DE3122229A1 - Integriertes halbleiterbauelement - Google Patents

Integriertes halbleiterbauelement

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James Peter 19609 Wyomissing Hills Pa. Ballantyne
Paul Egon 07739 Little Silver N.J. Fleischer
Kenneth Robert 10306 Staten Island N.Y. Laker
Aristides Antony 19609 Wyomissing Hills Pa. Yiannoulos
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Description

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Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein integriertes Schaltungsbauelement, mit einer oberflächenbenachbarten Zone, die sich zwischen einem Paar beabstandeter Zonen erstreckt, die alle vom gleichen Leitfähigkeitstyp in einem Halbleiterbereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sind, einer die oberflächenbenachbarte Zone überlappenden leitenden Schicht und einer dielektrischen Schicht zwischen der leitenden Schicht und der oberflächenbenachbarten Zone.
Widerstände und Kondensatoren als integrale, jedoch diskrete Elemente in integrierten Halbleiterschaltungen sind bekannt. Widerstände werden in dem massiven Halbleitermaterial auf auf der Oberfläche des Bauelements niedergeschlagenem Polysilicium oder als Dünnschichtelemente auf sowohl Halbleiterals auch anderen Substraten ausgebildet. Kondensatoren können den bekannten MOS-Aufbau besitzen oder können die mehrlagigen Leitungs- und Isolierschichten verwenden, die für die Verbindung des Halbleiterbauelements auf der Bauelementoberfläche vorgesehen sind. Weiterhin ist die Verwendung von PN-ttbergangs-Kapazitäten für verschiedene Anwendungsfälle bekannt. Die US-PS 4 092 619 zeigt ein MOS-Feldbauelement zur Verwendung als spannungsgesteuertes Tiefpaßfilter. Widerständen und Kondensatoren in Form von integrierten Schaltungen ermangelt es jedoch häufig an der zum Betrieb von aktiven Filtern not-
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wendigen Linearität. Um die erforderliche Linearität zu erzielen, müssen die Bauelemente derart groß bemessen werden, daß sie einen unangemessen großen Raum in dem Halbleiterbauelement einnehmen. Die Abmessungen derartiger Elemente könnten ihre Integration sogar ausschließen. Es gibt weitere Schwierigkeiten bei der Verwendung von sMOS-Technologie bei der Herstellung von kondensatoren und Widerständen bei der adäquaten Steuerung der Betriebskertnlinien der Elemente.
im Hinblick auf die Lösung der oben angesprochenen Probleme ist es von Bedeutung, daß das Verfahren zum Herstellen derartiger passiver Elemente so wenig wie möglich von der herkömmlichen Verarbeitungsweise der zum Herstellen von integrierten Halbleiterschaltungen verwendeten Technologie abweicht.
Es existiert also das Bedürfnis, integrierbare Kondensator- und Widerstandsbauelemente zur Verfügung zu haben, die kompakt sind und auf einfache Weise nach Maßgabe genauer Parameter hergestellt werden können. Derartige Elemente sollten in vorteilhafter Weise lineare Kennlinien in ihrem ausnutzbaren Betriebsbereich aufweisen.· Die Elemente sollten einer leichten Integration in Filterschaltungen für viele Anwendungsfälle zugänglich sein. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Bauelement der eingangs angesprochenen Art anzugeben, welches den oben angesprochenen Erfordernissen
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Rechnung trägt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fremdstoffkonzentration in der oberflächenbenachbarten Zone derart bemessen ist, daß die Leitfähigkeitsänderung bei üblichen Betriebspotentialen zwischen der leitenden Schicht und der oberflächenbenachbarten Zone ausgeschlossen werden, wobei das Bauelement als Kondensator-Widerstands-Kondensator-(CRC-)Element betreibbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein verteiltes Kondensator-Widerstand-Kondensator-(CRC-)Element eine ähnliche Struktur wie ein MOS-Transistor, mit dem Unterschied jedoch, daß die implantierte Kanalzone auf ein Niveau dotiert ist, welches Leitfähigkeitsänderung im wesentlichen ausschließt- Das Dotierungsniveau des Kanals ist jedoch ausreichend gering, um dessen Verwendung als wirksamer linearer Widerstand zu ermöglichen. Da der Kanal-Substrat-PN-Übergang eine weitere Kapazität darstellt, wird ein seitlich verteiltes, vertikal zusammenhängendes CRC-Element zwischen dem oberen Gateelement und dem Substrat gebildet.
Speziell wird entsprechend der N-Kanal-MOS-Technologie ein erfindungsgemäßes CRC-Filterelement geschaffen, dessen Kanal 1 bis 2 Mikrometer tief ist und so implantiert ist, daß sich ein Quadratflächenwiderstand zwischen 200 und 600 Ohm ergibt.
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Bei diesem Dotierungsniveau und bei typischen Gate-Kanal-Spannungen zwischen ^ 10 Volt ergibt sich keine nennenswerte Leitfähigkeitsänderung in dem Kanal. Das Bauelement arbeitet daher nicht als Feldeffekte lenient, wenngleich eine kapazitive Kopplung vom Gate zum Kanal und vom Kanal zum Substrat vorliegt.
Die W-Zonen an den Enden des Kanals, die Gegenstücke zur Source und Drain sind, umfassen die durch den Kanal gebildeten Anschlußzonen des Widerstands. Für diese Anschlußzonen sind ebenso wie für den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisenden Teil des Halbleiterkörpers Ohm'sche Elektroden vorgesehen. Eine vierte Verbindung führt zu der das Dielektrikum oberhalb des Kanals, d. h. das Gate in der MOS-Terminologie, überlappenden leitenden Schicht.
Die verteilte CRC-Struktur stellt ein vorteilhaftes kompaktes Filterelement dar, die Struktur kann dadurch hergestellt werden, daß zusätzlich bezüglich der herkömmlichen MOS-Technolgoie ein Fremdstoff-Implantierungsvorgang mit Fotoresist-Maskierung erfolgt. Bedeutsam ist, daß der zusätzliche Arbeitsschritt keine Behandlung bei hohen Temperaturen beinhaltet.
Speziell wird im Anschluß an die Festlegung der Bauelementtopologie und während der Schwellenwerteinstellung ein
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spezieller Verarbeitungsschritt vorgesehen, der eine zusätzliche Fotoresist-Maske erforderlich macht, um lediglich die Kanalzonen der CRC-Elemente festzulegen. Dann wird unter Verwendung des Fotoresist als Maske mittels Fremdstoff-Implantation das geeignete Dotierungsniveau in dem Kanal erzeugt. Die Maskenausrichtung für diesen Schritt ist ein relativ unkritischer Vorgang.
Dieses CRC-Filterelement kann zum Realisieren verschiedener integrierter aktiver Filterschaltungen verwendet werden. Als solches eignet sich das CRC-Element beispielsweise speziell für ein Filter, das eine auf dem Chip ausgebildete Schutzschaltung (antialiasing-protection-circuit) für geschaltete Kondensatornetzwerke ist. Speziell bilden zwei verteilte CRC-Elemente, die zu einem Netzwerk verschaltet sind, bei dem ein Operationsverstärker in der nichtinvertierten Einheitsverstärkungs-Betriebsart arbeitet und eine Mitkopplungsverbindung aufweist,., eine "Sallen and Key "-Tief paßfiltereinheit.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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Λ · " M 4 -ι
— Q —
Fig. 1 eine schematische Schaltungsskizze einer "Sallen and Key"-Antialiasing-Schaltung mit einem Paar von CRC-Elementen gemäß der Erfindung, und
Fig. 2 eine Querschnittansicht eines Teils eines Halbleiter-IC-Chips, welches ein einzelnes CRC-N-Kanal-Element in NMOS-Technologie gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung ist eine erweiterte Form des "Sallen and Key"-Tiefpaßfiltertyps. Dieser Filtertyp eignet sich speziell beispielsweise für den "Antialiasing"· Schutz in geschalteten Kapazitätsnetzwerken,
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht die Schaltung aus einem Operationsverstärker 13 mit einem Ausgangsanschluß 12, einer Gegenkopplungsverbindung 17 und einer Mitkopplungsverbindung 14 zu dem Gateanschluß 15a des CRC-Elements 15. Der Anschluß 15B des Substrat-Übergangs-Kondensators des CRC-Elements 15 ist auf Wechselstrom-Masse gelegt, und der Widerstand des Elements 15 ist mit einem Anschluß an den Eingangsanschluß 11 und dem anderen Anschluß an den Widerstand des CRC-Elements 16 angeschlossen. Wechselstrom-Masse
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entspricht normalerweise der Substrat-Versorgungsleitung bei einer Versorgung^spannung von -5 Volt. Das andere Ende des Widerstands des CRC-Elements 16 ist an den Eingang des Operationsverstärkers 13 angeschlossen. Der Substrat-Kondensator-Anschluß 16B des CRC-Elements 16 ist auf Wechselstrom-Masse gelegt, wie es auch der Fall bei dem CRC-Element 15 ist, und der Gate-Anschluß 16A kann auf Gleichstrom- oder "harter" Masse liegen.
Die CRC-Elemente 15 und 16 der Schaltung gemäß Fig. 1 können in vorteilhafter Weise zusammen mit dem Operationsverstärker in dem integrierten Schaltungstyp in N-Kanal-, P-Kanal- oder komplementärer MOS-Technologie ausgebildet werden. In N-Kanal-Technologie sind die in Fig. 2 dargestellten CRC-Elemente 15 und 16 realisiert.
Das Bauelement in dem Halbleiterkörper 20 hat das Aussehen eines herkömmlichen N-Kanal-MOS-Transistors vom Verarmungstyp, wobei jedoch bedeutende Unterschiede sowohl im Aufbau als auch in der Betriebsweise vorhanden sind. Der Körper 20 ist ein Ausschnitt aus einem Halbleiterchip,welches seinerseits wiederum eines? aus einer großen Anzahl von auf einem Silieium-Halbleiterwafer nach herkömmlichen Methoden ausgebildeten Chips ist. Der massive Teil 21 des Halbleiterkörpers 20 ist P-leitendes monokristallines Silicium. Der Körper 20 besitzt eine obere Hauptfläche 22 und eine untere Hauptfläche
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23. Alternativ zu der in Pig. 2 dargestellten Ausführungsform kann der P-leitende Teil 21 eine oben auf einem Einkristall-Siliciumausgangsmaterial, welches typischerweise P-leitend ist, epitaktisch aufgewachsene Schicht aufweisen. In beiden Fällen jedoch weist der Halbleiterkörper eineiii'P-leitenden Abschnitt 21 auf, der an die obere Hauptoberfläche 22 angrenzt.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel weist der P-leitende Abschnitt 21 einen spezifischen Widerstand zwischen etwa 7 und 15 Ohm cm auf. Hochleitende N-Zonen 24 und 25 bilden ein Paar beabstandeter Zonen innerhalb des P-leitenden Abschnitts 21 und benachbart der oberen Hauptoberfläche 22. Die Ähnlichkeit der Zonen 24 und 25 mit dem Source und der Drain eines MOS-Feldeffekttransistors fallt auf.
Zwischen den Zonen 24 und 25 erstreckt sich eine N-leitende oberflächenbenachbarte Zone 26, die das Gegenstück zum Kanal eines Verarmungs-Feldeffektbauelements "darstellt. Die Zone 26 jedoch, die in dieser speziellen Ausführungsform bezüglich der Oberfläche 22 eine Tiefe von 1 bis 2 Mikrometer aufweist, weist ein Fremdstoffniveau auf, daß bei im üblichen Bereich liegenden Betriebsspannungen eine für eine Leitfähigkeitsänderung in dieser Zone ausreichende Trägerverarmung im wesentlichen ausgeschlossen wird. Typischerweise überschreiten die in den
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Bauelementen dieser Art zwischen das Gate und den Kanal gelegten Spannungen nicht +^ 10 Volt. Das Fremdstoffniveau in der Zone 26 liefert in vorteilhafter Weise einen Quadratflächenwidersrtand zwischen etwa 200 und 600 Ohm. Für dieses spezielle Ausführungsbeispiel wurde- ein Wert von 400 Ohm verwendet, und somit liegt der Widerstand der Zone 26 auf einer solchen Höhe/ daß die Zone ein zufriedenstellendes lineares Widerst;andselement mit den Anschlußzonen 24 und 25 darstellt. Folglich ist zum Realisieren eines Tiefpaßfilters mit einer Dämpfung von 45dB bei 200 Kilohertz das Element der Schaltung.nach diesem.Ausführungsbeispiel typischerweise 8 {im breit und 10 500 um lang, das Element 16 ist typischerweise 8μπι breit und 3 100 pm lang.
Die obere Fläche 22 wird von herkömmlichen Schichten aus dielektrischem und leitendem Material der üblicherweise in MOS-Halbleiterbauelementen verwendeten Art überdeckt. Angrenzend an die Oberfläche 22 außerhalb des Bauelments an sich liegt die Oxidschicht 23, wofür allgemein der Ausdruck "Feldoxid" verwendet wird. Diese Schicht hat eine größere Dicke als das Gateox#.d. Das Gateoxid 38 besitzt einen die Zone 26 unmittelbar überlappenden Abschnitt. Bei der vorliegenden Ausgestaltung beträgt die Dicke dieses Gateoxids 7500 Nanometer in Übereinstimmung mit der Dicke der anderen Gateoxide auf dem Chip. Die Gateelektrode 27 liegt über dem Gateoxid 38 in allgemeiner Ausrichtung mit der Zone
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26. Eine leitende Schicht 30 ist mit der Anschlußzone 24 ohmisch verbunden, und ähnlich ist eine leitende Schicht 31 an die Anschlußzone 25 angeschlossen. Die leitenden Schichten 27, 30 und 31 mit den Gate- und Anschlußzonenverbindungen können aus leitendem Metall wie z. B. Aluminium bestehen, oder sie können aus leitendem polykristallinem Silicum sein. Die Verbindung erfolgt zu dem darunterliegenden P-leitendem Abschnitt 21 mittels einer ohm'sehen Elektrode 33, die an der unteren Hauptoberfläche 23 anliegt. Die "gemäß Darstellung die beiden Feld- und Gateoxidschichten überlappende Schicht 28 ist.eine Schicht aus phosphorhaltigem Oxid, das als Ε-Glas bekannt ist? sie dient zur Bauelementpassivierung. Der Anschluß 37 von der Gateelektrode 27 ist typiseherneise an einer außerhalb der Querschnittebene gemäß Fig. 2 liegenden Stelle ausgebildet. Gleichermaßen können die Anschlüsse 34 und 35 des Widerstands an einer entfernten Stelle ausgebildet sein. Somit handelt es sich bei dem Bauelement um ein vier Anschlüsse aufweisendes Element mit den Anschlüssen 36 und 35 für das Widerstandselement, dem Anschluß 37 zu dem Gate zwecks Bildung der oberen kapazitiven Kopplung, und der Leitung 36, die in herkömmlicher Weise an die am meisten negative Spannungsversorgungsleitung gelegt wird, welche bei Filteranordnungen eine Wechselstrom-Masseverbindung darstellt.
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Die Herstellung der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform erfolgt nach bekannten Methoden für die Herstellung von N-Kanal-MOS-Bauelementen vom Verarmungstyp, und zwar mit der Maßgabe, daß ein zusätzlicher spezieller Schritt zur Schwellenwerteinstellung bei solchen Bauelementen erfolgt, die als CRC-Filterelemente gefertigt werden sollen. Bei diesem Schritt erfolgt eine separate Fotoresist-Maskierung, um lediglich denjenigen Abschnitt der Oberfläche 22 freizulegen, der die Zone 26 überlappt. Hieran · schließt sich eine Ionenimplantation an, wodurch eine eine N-Leitung erzeugende Dotierung erfolgt, um zu dem gewünschten Dotierungsniveau zu gelangen. Speziell bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Ionenimplantation von Arsen mit einer Dosis von 3x10 Ionen pro cma unter Verwendung eines Energiestrahls von 30keV. Es handelt sich hier um einen relativ unkritischen Maskierungsschritt, und es ist keine spezielle Warmbehandlung notwendig, die über diejenige hinausgeht, die bei der anschließenden Weiterverarbeitung des Wafers erfolgt und ausreicht, die übrigen Schwellenwerteinstellungen in der erforderten Weise zu bewirken.
Somit handelt es sich bei der.Verfahrensabwandlung also um einen übersichtlichen Vorgang, der jedoch die Herstellung eines CRC-Filterelements mit der gewünschten Linearität
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seiner Bestandteile unter einem hohen Maß an Steuerungsmöglichkeit gestattet.
Das erfindungsgemäße CRC-Element kann nach Wunsch auch als p-Kanal-MOS-Struktur hergestellt weiten, wobei die geeignete Umkehr des Leitfähigkeitstyps und der Einstellung der Fremdstoffkonzentrationen zu berücksichtigen ist. Somit kann die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft in integrierten Halbleiterschaltungen in PMOS- oder CMOS-Technologie eingearbeitet werden. Wird CMOS-Technologie verwendet, so besteht ein gewisser Vorteil beim Herstellen des CRC-Filterelements in der Technologie des Bauelementtyps in der Trennwanne.
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Claims (7)

  1. BLUMBACH . W£&&:R"· BERÖfeN.-LKRAMER ZWIRNER . HOFFMANN
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
    Palentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Patentconsult Sonnenberger StraSe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsull
    Western Electric Company, Incorporated Ballantyne
    New York, N. Y. 10038, USA
    Integriertes Halbleiterbauelement Patentansprüche
    . Integriertes Schaltungsbauelement, mit einer oberflächenbenachbarten Zone (26), die sich zwischen einem Paar beabstandeter Zonen (24, 25) erstreckt, die alle vom gleichen Leitfähigkeitstyp in einem Halbleiterbereich (21) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sind, einer die oberflächenbenachbarte Zone (26) überlappenden leitenden Schicht (27) und einer dielektrischen Schicht (38) zwischen der leitenden Schicht und der oberflächenbenachbarten Zone,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoffkonzentration in der oberflächenbenachbarten Zone (26) derart bemessen ist, daß Leitfähigkeitsveränderungen bei üblichen Betriebspotentialen zwischen der leitenden Schicht (26) und der oberflächenbenachbarten Zone (26) ausgeschlossen sind, wobei das Bauelement als Kondensator-Widerstands-Kondensator-(CRC-) Element betreibbar ißt.
    München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesboden: P.e. Blumbadi Dipl.-Ing. ■ P. Bergen Prof. Dr.jur. Dipl.-Ina., Pflt.-Ass., Pat.-Anw.bis1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-lng.
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  2. 2. Bauelement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoffkonzentration einem Quadratflächenwiderstand im Bereich zwischen 200 und 600 Ohm entspricht, und daß die üblichen Betriebspotentiale weniger als etwa +^ 10 Volt betragen.
  3. 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
    gekennzeichnet durch eine Verbindung (37) zu der leitenden Schicht und Verbindungen (34, 35, 36) geringen Widerstands zu den beabstandeten Zonen und Halbleiterzonen.
  4. 4. Bauelement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leitfähigkeitstyp N-Leitfähigkeit und der entgegengesetzte Leitfähigkeitstyp P-Leitfähigkeit ist.
  5. 5. Bauelement nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächenbenachbarte Zone (26) einen Quadratflächenwiderstand von etwa 400 Ohm und eine Tiefe bezüglich der oberen Hauptoberfläche von etwa 1 bis 2 Mikrometer aufweist.
  6. 6. Als integrierte Halbleiterschaltung aufgebautes aktives Filter,
    gekennzeichnet durch ein Paar von Elementen nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, und einen Operations-
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    verstärker (13), der derart ausgebildet; ist, daß er in der nichtinvertierten Einheitsverstärkungs-Betriebsart arbeitet, wobei die oberflächenbenachbarten Zonen der CRC-Elemente mit einem Eingang des Operationsverstärkers in Serie liegen und der Ausgang des Operationsverstärkers an die leitende Schicht (15A) des ersten CRC-Elements angeschlossen ist.
  7. 7. Schaltung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzonen der CRC-Elemente auf Wechselstrom-Masse gelegt sind, daß die leitende Schicht des zweiten CRC-Elements auf Wechselstromoder Gleichstrom-Masse gelegt ist, und daß eine Schaltungseingangsverbindung zu dem ersten der beabstandeten Zonen des ersten CRC-Elements vorgesehen ist sowie eine Schaltungsausgangsverbindung am Ausgang des Operationsverstärkers.
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DE19813122229 1980-06-06 1981-06-04 Integriertes halbleiterbauelement Withdrawn DE3122229A1 (de)

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