7 und 8 aus unterschiedlich mit Ladungen versehenem Siliziumdioxyd (Dielektrizitätskonstante ε = 4,5) bestehen, die Schicht 9 aus Siliziumnitrid (Dielektrizitätskonstante ε = 6,5) und die Schicht 10 aus Tantaloxid (Dielektrizitätskonstante ε = 11,5). Die Fig. 3 zeigt eine perspektivische Anordnung des Kapazitätsbauelementes, wobei die einzelnen Isolierstoffschichten aus konzentrischen Kreisringen bestehen, deren Innendurchmesser in Richtung auf die äußeren Schichten hin zunimmt. Die erste Isolierstoffschicht 7 weist keine öffnung auf. Es ist selbstverständlich, daß die Isolierstoffschichten auch rahmenförmig ausgebildet werden können oder nur auf einer Randseite einen stufenförmigen Aufbau aufweisen. Die Dicke der einzelnen Isolierschichten liegt in der Größenordnung von einigen μπι bis hin zu Bruchteilen dieser Maßeinheit. Der stufenförmig ausgebildete Isoliermaterialbelag wird mit einem flächenhaften Metallkontakt 11 bedeckt, der beispielsweise aus Gold oder Aluminium bestehen kann.

In der F i g. 3 ist nun der jeweilige Spannungs-Kapazitäts-Kennlinienverlauf der einzelnen Teilkapazitäten dargestellt, wobei die einzelnen Kapazitätswerte durch die Dicke der Isolierschichten, deren innere Feldverteilung, die Dielektrizitätskonstanten der einzelnen Isolierschichten, die Dicke und Dotierung der Halbleiterschicht 3, die Metallkontaktfläche und die jeweils anliegende Spannung nach bekannten Gesetzmäßigkeiten bestimmt werden.

Die Funktion a) gibt beispielsweise den Kapazitätsverlauf des Bauelementteiles an, der durch die Isolierschicht 7 und den unmittelbar darauf befindlichen Teil des Metallkontaktes 11 bestimmt wird. Die Funktion b) gibt den Kapazitätsverlauf des Baueiementteiles an, der durch den auf der Isolierschicht 8 unmittelbar befindlichen Teil des Metallkontaktes 11 bestimmt wird. Entsprechendes giilt für die weiteren Funktionen c) und d), die die Kennlinien der Teilkapazitäten wiedergeben, die durch die jeweiligen Teile des Metallkontaktes 11 auf den isolierschichten 9 und 10 bedingt sind. Wie sich aus den Kennlinien ergibt, erfolgen die Kapazitätsänderungen von der minimalen Kapazität zum maximalen Kapazilätswert bei jeweils anderen Spannungswerten. Dies beiruht au^f der inneren Ladungsverteilung in den einzelnen Isolierschichten, die durch Dotieren oder Beimischen weiterer Substanzen beeinflußt werden kann.

Durch Addition der in der Fig.3 dargestellten Einzelfunktionen gelangt man gemäß Fig.4 zu dem Kapazitäts-Spannungsverlauf des Gesamtbauelementes. Die Kapazität nimmt mit wachsender Spannung von dem kleinsten Wert C_min über die: Werte C,, C₂, C₃ stufenförmig bis zu dem größten Wert C_m„ zu.

In vielen Fällen ist ein Kapazitäts-Spannungs-Kennlinienverlauf erwünscht, der symmetrisch zur Kapazitätsachse ist. Dies gilt vor allem dann, wenn die Kennlinie mit einer Wechselspannung ausgesteuert wird und die Kapazitätsvariation der positiven Halbwelle der der negativen entsprechen soll.

Für diesen Fall wird gemäß F i g. 5 auf die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächenseiten ein völlig gleichartig gestaltetes Isoliermaterial aufgebracht. Das heißt, der Isolierschicht 7a auf der einen Oberflächenseite des Halbleiterkörpers entspricht die Isolierschicht 7b auf der anderen Oberflächenseite. Gleiches gilt für die weiteren Isolierschichten 8,9 und 10 sowie deren Geometrie und der Geometrie der beiden Metallkontakte 1 la und 1 Kb. Um zu der Gesamtkapazitat der Halbleiteranordnung zu gelangen, müssen die Kehrwerte der einander entsprechenden Teilkapazitäten auf den beiden Oberflächenseiten addiert werden, da die jeweiligen Teilkapazitäten zueinandei in Serie geschaltet sind. Bei entsprechender Ladungsverteilung in den einzelnen Isolierschichten ergibt sich eine Kennlinie gemäß F i g. 6, die z. B. bei der Spannung Null den größten Kapazitätswert aufweist und mit wachsender negativer oder positiver Spannung stufenweise abnimmt.

Bei einer Anordnung gemäß F i g. 5 weis! der Halbleiterkörper auf beiden Oberflächenseiten eine schwach dotierte Halbleiterzone 3a bs:w. 36 auf.

Ein symmetrischer Kennlinienverlauf kann auch durch die Serienschaltung zweier in der Fig. 2 dargestellten Halbleiteranordnungen erreicht werden. Eine entsprechende Anordnung ist in der Fig. 7 dargestellt. Die in der F i g. 7 dargestellte Halbleiteranordnung entspricht mit Ausnahme des Metallkontaktes

5 6

It exakt der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform. sehen Aufteilung der Metallkontaktfläche erhält man.

Der Metallkontakt ist jedoch in der Anordnung gemäß wenn die Spannung zwischen die beiden Melallkontakt-

F i g. 7 symmetrisch zueinander aufgeteilt. Zwischen die teile gelegt wird, einen Kennlinienverlauf gemäß F i g. 6,

beiden Metallkontaktteile Hd und lic wird dann die wobei allerdings nur der qualitative Verlauf nicht aber

Spannung angelegt. Der Rückseitenkontakt ist bei 5 der quantitative Verlauf der Kennlinen aus den

dieser Verwendungsform des Halbleiterbauelementes Anordnungen gemäß Fig. 5 und 7 übereinstimmt,
ohne Bedeutung. Auch bei einer derartigen symmetri-

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einer spannungsabhängigen Kapazität, bei dem auf einem Teil der Oberfläche eines sperrschichtfreien Halbleiterkörpers eine Isolierschicht angeordnet ist, die mit einem flächenhaften Metallkontakt bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus mehreren abgestuft übereinander angeordneten Teilschichten (7 bis 10) besteht daß der Metallkontakt (11) zusammenhängend über alle Stufen der Isolierschicht bis auf die unmittelbar auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) angeordnete Teilschicht (7) reicht, und daß die einzelnen Teilschichten (7 bis 10) derart unterschiedlich mit Ladungen versehen sind, daß sich die Teilkapazitäten, die den verschiedenen Stufen zukommen, bei verschiedenen Spannungswerten sprunghaft ändern.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilschichten (7 bis 10) aus Materialien mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante bestehen.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschichten (7 bis 10) aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Tantaloxid bestehen.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschichten (7 bis 10) mit Ausnahme der unmittel-Dotierurig des Halbleiterkörpers und dem Wert der angelegten Spannung abhängig ist.

Ein derartiger MOS-Varaktor ist in der F i g. 1 a dargestellt Es findet ein Halbleiterkörper 1 Verwendung, der beispielsweise aus einem hochdotierten und damit niederohmigen Halbleitergrundkörper 2 des η+-Leitungstyps besteht. Auf diesem hochdotierten Halbleitergrundkörper, der beispielsweise aus einkristallinem Silizium besteht, befindet sich eine dünne hochohmige Halbleiterschicht 3 des gleichen Leitungstyps. Diese Halbleiterschicht 3 ist mit einer Isolierschicht 4, beispielsweise aus Siliziumdioxyd bedeckt, auf der wiederum ein Metallkontakt 5 angeordnet ist. Der Metallkontakt kann beispielsweise aus Gold, Chrom oder Aluminium bestehen. Auf die dem Metallkontakt 5 gegenüberliegende Oberflächenseite des Halbleiterkörpers wird ein weiterer Metallkontakt 6 aufgebracht der den Halbleiterkörper nichtsperrend kontaktiert und in seiner flächenhaften Ausdehnung beispielsweise der des Kontaktes 5 entspricht

Der Verlauf der differentiellen Kapazität der geschilderten Anordnung bei einer Veränderung der am Bauelement anliegenden Gleichspannung ist in der Fig. Ib wiedergegeben. Bei hohen negativen Spannungen ist bei optimalen Verhältnissen die Zone 3 völlig ladungsträgerfrei, so daß der kleinste Kapazitätswert Cmin im wesentlichen durch die Dicke der Zone 3 unter der Oxydschicht 4 bestimmt wird. Bei einer gegen Null gehenden Spannung werden Ladungsträger wieder in

bar auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) 30 die Zone 3 zurückfluten können, bis die Raumladungszo-"" ./-».·.. . . hj i d di il

angeordneten Teilschicht (7) mit konzentrischen Ausnehmungen versehen sind, deren Abmessungen mit dem Abstand vom Halbleiterkörper (1) von Teilschicht zu Teilschicht zunehmen.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkontakt in zwei zueinander symmetrische, elektrisch voneinander isolierte Teilkontakte (lic, 11 ^unterteilt ist

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf zwei sich gegenüberliegenden Oberflächenteilen des Halbleiterkörpers (1) je eine Isolierschicht mit Metallkontakt angeordnet ist