DE2147291C3

DE2147291C3 - Kapazitätsdiode mit einem großen Kapazitätshub und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2147291C3
Application number: DE2147291A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Phys. 2000 Hamburg Sauermann; Gerhard 2000 Schenefeld Winkler
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1971-09-22
Filing date: 1971-09-22
Publication date: 1980-09-18
Also published as: FR2153414A1; DE2147291A1; JPS4840388A; NL7212603A; JPS5144070B2; FR2153414B1; IT975019B; CA978659A; DE2147291B2; GB1388321A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kapazitätsdiode mit einem großen Kapazitätshub, bei der die Kapazität aus der Parallelschaltung einer Sperrschichtkapazität zwischen einem Halbleiterkörper vom ersten Leitungstyp und einer in ihn eingebvachtcn Zone vom entgegengesetzten, zweiten Leitungstyp und einer von einer durch eine Isolierschicht vom Halbleiterkörper getrennten Feldsteuerelektrode beeinflußten Kapazität zwischen dem Halbleitersubstrat und einer Inversionsschicht an der Halbleiterkörperoberfläche gebildet wird.

Es sind bereits Varaktoren, d. h. Halbleiterbauelemente mit spannungsabhängiger Kapazität, bekanntgeworden, die im Halbleiterkörper einen PN-Übergang aufweisen. Die Raumladungszone dieses PN-Überganges stellt eine spannungsabhängige Kapazität dar. deren Größe durch die zur Plattenkondensalorbezichung analoge Gleichung

C_K(U_K)

'Il ' ' //(. ' I'll

tl_K(,j, U₁₁)

beschrieben wird. Darin bedeuten:

Ch — Kapazität der Raumladungszone

Uh = Spannung an der Raumladungszone

E₁, = 0,8855 ■ 10 "Farad/cm

s/w = Dielektrizitätskonstante des

Halbleitermaterial

Fr = Fläche der diffundierten Diode

du = Dicke der Raumladungszone

'. = Raumladungsdichtc im Halbleiter

Außerdem sind bereits sogenannte MOS-Varaktoren bekannt (DE-OS 10 55 345, DE-OS 20 00 390, DE-OS 1951243. DE-OS 2056277, AEÜ 20 (1966). Nr. 5. S. 241 ff.). Diese Kapa/.itätsbauelemcnte bestehen aus einem Halbleiterkörper, auf dessen einer Oberflächenseite eine Isolierschicht, z. B. eine Oxidschicht, angeordnet ist. Auf der Isolierschicht befindet sich eine Metallelektrode, während auf der der Isolierschicht gegenüberliegenden Obcrflächcnscitc des Halbleiterkörper? eine zweite Metallelektrode vorgesehen ist. Wird zwischen den beiden Mclallelektroden 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;

d,

r>

Darin bedeuten:

Q = Kapazität der Isolierschicht

ε,-, = 0,8855 · 10-'³Farad/cm

ει = Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht

F_M = Fläche der Metallelektrode

di = Dicke der Isolierschicht

Die Kapu/iläl im I lalbleilerkörpcr. z. B. ims P-Silicium, ändert sich mit der angelegten Spannung. Bei hoher negativer Spannung an der Metallelektrode auf der >o Oxidschicht mißt man praktisch nur die Oxidkapazität, denn es bildet sich eine Anreicherungsschicht vor Löchern an der Grenzfläche zwischen Halblei isrkörper und Oxidschicht Wird nun die negative Spannung erniedrigt, so wird die Löcherkonzentration abgebaut >ϊ 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 j» wieder an. Der Anstieg ist auf die Ausbildung einer aus Elektronen bestehenden Inversionsschicht zurückzuführen. Die Kapazität dieser Inversionsschicht kann ebenfalls durch eine zur Plattcnkondensatorbeziehung analoge Gleichung ausgedrückt werden: η

mit Q Ladungsdichtc in der Oxidschicht

Es sind n^n auch verschiedene Versuche gemacht worden, den Kapazitätshub von Halbleiterbauelementen mit steuerbarer Kapazität durch Kombinationscffektc zu vergrößern.

So ist es bekannt, bei Halbleiteranordnungcn mit mehreren PN-Übergängen, die als spannungsabhängige Kapazität verwendet werden solltn, die einzelnen spannungsabhängigen Kapazitäten der Raumladungszonen der Halbleiter-Übergänge durch entsprechende Steuerung der Leitfähigkeit des zwischen den Zonen entgegengesetzten Lcituv/gstyps liegenden Teils des Halbleiterkörpers durch Parallelschaltung zu vergrößern (DE-GS 15 14 431).

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 (DE-OS 19 50 478).

Nachteilig bei diesen Bauelementen ist, daß sie als Dreipol ausgebildet werden müssen, daß sic also einer zusätzlichen Hilfs- oder Steuerelektrode bedürfen.

Weiter ist es bekannt, bei planaren Halbleiterbauelementen zur Verhinderung eines Obcrflächcnkurzschlusses des PN-Übcrganges eine mit einer kanalunterbrcchcndtin Zone auf gleichen Potential liegende FcIdsteucrelcktrodc vorzusehen (FR-PS 15 34 295).

Die Erfindung geht somit aus von einer Kapazitätsdiode mit einem großen Kapazitätshiib der eingangs genannten Art.

Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine .solche Kapazitätsdiode zu schaffen, die keines zusiit/lichen Hilfsodcr Steuernnschlus;»es bedarf, d, h- als Zweipol ausgebildet ist und deren Konnlinie sich den durch ihre Anwendung bedingten Erfordernissen anpassen läßt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eingebrachte Zone durch eine an die Halbleiterkörperoberfläche angrenzende, niederohmige, kanalunterbrechende Zone vom ersten Leitungstyp in Abstand umgeben ist, daß an der der Feldsteuerelektrode benachbarten Seite des Halbleiterkörpers einp die Inversion begünstigende hochohmige Halbleiterschicht gleichen Leitungstyps wie das Substrat vorhanden ist, und daß die Feldsteuerelektrode mit der kanalunterbrechenden Zone, welche das Potential des Halbleitersubstrats hat elektrisch verbunden ist

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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 Kap3zität5hub und eine gute Anpaßbarkeit der Kennlinie an die Erfordernisse der Praxis aufweist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Diode nach F i g. 2 oder 3 im Querschnitt,

F i g. 2 die Draufsicht auf die Diode,

Fig. 3 die Draufsicht auf die Diode mit einer Feldsteuerelektrode in kammartiger Geometrie,

Fig.4 die Draufsicht auf die Diode mit einer Feldsteuerelektrode in kammartiger Geometrie und einer die eingebrachte Zone kontaktierenden Elektrode ebenfalls in kammartiger Geometrie,

Fi g. 5 die Diode im Querschnitt längs der Linie V-V nach F i g. 4,

Fig.6 das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild für die Parallelschaltung der drei Kapazitäten,

Fig. 7 die Spannungs-Kapazitäls-Verläufe eines Bauelements nach der Erfindung und einer normalen Sp& rschicht-Kapazitätsdiode.

Bei der Herstellung der in Fig. I 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 >1100°C gebildet.

Während dieser thermischen Oxidation kommt es durch Ausdiffusion von Bor in das S1O2 zur Bildung einer hochohmigen, die Inversion begünstigenden Schicht 3, denn für Bor gilt ein Segregationskoeffizient < I; d. h. das S1O2 in unmittelbarer Nähe des Siliziums enthäit größenordnungsmäßig ebenso viel Bor wie das Silizium selbst. Mit diesem Prozeß wird eine gezielte Verarmung der P-Si-Oberfläche bewirkt.

Die durch thermische Oxidation gebildete Oxidschicht 2 kann eine Dicke von etwa 0,4 μιτι haben. Bei P-Silizium höherer Leitfähigkeit kann der Oxidationsprozeß wiederhol· werden, um die Ausbildung der Inversionsschicht zu begünstigen.

Die Bildung der die Inversion begünstigenden hochohmigen Schicht 3 braucht nicht chrch einfache oder mehrfache Ausdiffusion des Bors zu erfolgen, sondern kann auch durch gezielte Kompcnsationsdiffusion aus einer N-doticrenden Quelle oder mit Hilfe der lonenimplantationstechnik durch Einbau von N-doticrenden Störstellen (Elemente der V. GruDDC des

periodischen Systems) oder durch Epitaxie erfolgen.

In die Oxidschicht 2 können mit Hilfe der lonenimplantationstechnik zusätzliche positive feste Ladungen eingebaut werden.

Nach der Oxidation wird die Halbleiterscheibe mit einer Photomaske versehen, die die kanaliinterbrechende Zone 5 freilegt; die kanalunlerbrechende Zone 5 wird mit Hilfe einer hochdotierenden Bordiffusion ausgebildet. Der nächste Fertigungsschritt ist die Bedeckung der Scheibe mit einer weiteren Oxidschicht 6 hoher positiver Ladung, z. B. mit Hilfe der Sputter-Technik, um einen positiven LadungsüberschuO an der anodenseitigen Oberfläche des Bauelements zu erhalten und damit die Ausbildung des Kanals zu begünstigen. Die Scheibe wird erneut einem Photoschritt (Photomaskierung und anschließender Ätzprozeß) zur öffnung des Fensters für die Anodenzone 7 unterworfen. Die Anodcndiffusion kiinn ;tus einer l'OC'li-Qiielle bei cn.

ί !00"C" ι-1 'mi^cn. ίΐιιιι/ίι emeu eiiieuien riitiiiischi lii (Pholoniaskicrung und anschließender Ät/pro/eU) wer den die kanalunlerbrechende /.one 5 und das Fenster für die Anodenzone 7 freigelegt.

Zum hermetischen Abschluß des Bauelements gegenüber atmosphärischen Einflüssen wird die Scheibe mit einer Nitridschicht 8 bedeckt. Ein Photoschritt (Photomaskierung und anschließender Ätzprozeß) führt zur erneuten öffnung der Kontaktfenster für die die eingebrachte Zone 7 kontaktierende Elektrode 9 und für die Feldsteuerelektrode 10, die sich über die Nitridschicht 8 bis in die kanalunterbrechende Zone 5 hinein erstreckt und damit auf Kathodenpotential liegt.

Zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse di:s Bauelements seien die folgenden Zahlen genannt:

Die Fläche des Kristallchips beträgt z. 8. 1200 χ 1200 μπι², die der Anodenmetallisierung 9 ohne kammförmige Geometrie (vgl. F i g. 2) 300 χ 300 μην. Die Größe der Feldsteuerelektrode 10 ist abhängig vom gewünschten Profilverlauf der Diode: sie kann so klein gewählt werden, daß sie gerade den Bereich der kanalunterbrechenden Zone 5 umfaßt, sie kann aber auch die gesamte Kristallfläche abzüglich der Fläche der diffundierten Anodenzone einnehmen. Die Dicke der Oxidschicht 6 plus der Nitridschicht 8 kann zwischen 0.2 und 2 (im liegen, die Dicke der Mctallisicrungsschichtcn 9 und 10 kann zwischen 0.6 und 1.2 μπι liegen.

Der Kennlinienverlauf des Bauelements ist über die Konfiguration sowohl der Elektrode 9 als auch der Feldsteuerelektrode 10 zu beeinflussen.

Die Feldsteuerelektrode 10, die eine zur Anode entgegengesetzte Polarität besitzt, saugt positive bewegliche Ladungen des Oxids 2 ab. Der Effekt ist eine Verkleinerung der die inversion begünstigenden Schicht 3 unler der l'cldsteuereleklrnde 10.

Diesem Effekt kann teilweise entgegengewirkt werden durch eine kammförmige Geometrie der Elektrode 9, wobei sich die Zinken der Anodenmetallisierung 9 mäanderförmig in die Zwischenräume der Zinken der Feldsteuerelektrode 10 erstrecken.

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf ein Bauelement nach der Erfindung mit der Elektrode 9, der Nitridschicht 8 und der Feldsteuerelektrode 10. Für die Metallkontakte wird vorzugsweise Aluminium verwendet.

Fig.3 zeigt die Draufsicht auf ein Bauelement nach der Erfindung, wenn der Feldsteuerelektrode 10 eine kammförmige Geometrie gegeben wird.

F ί g. 4 /.cigt die DfäüiSiCni äüi ein LfäüClciTiCm HaCu

der txfindung, wenn sowohl der Feldsteuerelektrode 10 als auch der die Zone 7 kontaktierenden Elektrode 9 eint- kammförmige Geometrie gegeben wird. Die Zinken der Elektroden 9 und 10 erstrecken sich mäanderförmig ineinander.

F i g. 5 zeigt einen Schnitt durch das Bauelement nach der Erfindung: der Schnitt verläuft lungs der Linie VA aus F i g. 4.

F i g. f T.eigt das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild der Parallelschaltung der drei Kapazitäten:

Ci =

Ci=C Si

C- ■= C₁

F i g. 7 zeigt den Spannungs-Kapazitäts-Verlauf einer Kapazitätsdiode 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 Bauelement vereinigten Kapazitäten

f Ιν,.Ι,,,ν, hi. In + C|i_l>t.rM„,t>%_l-hKhi + C Sp₁CiV, hu In 4)

zurückzuführen.

Hierzu 4 Blatt Zcichnuimcn

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitätsdiode mit einem großen Kapazitätshub, bei der die Kapazität aus der Parallelschaltung einer Sperrschichtkapazität zwischen einem Halbleiterkörper vom ersten Leitungstyp und einer in ihn eingebrachten Zone vom entgegengesetzten, zweiten Leitungstyp und einer von einer durch eine Isolierschicht vom Halbleiterkörper getrennten Feldsteuerelektrode beeinflußten Kapazität zwischen dem Halbleitersubstrat und einer Inversionsschicht an der Halbleiterkörperoberfläche gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachte Zone (7) durch eine an die Halbleiterkörperoberfläche angrenzende, niederohmige, kanalunterbrechende Zone (5) vom ersten Leitungstyp in Abstand umgeben ist, daß an der der Feldsteuerelektrode (10) benachbarten Seite des Halbleiterkörpers (1) eine die Inversion begünstigende hocliohmige Halbleiterschicht (3) gleichen Leitungstyps wie das Substrat vorhanden ist, uv.d daß die Feldsteuerelektrode (10) mit der kanalunterbrechenden Zone (5), weiche das Potential des Halbleitersubstrats hat, elektrisch verbunden ist

2. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Substrat aus Silicium besteht und P-Ieitend ist und daß wenigstens die an die Halbleiterkörperoberfläche angrenzende Isolierschicht aus Siliciumoxid besteht.

3. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldsteuerelektrode (10) eine kammartige Geometrie besitzt.

4. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die eingebrachte Zone (7) kontaktierende Elektrode (5, eine kammartige Geometrie besitzt, wobei die Zinken des Kammes dieser Elektrode (9) sich mäanderförmig in die Zwischenräume der Zinken der Feldstcuerelektrodc (10) erstrecken.

5. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldsteuerelektrode (10) eine spiralförmige Geometrie besitzt.

6. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die eingebrachte Zone (7) kontaktierende Elektrode (9) eine spiralförmige Geometrie besitzt.

7. Kapazitätsdiode nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet. daß die den Halbleiterkörper (I) abdeckende Isolierschicht (2) und die kiinalimicrhrcehcnde Zone (5) mil einer pyrolylischcn Oxidschicht (6). in die erhöhte positive !.ndungen eingebaut sind. bedeckt sind.

8. Kapazitätsdiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Isolierschicht (2) und die kanalunterbrechende Zone (5) abdeckende pyrolytiiche Oxidschicht (6) mit einer Nitridschicht (8) versehen ist.

9. Kapazitätsdiode nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die die eingebrachte Zone (7) kontaktierende Elektrode (9) über oder unter der Feldsteuerelektrode (10) liegt.

10. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die die Inversion begünstigende, hochohmigc Halblciterschicht (3) durch einfache oder mehrfache Ausdiffusion hergestellt wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Inversion begünstigende, hochohmige Halbleiterschicht (3) durch Epitaxie hergestellt wird,

12, Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die die Inversion begünstigende, hochohmige Halpleiterschicht (3) durch gezielte Kompensationsdiffusion hergestellt wird.

13. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Inversion begünstigende:, hochohmige Halbleiterschicht (3) durch Ionenimplantation hergestellt wird.

!4. Verfahren zur Herstellung einer Kapazitätsdiode nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß in die Isolierschicht auf der Halbleiteroberfläche ortsfeste, positive Ladungen mit Hilfe der Ionenimplantation eingebaut werden.