DE2212196A1

DE2212196A1 - Kondensator für monolithische Halbleiterschaltungen

Info

Publication number: DE2212196A1
Application number: DE19722212196
Authority: DE
Inventors: Roy Ralph Wappinger Falls; Linton Richard Henry Poughkeepsie; N.Y. DeSimone (V.StA.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-03-30
Filing date: 1972-03-14
Publication date: 1972-10-05
Also published as: JPS55169868U; GB1360578A; JPS5615811Y2; FR2131994A1; FR2131994B1; US3704384A

Description

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket PO 970 063

Kondensator für monolithische Halbleiterschaltungen

Die Erfindung betrifft die Struktur eines Kondensators für monolithische Halbleiterschaltungen, insbesondere eines Kondensators, der in einer Schaltung zusammen mit einem Feldeffekttransistor verwendbar ist.

Aus dem US-Patent 3 564 290 ist bereits ein Feldeffekttransistor bekannt, bei dem ein Koppelkondensator zwischen Source und Gate eingeschaltet ist. Dieser Kondensator läßt die Spannung am Gate ansteigen, wenn die Spannung an der Source ansteigt. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß sich mit geringen Potentialen am Gate große Potentiale zwischen Source und Drain des Feldeffekttransistors steuern lassen. In dem genannten US-Patent ist beschrieben, daß dieser Kondensator dadurch gebildet wird, daß das Gate des Feldeffekttransistors einen Teil der Sourcediffusion überdeckt und dadurch die erforderliche Kopplungskapazität bildet. Diese bekannte Struktur eines Kondensators läßt sich in Verbindung mit vielen Herstellungsprozessen für Feldeffekttransistor-Schaltungen verwirklichen. Es gibt jedoch Herstellungsprozesse, wie beispielsweise den sogenannten Silicium-Gate-Prozeß, in Verbindung mit dem sich die bekannte Struktur eines Kondensators nicht verwirklichen läßt. Bei der Herstellung eines Feldeffekttransistors mit Hilfe des Silicium-Gate-Prozesses wird auf einem Siliciumsubstrat zunächst eine dünne Isolationsschicht und darüber eine

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Siliciumschlcht aufgebracht. Die Siliciumschicht und die Isolationsschicht werden dann an den Stellen, an denen die Diffusionen für Source und Drain erfolgen sollen, abgeätzt. Die Siliciumschicht wird nach Fertigstellung als Gate des Feldeffekttransistors verwendet. Daraus ist ersichtlich, daß es bei diesem Prozeß äußerst schwierig zu erreichen ist, daß sich die Diffusionszone und das Gate des Feldeffekttransistors um einen größeren Bereich überlappen. Unter Anwendung des Silicium-Gate-Prozesses läßt sich also der Koppelkondensator zwischen Gate und der Diffusionszone nicht in der bekannten Weise verwirklichen.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Kondensatorstruktur anzugeben, die sich auch mit bekannten Herstellungsprozessen für Feldeffekttransistoren, wie beispielsweise dem Silicium-Gate-Prozeß verwirklichen läßt. Außerdem ist es ein Ziel der Erfindung, einen Kondensator für monolithische Halbleiterschaltungen anzugeben, der relativ hohe Kapazitätswerte aufweisen kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in die Oberfläche eines Halbleiterkörpers eines ersten Leitfähigkeitstyps eine einen gleichrichtenden Halbleiterübergang bildende Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps eingebracht ist, daß auf einem Teilbereich der Oberfläche außerhalb der Zone eine isolierende Schicht als Dielektrikum und darüber eine leitende Schicht als die eine Kondensatorplatte aufgebracht ist und daß zwischen Zone und der einen Kondensatorplatte eine unterhalb dieser eine Ladungsschicht erzeugende Spannung angelegt ist, die einen Teil des gleichrichtenden Halbleiterüberganges neutralisiert und die andere Kondensatorplatte bildet.

Eine spezielle, vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß die Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps gleichzeitig die eine Stromflußelektrode eines zeitlich vom Kondensator integrierten Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate bildet. Insbesondere besteht die Weiterbildung darin, daß die eine Kondensatorplatte mit dem Gate des Feldeffekttransistors elektrisch gekoppelt ist.

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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels:

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung, bestehend aus der Kombination

eines Feldeffekttransistors und eines erfindungsgemäßen Kondensators,

Fig. 2 die Halbleiterstruktur der Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie 3-3 der

Struktur gemäß Fig. 2 und

Fig. 4 eine die Abhängigkeit der Kapazität des erfindungs-

gemäßen Kondensators von der angelegten Spannung wiedergebende Kurve«

In vielen Fällen ist es wünschenswert, einen Kondensator zwischen zwei Anschlüsse eines Feldeffekttransistors zu legen. So ist beispielsweise in der Schaltung gemäß Fig» 1 ein Kondensator 10 zwischen Gate G und Source S eines Feldeffekttransistors 12 eingefügt. Es ist üblich, einen derartigen Kondensator 10 dadurch zu verwirklichen, daß das aus einem Leiter bestehende Gate einen Teil der Sourcediffusion des Feldeffekttransistors überdeckt. Das Gate bildet dann die eine Platte und die Sourcediffusion die andere Platte des Kondensators. Die Oxidschicht zwischen Gate und Sourcediffusion bildet das Dielektrikum des Kondensators.

Bei einigen Herstellungsverfahren, beispielsweise dem sogenannten Silicium-Gate-Prozeß, ist die Herstellung eines Kondensators in Verbindung mit einem Feldeffekttransistor in der genannten Weise nicht möglich. Beim Silicium-Gate-Prozeß wird auf ein monolithisches Halbleiterplättchen zunächst eine Oxidschicht und darüber eine Siliciumschicht aufgebracht. Die Siliciumschicht wird dann

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an den Stellen, an denen die Drain- und Source-Diffusionen erfolgen sollen, abgeätzt. Die verbleibenden Reste der Siliciumschicht werden als Gate-Flächen des Feldeffekttransistors und für elektrische Verbindungen verwendet. Es zeigt sich dabei, daß das Gate bei diesem Prozeß die Drain-Diffusion nicht soweit überdecken kann, daß der eine Rückkopplung bildende Kondensator 10 entstehen würde.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Kondensators läßt sich, wie anhand der Fign. 2 und 3 zu ersehen ist, in einer mit dem Silicium-Gate-Prozeß kompatiblen Art verwirklichen. Die die dünne Oxidschicht 14 bedeckende Siliciumschicht ist durch Ätzen in zwei Bereiche aufgespalten. Der eine Bereich 16 bildet das Gate des Feldeffekttransistors 12, während der andere Bereich 18 eine der Platten des Kondensators 10 darstellt. Die Oxidschicht 14 wird dann entlang zweier streifenförmiger Gebiete entfernt, um hier die Diffusion von Source und Drain vorzunehmen. Bei dieser Diffusion entstehen die n-leitenden Zonen 20 und 22 innerhalb des p-leitenden Substrats 24 und bilden die Source und Drain. Nach der Diffusion wird die gesamte Struktur mit einer Oxidschicht 26 abgedeckt. In einem Ätzprozeß werden in dieser Oxidschicht die Kontaktlöcher freigeätzt und metallisiert, so daß die Metallkontakte 28, 30, und 34 für Drain, Source, Gate und Kondensatorplatte entstehen. Die Kontakte 32 und 34 für Gate und Kondensatorplatte werden durch einen Metallstreifen 36 verbunden, um die Gate-Kondensatorverbindung herzustellen, über eine Metallschicht 40 wird an das Substrat 24 ein negatives Potential -V als Vorspannung angelegt. Wenn nun der Sourceanschluß 30 gegenüber dem Gateanschluß 32 oder 34 negativ gemacht wird, wird unterhalb der Kondensatorplatte 18 von der Substratvorspannung -V eine negative Ladungsschicht erzeugt. Diese negative Ladung neutralisiert den gleichrichtenden übergang an der Sourcediffusion 20 gegenüber der Kondensatorplatte 18, so daß die Sourcediffusion 20 und die negative Ladung 38 die gleichmäßig leitende

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zweite Kondensatorplatte bilden. Die dünne Oxidschicht 14 unterhalb der Kondensatorplatte 18 bildet das Dielektrikum des Kondensators.

Die Kapazität des Kondensators (zwischen Platte 18 und Diffusion 20) ist eine Funktion der angelegten Spannung und zeigt einen Verlauf, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Ist die Spannung zwischen Kondensatorplatte 18 und der Diffusionszone 20 Null, so ist die Kapazität vernachlässigbar. Wird, jedoch die Spannung zwischen Gate und Source erhöht, so steigt die Kapazität beträchtlich an, bis sie bei einem bestimmten Spannungswert in die Sättigung gerät. Es hat sich gezeigt, daß sich auf diese Weise Kondensatoren mit wesentlich höheren Kapazitäten verwirklichen lassen als dies bei dem bekannten Verfahren möglich ist.

Bei der Herstellung dieser Struktur kann von normalen Störstellenkonzentrationen für den Feldeffekttransistor ausgegangen werden. Beispielsweise kann das p-leitende Substrat eine Störstellenkonzentration von 10 Störstellen/cm aufweisen, während für die Diffusionen 20 und 22 und die leitenden Schichten 16 und 18

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eine Störstellenkonzentration von 10 Störstellen/cm als brauchbar erwiesen hat. Der Wechselstromweg von der leitenden Schicht 18 zur Diffusion 20 ist infolge des gleichrichtenden Halbleiterüberganges hochohmig. Wie jedoch bereits ausgeführt, bildet die unterhalb der leitenden Kondensatorplatte 18 gebildete negative Ladung eine leitende Schicht, die die Impedanz dieses Wechselstromweges vermindert und mit der Sourcediffusion einen Kondensator bildet.

Es sei darauf hingewiesen, daß sich der erfindungsgemäße Kondensator nicht nur in Verbindung mit dem Silicium-Gate-Prozeß, sondern auch in Verbindung mit anderen Prozessen verwirklichen läßt. Der erfindungsgemäße Kondensator ist überall da anwendbar, wo hohe Kapazitäten oder ein polarisierter Kondensator benötigt wird. Ein solches Anwendungsgebiet ist beispielsweise die Kapazität am Knoten einer wechselstromstabilen Speicherzelle. In der

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in der Figur dargestellten Struktur verläuft die Diffusion 20 entlang einer Seite der Kondensatorplatte 18. Diese Diffusion kann sich jedoch auch entlang weiterer Seiten der Kondensatorplatte 18 erstrecken und diese auch völlig umgeben. Die Diffusion kann auch in zwei oder mehrere Bereiche unterteilt werden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Kondensator für monolithische Halbleiterschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberfläche eines Halbleiterkörpers (24) eines ersten Leitfähigkeitstyps eine einen gleichrichtenden Halbleiterübergang bildende Zone (20) des zweiten Leitfähigkeitstyps eingebracht ist, daß auf einem Teilbereich der Oberfläche außerhalb der Zone (20) eine isolierende Schicht als Dielektrikum und darüber eine leitende Schicht als die eine Kondensatorplatte (18) aufgebracht ist und daß zwischen Zone (20) und der einen Kondensatorplatte (18) eine unterhalb dieser eine Ladungsschicht erzeugende Spannung angelegt ist, die einen Teil des gleichrichtenden Halbleiterüberganges neutralisiert und die andere Kondensatorplatte (38) bildete
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß die Zone (20) des zweiten Leitfähigkeitstyps gleichseitig die eine Stromflußelektrode eines seitlich worn Kondensator integrierten Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate bildet.
3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Zone (20) die Source des Feldeffekttransistors bildet,
4. Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Kondensatorplatte (18) mit dem Gate des Feldeffekttransistors elektrisch gekoppelt ist.

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