DE2147291A1 - Planare kapazitaetsdiode grossen hubs - Google Patents
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Description
2U7291
Philips Patentverwaltung GmbH., Hamburg, Steindamm 94
Planare Kapazitätsdiode großen Hubs
Die Erfindung betrifft eine planare, aus der Parallelschaltung
einer Sperrschicht- und einer MOS-Kapazität gebildete Kapazitätsdiode großen Hubs. Es sind bereits Varaktoren, d.h.
Halbleiterbauelemente mit spannungsabhängiger Kapazität, bekannt geworden, die im Halbleiterkörper einen pn-übergang
aufweisen. Die Raumladungszone dieses pn-Überganges stellt eine spannungsabhängige Kapazität dar, deren Größe durch die
bekannte Plattenkondensatorbezieliung
C (u ) ^o ■ Si . ^diffundierte Diode
* d (5, UR)
beschrieben wird.
PHD 1724
(EV 4489) _ 2 -
309813/0540
Außerdem sind bereits sogenannte MOS-Varaktoren bekannt
(DT-OS 1 955 545, DT-OS 2 000 390, DT-OS 1 951 243,
DT-OS 2 056 277, AEÜ 20 (1966), Nr. 5, S. 241 ff.). Diese Kapazitätsbauelemente bestehen aus einem Halbleiterkörper,
nseite
auf dessen einer Oberfläche/eine Isolierschicht, z.B. eine Oxidschicht, angeordnet ist. Auf der Isolierschicht befindet sich eine Metallelektrode, während auf der der Isolierschicht gegenüberliegenden Oberflächenseite des Halbleiterkörpers eine zweite Metallelektrode vorgesehen ist. Wird zwischen den beiden Metallelektroden eine Spannung angelegt, wirkt das Bauelement als spannungsabhängige Kapazität, wobei der Kapazitätswert von der Dicke der isolierenden Oxidschicht, der Dotierung des Halbleiterkörpers und dem Wert der angelegten Spannung abhängig ist und sich aus der Reihenschaltung der konstanten Kapazität der Oxidschicht und der variablen Kapazität im Halbleiterkörper zusammensetzt. Die Kapazität der isolierenden Oxidschicht kann durch folgende zur Plattenkondensatorbeziehung analoge Gleichung beschrieben werden:
auf dessen einer Oberfläche/eine Isolierschicht, z.B. eine Oxidschicht, angeordnet ist. Auf der Isolierschicht befindet sich eine Metallelektrode, während auf der der Isolierschicht gegenüberliegenden Oberflächenseite des Halbleiterkörpers eine zweite Metallelektrode vorgesehen ist. Wird zwischen den beiden Metallelektroden eine Spannung angelegt, wirkt das Bauelement als spannungsabhängige Kapazität, wobei der Kapazitätswert von der Dicke der isolierenden Oxidschicht, der Dotierung des Halbleiterkörpers und dem Wert der angelegten Spannung abhängig ist und sich aus der Reihenschaltung der konstanten Kapazität der Oxidschicht und der variablen Kapazität im Halbleiterkörper zusammensetzt. Die Kapazität der isolierenden Oxidschicht kann durch folgende zur Plattenkondensatorbeziehung analoge Gleichung beschrieben werden:
C = ° . ^Oxidschicht . ^Metall Oxidschicht
Die Kapazität im Halbleiterkörper, z.B. aus p-Silizium, ändert
sich mit der angelegten Spannung. Bei hoher negativer Spannung an der Metallelektrode auf der Oxidschicht mißt man praktisch
nur die Oxidkapazität, denn es bildet sich eine Anreicherungsschicht von löchern an der Grenzfläche zwischen Halbleiterkörper
und Oxidschicht. Wird nun die negative Spannung erniedrigt, so wird die Löcherkonzentration abgebaut, und es bildet sich
schließlich eine Verarmungsrandschicht. Die an Trägern verarmte Zone verhält sich wie ein zusätzliches Dielektrikum. Dadurch
wird die Gesamtkapazität erniedrigt. Die Kurve durchläuft ein Minimum und steigt im positiven Spannungsbereich wieder an.
Der Anstieg ist auf die Ausbildung einer aus Elektronen bestehenden Inversionsschicht zurückzuführen. Die Kapazität dieser
Inversionsschicht kann ebenfalls durch eine zur Platten-
- 3 30981 3./05A0
-3- 2H7291
kondensatorbeziehung analoge Gleichung ausgedrückt werd-a:
C (υ ) ° ' Si · Invg^sionsschicht ' R'
inversionsschicht ^?» UR' ^Oxidschicht^
Es sind nun auch verschiedene Versuche gemacht worden, den Kapazitätshub von Halbleiterbauelementen mit steuerbarer Kapazität
durch Kombinationseffekte zu vergrößern.
So ist es bekannt, bei Halbleiteranordnungen mit mehreren pn-Übergängen, die als spannungsabhängige Kapazität verwendet
werden sollen, die einzelnen spannungsabhängigen Kapazitäten der Raumladungszonen der Halbleiter-Obergänge durch entsprechende
Steuerung der !leitfähigkeit des zwischen den Zonen entgegengesetzten Leitungstyps liegenden Teils des Halbleiterkörpers
durch Parallelschaltung zu vergrößern (DT-OS 1 514 431).
Weiter ist es bekannt, den Kapazitätshub von Kapazitätsdioden dadurch zu vergrößern, daß mit Hilfe einer Inversionszone ein
in seiner Größe veränderbarer pn-übergang gebildet wird. (DT-OS 1 950 478).
Machteilig bei diesen Bauelementen ist, daß sie als Dreipol
ausgebildet werden müssen, daß sie also einer zusätzlichen Hilfe- oder Steuerelektrode bedürfen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kapazitätsdiode hohen Kapazitätshubs mit einer den Erfordernissen angepaßten
Kennlinie zu schaffen, die diesen Nachteil nicht aufweist, d.h. als Zweipol ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Halbleiterkörper
aus p-Silizium, eine η-Zone in diesem Halbleiterkörper, einen die η-Zone umgebenden p+-Channel-Stopper, eine
auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers zwischen Channel-Stopper und η-Zone befindliche Oxidschicht, eine Anodenmetallisierung
auf der η-Zone und eine einen Teil
- 4 309813/0 540
-4- 2U7291
der Oxidschicht bedeckende und mit dem Channel-Stopper elektrisch verbundene Feldsteuerelektrode, wobei der Halbleiterkörper
und/oder die Oxidschicht so vorbehandelt sind, daß sich zwischen der η-Zone und dem Channel-Stopper eine Inversionsschicht
ausbildet, die durch eine sswischen Kathode und Anode in Sperrichtung angelegte Spannung und durch die Geometrie
der Peldsteuerelektrode beeinflußbar ist.
Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, daß es durch eine besondere Parallelschaltung der Kapazitäten der Raumladungszone
eines pn-Überganges, einer Oxidschicht und einer Inversionsschicht
möglich ist, ein Bauelement mit besonders hohem Kapazitätshub herzustellen, ohne daß eine zusätzliche Hilfs-
oder Steuerelektrode erforderlich ist.
Mit Hilfe der Planartechnik ist diese Parallelschaltung besonders
einfach zu realisieren.
Um eine Inversionskapazität zu erhalten, müssen entsprechende Verfahrensschritte unternommen werden. Dies geschieht nach einer
weiteren Ausbildung der Erfindung dadurch, daß eine die Inversion begünstigende hochohmige Schicht an der der Oxidschicht
benachbarten Seite des Halbleiterkörpers durch einfache oder mehrfache Ausdiffusion, durch gezielte Kompensationsdiffusion,
durch Ionenimplantation oder durch Epitaxie hergestellt wird.
Um einen positiven Ladungsüberschuß zu erhalten, werden nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung feste positive Ladungen
mit Hilfe der Ionenimplantationsteehnik in die den Halbleiterkörper abdeckende Oxidschicht eingebaut, und es kann die
Oxidschicht mit einer zusätzlichen pyrolytischen Oxidschicht hoher positiver Ladung großer Stabilität z.B. mit Hilfe der
Sputter-Technik versehen werden.
lebens
Zur Gewährleistung der LangzeitxLauer wird das Bauelement nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung mit einer Nitridschicht (nitride sealing) als Schutzschicht gegen Oberflächeneinflüsse versehen.
Zur Gewährleistung der LangzeitxLauer wird das Bauelement nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung mit einer Nitridschicht (nitride sealing) als Schutzschicht gegen Oberflächeneinflüsse versehen.
- 5 30981 3/0B60
Zur Steuerung der C ^ -Werte bei gegebenem Cx werden nach
weiteren Ausbildungen der Erfindung folgende Maßnahmen getroffen:
1. Sowohl der Peldsteuerelektrode (aueh field control electrode
oder kurz PCE genannt) als auch der Anodenmetallisierung kann eine den Erfordernissen angepaßte Konfiguration,
z.B. kammartige oder spiralförmige Geometrie, gegeben werden.
2, Die Anodenmetallisierung wird in Form eines Overlay-Kontaktes
(über oder unter der PCE-Metallisierung) ausgeführt. Bei Anwendung der Overlay-Technik kann ein Nitrid als Isolationsschicht
verwendet werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Bauelement nach der Erfindung auf eine besondere
Steuerelektrode verzichten kann und trotzdem einen großen Kapazitätshub und eine gute Anpaßbarkeit der Kennlinie an die
Erfordernisse aufweist.
Zwei Ausführungebeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Pig. 1 die Diode nach Pig. 2 oder 3 im Querschnitt Pig. 2 die Draufsicht auf die Diode
Pig. 3 die Draufsicht auf die Diode mit PCE-Metallisierung
in kammartiger Geometrie
Pig. 4 die Draufsicht auf die Diode mit PCE-Metallisierung in kammartiger Geometrie und Anodenmetallisierung
ebenfalls in kammartiger Geometrie
Pig. 5 die Diode im Querschnitt längs der Linie A/B nach Pig.
Pig. 6 das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild für die Parallelschaltung der drei Kapazitäten
- 6 3 098 13/05/»0
Pig, 7 die Spannungs-Kapazitäts-Verlaufe eines Bauelements
nach der Erfindung und einer normalen Sperrschicht-Kapazitätsdiode.
Bei der Herstellung der in Pig. 1 gezeigten Diode wird von einem Bor-dotierten p-Si-Halbleiterkörper 1 ausgegangen. Die
Oxidschicht 2 auf dem Halbleiterkörper 1 wird z.B. durch thermische Oxidation in feuchter Sauerstoffatmosphäre bei
Temperaturen > 11000C gebildet.
Während dieser thermischen Oxidation kommt es durch Ausdiffusion
von Bor in das SiO2 zur Bildung einer hochohmigen, die
Inversion begünstigenden Schicht 3, denn für Bor gilt ein Segregationskoeffizient
< 1; d.h. das SiO2 in unmittelbarer Nähe des Silizium enthält größenordnungsmäßig ebenso viel Bor wie
das Silizium selbst. Mit diesem Prozeß wird eine gezielte Verarmung
der p-Si-Oberflache bewirkt.
Die durch thermische Oxidation gebildete Oxidschicht 2 kann eine Dicke von etwa 0,4 pm haben. Bei p-Silizium höherer Leitfähigkeit
kann der Oxidationsprozeß wiederholt werden, um die Ausbildung der Inversionsschicht zu begünstigen.
Die Bildung der die Inversion begünstigenden hochohmigen Schicht 3 braucht nicht durch einfache oder mehrfache Ausdiffusion
des Bors zu erfolgen, sondern kann auch durch gezielte Kompensationsdiffusion aus einer η-dotierenden Quelle oder mit
Hilfe der Ionenimplantationstechnik durch Einbau von n-dotierenden Störstellen (Elemente der V. Gruppe des periodischen
Systems) oder durch Epitaxie erfolgen.
In die Oxidschicht 2 können mit Hilfe der Ionenimplantationstechnik zusätzliche positive feste Ladungen eingebaut werden.
Nach der Oxidation wird die Halbleiterscheibe mit einer Photomaske
versehen, die das Channel-Stopper-Gebiet 5 freilegt; der Channel-Stopper 5 wird mit Hilfe einer hochdotierenden Bordif-
- 7 .') 0 9 8 13/054 0
-7- 2U7291
fusion ausgebildet. Der nächste Fertigungsschritt ist die
Bedeckung der Seheibe mit einer weiteren Oxidschicht 6 hoher positiver Ladung, z.B. mit Hilfe der Sputter-Ieehnik,
um einen positiven Ladungsüberschuß an der anodenseitigen Oberfläche des Bauelements zu erhalten und damit die Ausbildung
des Channels zu begünstigen. Die Scheibe wird erneut
einem Photoschritt (Photomaskierung und anschließender Xtzprozeß) zur öffnung des Anodenfeneters 7 unterworfen. Die
Anodendiffusion kann aus einer ΡΟΟΙ,-Quelle bei ca. 11000C
erfolgen. Durch einen erneuten Photoschritt (Photomaskierung und anschließender Ätzprozeß) werden der Channel-Stopper 5
und das Anodenfenster 7 freigelegt.
Zum hermetischen Abschluß des Bauelements gegenüber atmosphärischen
Einflüssen wird die Scheibe mit einer Nitridschicht 8 (nitride sealing) bedeckt. Ein Photoschritt (Photomaskierung
und anschlieBender Ätzprozeß) führt zur erneuten öffnung der
Eontaktfenster für die Anodenmetallisierung 9 und für die FCE-Metallisierung
10, die sich über die Nitridschicht 8 bis in den Channel-Stopper 5 hinein erstreckt und damit auf Kathodenpotential
liegt.
Zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse des Bauelements seien die folgenden Zahlen genannt:
Die Fläche des Kristallchips beträgt z.B. 1200 χ 1200 μΒΐ2,
die der Anodenmetallisierung 9 ohne kammförmige Geometrie (vgl. Fig. 2) 300 χ 300 um2. Die Größe der FCE-Metaiiisierung
10 ist abhängig ¥om gewünschten Profilverlauf der Diode; sie kann so klein gewählt werden, daß sie gerade den Bereich des
Channel-Stoppers 5 umfaßt, sie kann aber auch die gesamte Kristallfläche abzüglich der Fläche der diffundierten Diode
einnehmen. Die Dicke der Oxidschicht 6 plus der Nitridschicht kann zwischen 0,2 und 2 μπι liegen, die Dicke der Metallisierungsschichten
9 und 10 kann zwischen 0,6 und 1,2 μΐη liegen.
Der Kennlinienverlauf des Bauelements ist über die Konfiguration
sowohl der Anodenmetallisierung 9 als auch der FCE-Metallisierung
10 zu beeinflussen.
309813/0540 " 8 "
--β- 2U7291
Die FCE-Metallisierung 10, die eine zur Anode entgegengesetzte
Polarität besitzt, saugt positive bewegliche Ladungen des Oxids 2 ab. Der Effekt ist eine Verkleinerung der Inversionsschicht
3 unter der FCE 10.
Diesem Effekt kann teilweise entgegengewirkt werden durch eine kammförmige Geometrie der Anodenmetallisierung 9>
wobei sich die Zinken der Anodenmetallisierung 9 mäanderförmig in die Zwischenräume der Zinken der FCE-Metallisierung 10 erstrecken.
Pig. 2 zeigt die Draufsicht auf ein Bauelement nach der Erfindung mit der Anodenmetallisierung 9, der Nitridschicht 8 als
nitride-sealing-Schicht des Halbleiterkörpers und der FGE 10. Für die Metallkontakte wird vorzugsweise Aluminium verwendet.
Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf ein Bauelement nach der Erfindung,
wenn der FCE 10 eine kammförmige Geometrie gegeben wird.
Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf ein Bauelement nach der Erfindung,
wenn sowohl der FCE 10 als auch der Anodenmetallisierung 9 eine kammförmige Geometrie gegeben wird. Die Zinken der Metallisierungen
9 und 10 erstrecken sich mäanderförmig ineinander .
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch das Bauelement nach der Erfindung;
der Schnitt verläuft längs der Linie A/B aus Fig. 4.
Fig. 6 zeigt das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild der Parallelschaltung der drei Kapazitäten:
FCE
C1 = -3—— ; O0 = C Inversionsschicht;
C1 = -3—— ; O0 = C Inversionsschicht;
Ί a0xid ά
°3 "■ Sperrschicht.
— 9 — 309813/05A0
Fig. 7 zeigt den Spannungs-Kapazitäts-Verlauf einer MOS-Varicap
gemäß der Erfindung (a) und den Spannungs-Kapazitäts-Verlauf einer Diode gleicher Größe ohne Inversionsschicht
(b). Der im Vergleich zur Kennlinie (b) viel steilere Verlauf der Kennlinie (a) ist auf die Parallelschaltung
der drei im erfindungsgemäßen Bauelement vereinigten Kapazitäten
CG G
FCE + Inversionsschicht + Sperrschicht
d0xid
zurückzuführen.
zurückzuführen.
Patentansprüche:
30981 3/0540
Claims (16)
- Patentansprüche:Ί .^ Planare, aus der Parallelschaltung einer Sperrschicht- und einer MOS-Kapazität gebildete Kapazitätsdiode großen Hubs, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper aus p-Silizium (1), eine n-Zone (7) in diesem Halbleiterkörper (1), einen die n-Zone (7) umgebenden p+-Channel-Stopper (5), eine auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) zwischen Channel» Stopper (5) und n-Zone (7) befindliche Oxidschicht (2), eine Anodenmetallisierung (9) auf der n-Zone (7) und eine einen Teil der Oxidschicht (2) bedeckende und mit dem Channel-Stopper (5) elektrisch verbundene Feldsteuerelektrode (10), wobei der Halbleiterkörper (1) und/oder die Oxidschicht (2) so vorbehandelt sind, daß sich zwischen der n-Zone (7) und dem Channel-Stopper (5) eine Inversionsschicht (3) ausgebildet, die durch eine zwischen Kathode und Anode in Sperrichtung angelegte Spannung und durch die Geometrie der Peldsteuerelektrode (10) beeinflußbar ist»
- 2. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Silizium-Halbleiterkörper (1) mit Bor dotiert wird.
- 3. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Inversion begünstigende Schicht (3) an der der Oxidschicht (2) benachbarten Seite des Halbleiterkörpers (1) durch einfache oder mehrfache Ausdiffusion hergestellt wird.
- 4. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Inversion begünstigende Schicht (3) an der der Oxidschicht (2) benachbarten Seite des Halbleiterkörpers (1) durch Epitaxie hergestellt wird.
- 5. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Inversion begünstigende Schicht (3) an der der Oxidschicht (2) benachbarten Seite des Halbleiterkörpers (1) durch gezielte Kompensationsdiffusion hergestellt wird.309313/0540 - 11 -2U7291
- 6. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Inversion begünstigende Schicht (3) an der der Oxidschicht (2) benachbarten Seite des Halbleiterkörpers (1) durch Ionenimplantation hergestellt wird.
- 7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Inversion begünstigende Schicht (3) hochohmig aus-r gebildet wird.
- 8. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die den Halbleiterkörper abdeckende Oxidschicht (2) feste, positive Ladungen mit Hilfe der Ionenimplantation eingebaut werden.
- 9. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Halbleiterkörper (1) abdeckende Oxidschicht (2) und der Channel-Stopper (5) mit einer zusätzlichen pyrolytischen Oxidschicht (6) hoher positver ladung großer Stabilität z.B. mit Hilfe der Sputter-Technik versehen werden.
- 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Oxidschicht (2) und den Channel-Stopper (5) abdeckende pyrolytische Oxidschicht (6) mit einer Nitridschicht (8) (nitride sealing) versehen wird.
- 11. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldsteuerelektrode (FCE-Metallisierung) (10) eine kammartige Geometrie besitzt.
- 12. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenmetallisierung (9) eine kammartige Geometrie besitzt, wobei die Zinken des Kammes der Anodenmetallisierung (9) sich mäanderförmig in die Zwischenräume zwischen den Zinken der FCE-Metallisierung (10) erstrecken.
- 13. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die FCE-Metallisierung (10) eine spiralförmige Geometrie besitzt.309813/05^02U7291
- 14. Kapazitätsdiode nacht Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenmetallisierung (9) eine spiralförmige Geometrie besitzt.
- 15· Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenmetallisierung (9) als Överlay-Kontakt ausgebildet wird und über oder unter der FOE-Metallisierung (10) liegt.
- 16. Verfahren nach. Anspruch 15« dadurch gekennzeichnet, daß bei Herstellung eines Overlay-Kontaktes ein Nitrid als Isolationsschicht verwendet wird.309813/0540Leerseite
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