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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Vorrichtung, die ein
Netzwerk von Dünnschichtkondensatoren
und Spulen auf einer ersten Seite eines Substrats eines Halbleitermaterials
umfasst, wobei das Substrat einen spezifischen Widerstand aufweist,
der ausreichend hoch ist, um elektrische Verluste der Spule zu begrenzen,
und mit einer elektrisch isolierenden Oberflächenschicht auf seiner ersten
Seite versehen ist.
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Eine
solche elektronische Vorrichtung ist bekannt aus
US 6.538.874 . Die bekannte elektronische Vorrichtung
ist ein Netzwerk mit einer ersten und mit einer zweiten elektrisch
leitenden Schicht, zwischen denen sich eine dielektrische Schicht
und eine isolierende Schicht befinden.
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Die
isolierende Schicht wirkt hierbei als Abstandhalter und ist mit
einem Kontaktfenster versehen, durch das eine Elektrode des Kondensators
verbunden werden kann. Die zweite leitende Schicht ist neben dieser
isolierenden Schicht angeordnet und weist vorzugsweise eine Dicke
auf, die größer ist
als eine Eindringtiefe bei der Betriebsfrequenz. Für HF-Frequenzen
von 100 MHz bis 3 GHz beträgt
bei Verwendung von Al oder Al-Legierungen diese Dicke wenigstens
1 μm.
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Die
erste leitende Schicht befindet sich auf der gegenüberliegenden
Seite der dielektrischen Schicht. Hierin sind eine Kondensatorelektrode
und Verbindungselemente definiert. Eine zusätzliche und dazwischenliegende
leitende Schicht kann vorhanden sein, in der die andere Kondensatorelektrode
definiert ist. Diese bekannte elektronische Vorrichtung ist hauptsächlich für die Impedanzanpassung
gedacht.
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Es
ist ein Nachteil der bekannten Vorrichtung, dass sie mit diskreten
Halbleiterelementen kombiniert werden muss, die als Schalter verwendet werden.
Somit muss weiterhin eine Anzahl von Komponenten auf einem Träger montiert
werden, wobei der Vorteil eines integrierten Netzwerks beschränkt ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Vorrichtung
der im Einführungsabsatz
erwähnten
Art zu schaffen, in der Schalter innerhalb des Netzwerks integriert
werden können,
wobei das Netzwerk weiterhin für
die Verwendung bei hohen Frequenzen, insbesondere in HF-Anwendungen, geeignet
ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst,
indem eine erste und eine zweite laterale PIN-Diode im Substrat
definiert werden, wobei jede der PIN-Dioden ein dotiertes p-Gebiet,
ein dotiertes n-Gebiet und ein dazwischenliegendes intrinsisches
Gebiet aufweist. Das intrinsische Gebiet der ersten PIN-Diode ist
größer als
dasjenige der zweiten PIN-Diode.
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Gemäß der Erfindung
werden laterale PIN-Dioden als Schalter verwendet. Die lateralen PIN-Dioden
weisen unterschiedlich bemessene intrinsische Gebiet auf. Dies ein
wesentlicher Vorteil, da es erlaubt, die PIN-Dioden entsprechend
der gewünschten
Anwendung zu gestalten, so dass die Leistungsfähigkeit ausreicht, um die Anforderungen zu
erfüllen.
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Obwohl
laterale PIN-Dioden bereits bekannt sind, besteht ein Problem bei
ihrer Integration hinsichtlich elektrischer Effekte, die im Substrat
hervorgerufen werden. Diese Effekte werden als Übersprechen zwischen PIN-Dioden
bezeichnet. Ein solches Übersprechen
findet über
große
Entfernungen statt, insbesondere im Hinblick auf die hochohmige
Eigenschaft des Substrats, die in keiner Weise die Bildung eines
elektrischen Feldes durch das Substrat behindert. In einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung sind Mittel zum Unterdrücken des Übersprechens vorhanden. Es
wird beobachtet, dass für
bestimmte Anwendungen, wie z. B. eine herkömmliche Antennenumschaltschaltung,
das Übersprechen
an sich nicht das Hauptproblem ist; beide PIN-Dioden werden gleichzeitig
aus- oder eingeschaltet. In einer solchen Umschaltschaltung ist
eine Übertragungsleitung
mit einer viertel Wellenlänge
(λ/4) zwischen
den zwei PIN-Dioden vorgesehen. Die Substrateffekte können zu
einem parasitären
Pfad durch das Substrat führen,
insbesondere zu Masse oder zu der zweiten PIN-Diode. Die Anwesenheit
eines solchen Pfades führt
zu einer Abweichung von der λ/4-Länge und somit
zu einer verschlechterten Übertragung
des Signals.
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Die
Mittel zum Unterdrücken
des Übersprechens
können
auf verschiedene Weise verwirklicht werden. Zunächst kann eine Abschirmungsschicht oder
ein Abschirmungsgebiet zwischen der ersten und der zweiten PIN-Diode
vorgesehen sein. Die Abschirmungsschicht kann eine verdeckte Schicht
im Substrat sein, im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche. Eine
solche verdeckte Schicht ist vorzugsweise hoch isolierend, wie z.
B. eine Oxidschicht oder eine Oxinitridschicht. Die Abschirmungsschicht kann
alternativ ein Gebiet im Wesentlichen transversal zur Substratfläche sein.
Sie kann die PIN-Diode lateral umgeben, und kann durch Ätzen von
Poren mit einer Trockenätz-
oder Nassätztechnik
gefertigt werden. Solche Poren werden aus Verarbeitungsgründen vorzugsweise
gefüllt.
Die Abschirmung kann elektrisch isolierend sein, jedoch auch elektrisch
leitend und mit Masse verbunden.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
umfassen die Mittel zum Unterdrücken
des Übersprechens
eine Isolation eines Substratsabschnitts, in dem die erste PIN-Diode
definiert ist. Diese Isolation umfasst sowohl eine verdeckte Schicht im
Substrat als auch eine ringförmige
Seitenwand, die sich ausgehend von der verdeckten Schicht zur Substratoberfläche erstreckt,
so dass der Substratabschnitt von anderen Substratabschnitten im
Wesentlichen elektrisch isoliert ist. Diese Kombination von Abschirmungsschichten
zum Ausbilden einer Isolation eines Hohlraumabschnitts erscheint
aus Abschirmungsgründen
sehr vorteilhaft. Sie kann trotzdem hergestellt werden, ohne dass
ein teueres Substrat mit einer überall
vorhandenen isolierenden Schicht notwendig ist. Dies wird dadurch
erreicht, dass die verdeckte Schicht lokal mittels eines Implantationsschrittes
geschaffen wird, während
die ringförmige
Seitenwand durch Füllen
von Poren geschaffen wird. Es ist klar, dass stark bevorzugt wird,
dass jede PIN-Diode mit einer solchen Isolation versehen wird, dass
der Großteil
des Substrats im Wesentlichen frei von irgendwelchen Ladungsträgern gehalten
wird, die aus den PIN-Dioden entspringen.
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In
einer ersten Modifikation ist die verdeckte Schicht ein Silicid,
dass durch Implantation eines geeigneten Elements, wie z. B. Molybdän, Titan
oder Cobalt, geschaffen wird. In einem anschließenden Erhitzungsschritt, der
mit anderen Erhitzungsschritten kombiniert werden kann, oder möglicherweise mittels
Bestrahlung bewerkstelligt werden kann, wird eine Festkörperreaktion
hervorgeru fen, um somit das Silicid zu bilden. Eine solche Silicidierung
kann vor oder nach der Ausbildung der PIN-Diode ausgeführt werden.
Sie bietet einen sehr guten Schutz gegen sehr hohen Frequenzen.
Vorzugsweise umfassen die Poren ein elektrisch leitendes Material,
um somit eine vollständige
elektromagnetische Abschirmung zu erhalten. Ein geeignetes Material
ist z. B. Polysilicium, das mittels Galvanisierung verbessert sein
kann.
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In
einer zweiten Modifikation ist die verdeckte Schicht ein Oxid, das
mittels Implantation geschaffen wird. Die verdeckte Schicht ist
vorzugsweise eine "SIMOX"-Schicht, wobei die
Abkürzung
für Separation
durch implantierten Sauerstoff (separation by implanted Oxygen)
steht. Die SIMOX-Schicht führt
zu einer sehr dünnen
isolierenden Schicht unmittel unterhalb einer dünnen Schicht aus Silicium.
Die isolierende Schicht ist glatt und weist nahezu keine Fehlstellen
oder Verunreinigungen auf, während
sie hohe Ausbeuten bewahrt. Das Vorsehen einer SIMOX-Schicht ist
an sich bekannt aus S. Wolf und R. N. Tauber, Silicon Processing
for the VLSI Era, (Sunset Beach: Lattice Press, 2000), 258–259. Die
Poren sind hierbei vorzugsweise mit elektrisch isolierenden Material
gefüllt,
um die Seitenwände
zu bilden. Ein geeignetes Füllmaterial
ist z. B. ein Stapel aus einer Oxid-, einer Nitrid- und einer Oxid-Schicht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Substrat zusätzliche
Poren, um vertikale Schlitzkondensatoren und/oder vertikale Verbindungselemente
durch das Substrat zu definieren. Vertikale Schlitzkondensatoren
sind hinreichend, um eine hochdichte Kapazität bei geringen Kosten zu schaffen.
Auf diese Weise können
die Schlitzkondensatoren im selben Fertigungsschritt hergestellt
werden wie die Seitenwand. Hinsichtlich der Prozesskompatibilität umfassen
die Seitenwände
in diesem Fall elektrisch leitendes Material.
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Vorzugsweise
sind jedoch die Mittel zum Unterdrücken des Übersprechens zufällig oder
gleichmäßig im Substrat
verteilt vorgesehen. Eine erste Ausführungsform besteht hierbei
darin, dass Defekte des Kristallgitters durch Bestrahlung mit elektromagnetischen
Strahlen oder Partikeln erzeugt werden. Geeignete Strahlen umfassen
Strahlen von Elektronen, insbesondere Hochenergieelektronen, Neutronen
und Ionen. Diese Ausführungsform
hat den zusätzlichen
Vorteil, dass der äquivalente
Serienwiderstand der Kondensatoren reduziert wird. Eine zweite Ausführungsform
hiervon ist die Verwendung eingebetteter leitender Partikel, wie
z. B. Au, Pt, Ni oder dergleichen.
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Es
wird ferner beobachtet, dass diese Mittel in Kombination verwendet
werden können.
Als zusätzliches
Mittel wird die Verwendung von Ionenimplantationen an der Substratoberfläche, wie
z. B. solche von Ar, N, He, besonders bevorzugt. Die Implantation
ist nach dem Züchten
des thermischen Oxids und vor der Abscheidung der ersten leitenden Schicht
vorgesehen. Ihr Ergebnis kann eine Armorphisierung des Substrats
an der Grenzfläche
zu der Oxidschicht sein. Die Implantation ist als zusätzliches Mittel
geeignet, da sie als Rekombinationszentrum für Ionen wirkt, die aus der
PIN-Diode entspringen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weisen die PIN-Dioden eine im Wesentlichen kreisförmige oder
ovale Form im Querschnitt parallel zur Substratoberfläche auf.
Insbesondere die kreisförmige
Form hat den Vorteil, dass die Breite des intrinsischen Gebietes
gut definiert ist. Es ist ein weiterer Vorteil, dass die PIN-Diode
insgesamt ausreichend von anderen Teilen der Vorrichtung isoliert
sein kann. Es wird im Allgemeinen angenommen, dass die Größe von kreisförmigen PIN-Dioden größer ist
als von PIN-Dioden mit entsprechenden Eigenschaften in einer Gestalt
mit ineinandergreifenden Elektroden. Die Größe ist jedoch in der Vorrichtung
der Erfindung, die Kondensatoren und Spulen umfasst, nicht von großer Bedeutung.
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In
einer besonders geeigneten Modifikation hiervon ist das n-dotierte
Gebiet lateral innerhalb des intrinsischen Gebietes vorhanden. Dies
ist die bevorzugte Option für
ein Substrat, das im allgemeinen n-dotiert ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Modifikation ist die ovale oder die kreisförmige Form
mit einem Spalt versehen. Ein Verbindungselement zum Verbinden eines
inneren Gebietes der PIN-Diode ist so angeordnet, dass es auf einer
senkrechten Projektion des Verbindungselements auf die Substratoberfläche eine
wesentliche Überlappung
mit dem Spalt hat. Es hat sich überraschend
herausgestellt, dass der Spalt in der ovalen und kreisförmigen Form
die Eigenschaften der PIN-Diode
nicht negativ beeinflusst. Gleichzeitig ist dieser Spalt nützlich,
um die pa rasitäre
Kapazität
zwischen dem Verbindungselement und den Außengebieten zu reduzieren.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das Netzwerk eine isolierende Schicht auf, die als Abstandhalter
dient. Diese Ausführungsform
ist diejenige des Standes der Technik. Sie ist besonders nützlich,
da irgendwelche Verbindungselements in der zweiten leitenden Schicht
vorgesehen sein können, die
eine ausreichende Dicke aufweist, um ihren spezifischen Widerstand
zu beschränken.
Somit kann der Abstand zwischen einer PIN-Diode und einer weiteren
Komponente so gewählt
werden, dass der Entwurf optimiert wird, während die induktiven Verluste sehr
gering sind. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste
leitende Schicht eine Masseebene, so dass Verbindungselemente in
der zweiten Schicht einen Übertragungsleitungscharakter
aufweisen. Dies verbessert das HF-Verhalten der elektronischen Vorrichtung
noch weiter.
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Die
elektronische Vorrichtung der Erfindung ist für die Verwendung als Kombination
aus Antennenimpedanzanpassung und Antennenschalter sehr geeignet.
Dies aus mehreren Gründen:
Zunächst
ist die Größe der Anordnung
aufgrund des Integrationsgrades sehr begrenzt. Dann können Verbindungselemente
insgesamt und für
HF-Anwendungen geeignet gestaltet sein. Ferner weisen die Antennenschalter ein
unterschiedlich großes
intrinsisches Gebiet auf.
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Die
Vorrichtung der Erfindung ist für
die Verwendung bei Frequenzen von etwa 100 MHz und darüber sehr
geeignet. Sie kann in Mobiltelephongeräten, jedoch auch in Basisstationen
eingesetzt werden. Die Vorrichtung der Erfindung kann auch als Zwischenschaltungssubstrat
verwendet werden, auf dem weitere Vorrichtungen montiert werden.
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Für den Empfangspfad
der Antennenschalter ist eine sehr große Isolation erforderlich,
um zu verhindern, dass irgendwelche Signale von einem Leistungsverstärker auf
dem Empfangspfad verstärkt werden
und eine Zerstörung
des rauscharmen Verstärkers
hervorrufen. Das intrinsische Gebiet kann somit größer sein,
z. B. 5–25 μm, und vorzugsweise 8–10 μm. Für den Sendepfad
ist von Bedeutung, dass der Widerstand begrenzt ist, um somit die Dämpfungen
des Signals, das bereits verstärkt
worden ist, zu begrenzen. Das intrinsische Gebiet der PIN-Diode
im Sendepfad weist somit eine kleine Breite auf, z. B. 0,1–10 μm, und vorzugsweise
1–3 μm. Diese
Breiten beziehen sich auf diejenigen der Vorrichtung, die kleiner
sein können
als die Breiten auf der Maske, die bei der Fertigung verwendet werden, infolge
einer Diffusion durch das Substrat.
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Es
ist ferner vorteilhaft, dass die erste und die zweite PIN-Diode
in Reihe verbunden sind. Eine solche Verbindung ist eine andere
Ausführungsform als
die oben skizzierte, obwohl ein solcher Aufbau innerhalb eines Pfades
angewendet werden kann.
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Der
Vorteil dieser Ausführungsform
im Vergleich zu einer Parallelschaltung der PIN-Dioden sind die
kleinen Impedanzverluste. Trotzdem – und dies ist verschieden
von den vertikalen PIN-Dioden, die auf einem einzelnen Substrat
in Reihe platziert sind – ermöglicht die
Skalierbarkeit, das den in Reihe verbundenen PIN-Dioden unterschiedliche Eigenschaften
verliehen werden. In vertikalen PIN-Dioden auf einem einzelnen Substrat
weisen alle intrinsischen Gebiete dieselbe Breite auf.
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Das
Substrat der Vorrichtung der Erfindung kann dünner ausgeführt sein. Ferner können aktive Vorrichtungen
in Hohlräumen
innerhalb des Substrats platziert sein. Die leitenden Schichten
können auch
als Verbindungen zu solchen Vorrichtungen dienen. Außerdem kann
eine Wärmesenke
auf der Rückseite
des Substrats vorgesehen sein, vorzugsweise an der Verdünnung desselben,
um somit irgendwelche überschüssige Wärme abzuführen. Diese
Wärmesenke
ist gleichzeitig als Masseebene geeignet. Kontaktflächen für die bevorzugte
Platzierung von Höckern
oder Drahtverbindungen können
in der zweiten leitenden Schicht vorgesehen sein.
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Der
Widerstand, der ausreichend hoch ist, um die elektrischen Verluste
der Spule zu begrenzen, ist im allgemeinen ein Widerstand von mehr
als 100 Ω·cm und
vorzugsweise von wenigstens 1 kΩ·cm. Obwohl
vorzugsweise das Substrat insgesamt hochohmig ist, ist dies prinzipiell
nicht notwendig, wobei der hochohmige Charakter auf bestimmte Gebiete beschränkt sein
kann.
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Innerhalb
des Stapels von Schichten auf der Oberseite des Substrats, einschließlich der
leitenden Schichten, der dielektrischen Schicht und des Abstandhalters,
können
weitere Komponenten definiert sein. Sie umfassen Übertragungsleitungen,
mikro-elektromechanische System-Schalter (MEMS-Schalter) und variable
Kondensatoren, Varaktoren, Widerstände und Resonatoren. Dies erlaubt,
das Substrat als Plattform und als Träger zu verwenden, auf dem eine
Vielfalt von Funktionen integriert sein kann, einschließlich eines
oder mehrerer rauscharmer Verstärker
und Leistungsverstärker,
eines Sendeempfänger-IC,
eines spannungsgesteuerten Oszillators und irgendwelcher Verbindungselemente
und zusätzlicher
Komponenten, die zum Anpassen, Koppeln, Rückkoppeln und was auch immer erforderlich
sind. Der Stapel von Schichten ist für die Integration auf einem
MEMS-Element besonders geeignet, da dies verwirklicht wird, indem
eine gemusterte Opferschicht unterhalb der zweiten leitenden Schicht
vorgesehen wird, d. h. nach dem Vorsehen dieser zweiten leitenden
Schicht, die durch Ätzen entfernt
wird.
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Diese
und andere Aspekte der Vorrichtung der Erfindung werden mit Bezug
auf die Figuren genauer erläutert,
in welchen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung in einer ersten
Ausführungsform zeigt;
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2 ein
elektrisches Schaltbild einer Schaltung mit zwei PIN-Dioden zeigt;
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3 ein
elektrisches Schaltbild einer Schaltung aus einer Spule und einem
Kondensator auf einem hochohmigen Substrat zeigt;
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4 die
Beziehung zwischen den Q-Faktor einer Spule als Funktion der Frequenz
für die
Substrate mit verschiedenem spezifischen Widerstand zeigt; und
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5 eine
Beziehung zwischen dem Serienwiderstand eines Kondensators als Funktion
der Frequenz für
Substrate mit verschiedenem spezifischen Widerstand zeigt.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung. Die elektronische
Vorrichtung 10 umfasst ein Substrat 1 aus Silicium
mit einer ersten Seite 41 und einer zweiten Seite 42.
Auf der zweiten Seite 42 ist das Substrat 1 mit
einer elektrisch isolierenden Schicht 2 aus Siliciumoxid
bedeckt. Eine erste elektrisch leitende Schicht 3 aus Al, in
der eine erste Kondensatorelektrode 21 des ersten Kondensators 11 definiert
ist, ist auf der Schicht 2 vorhanden. Eine Schicht aus
dielektrischem Material 5, die im Bereich der Durchkontaktierung 13 beseitigt ist,
liegt auf der ersten elektrisch leitenden Schicht 3. Die
Schicht des dielektrischen Materials 5 umfasst SiOx, 0,5 ≤ x ≤ 2, und bildet
das Dielektrikum 26 in einer Mittelzone 24 des
Kondensators 11. In den Randzonen 22 und 23 umfasst
das Dielektrikum 26 nicht nur die Schicht des dielektrischen
Materials 5, sondern auch eine Schicht eines elektrisch
isolierenden Materials 4, in diesem Beispiel SiOx, 1 ≤ x ≤ 2. Eine Zwischenschicht 6,
die Al umfasst, liegt auf der Schicht des dielektrischen Materials 5 und
ist teilweise durch die Schicht des elektrisch isolierenden Materials 4 bedeckt.
Eine Leiterbahn 28 ist in der Zwischenschicht 6 definiert.
Ein zweites Muster 29 einer zweiten elektrisch leitenden
Schicht 7, die ebenfalls Al umfasst, steht im elektrischen
Kontakt mit dieser Leiterbahn 28. Die Leiterbahn 28 und
das zweite Muster 29 bilden gemeinsam die zweite Kondensatorelektrode 25 des
ersten Kondensators 11. Die zweite leitende Schicht 7 umfasst
außerdem
eine erste Spule 12 als erstes Muster, eine Durchkontaktierung 13 und
ein Verbindungselement 14, und ist mit einer Schutzschicht 8 bedeckt.
Eine senkrechte Projektion des zweiten Musters 29 auf die
Zwischenschicht 26 liegt zum Teil außerhalb der Leiterbahn 28. Eine
senkrechte Projektion des zweiten Musters 29 auf die erste
leitende Schicht 3 liegt teilweise außerhalb der ersten Kondensatorelektrode 21,
d. h. im Gebiet des Verbindungselements 14. Dieses Verbindungselement 14 ist
notwendig, um die zweite Kondensatorelektrode 25 mit anderen
Teilen der Vorrichtung 110 zu verbinden. Somit liegt eine
senkrechte Projektion der zweiten Kondensatorelektrode 25 auf die
erste leitende Schicht 3 zum Teil innerhalb der ersten
Kondensatorelektrode 21.
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Gemäß der Erfindung
umfasst die Vorrichtung 10 eine erste laterale PIN-Diode 50 und
eine zweite laterale PIN-Diode 60. Beide PIN-Dioden 50, 60 weisen
in dieser Ausführungsform
eine kreisförmige
Form auf, wobei das erste n-dotierte Gebiet 51, 61 lateral
innerhalb des zweiten p-dotierten Gebiets 52, 62 angeordnet
ist. Zwischen dem n-dotierten Gebiet 51, 61 und
dem p-dotierten Gebiet 52, 62 ist ein intrinsisches
Gebiet 53, 63 vorgesehen. Gemäß der Erfindung ist die Breite
d1 des intrinsischen Gebiets 53 der ersten PIN-Diode 50 kleiner
als die Breite d2 des intrinsischen Gebiets 63 der zweiten
PIN-Diode. Als Ergebnis weist die erste PIN-Diode 50 einen
geringeren Widerstand auf als die zweite PIN-Diode 60. Somit ist die erste
PIN-Diode 50 für
die Integration in einem Sendepfad eines Mobiltelephons sehr geeignet, während die
zweite PIN-Diode 60 für
die Integration in dessen Empfangspfad geeignet ist. Um Übersprechen
zu verhindern, enthält
das Substrat 1, das in geeigneter Weise hochohmig ist,
mittel zum Verhindern von Übersprechen.
Wie anfängliche
Maßnahmen
gezeigt haben, weisen laterale PIN-Dioden, in denen das intrinsische
Gebiet eine Breite von 8 μm
aufweist, einen Widerstand in der Größenordnung von 3–6 Ω bei einem
Strom von 1 mA und einer Frequenz von 100 MHz auf, wobei dann, wenn
der Strom auf 10 mA erhöht
wird, der Widerstand auf 0,3–0,6 Ω abnimmt. Die
Einfügungsdämpfung ist
kleiner als –1,5
dB für Frequenzen
um 700 MHz, auch bei geringen Strömen. Die Durchbruchspannung
liegt zwischen 20 und 30 V.
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Wie
aus
1 deutlich wird, weisen die lateralen PIN-Dioden
50,
60 den
klaren Vorteil auf, dass sie von oben kontaktiert werden können. Verbindungselemente
56,
66,
67 können somit
in den ersten und zweiten leitenden Schichten
3,
7 integriert werden.
Durch die Verbindungselemente können
die PIN-Dioden in einen Schaltkreis integriert werden, wie für Fachleute
klar ist. Ausführungsformen
hiervon sind z. B. bekannt aus den nicht-vorveröffentlichten Anmeldungen
EP03102255.1 (PHNL030882)
und
EP02079324.6 (PHNL020986),
jeweils veröffentlicht als
EP464965 und
EP1554814 . Der wirkliche Aufbau wie
gezeigt, in welchem die Spule
12 und der Kondensator
11 lateral
zwischen den PIN-Dioden
50,
60 angeordnet sind,
ist nur beispielhaft. Andere Anordnungen können ebenfalls entworfen werden.
Ein Beispiel hierfür
ist, dass die Spule und die PIN-Dioden lateral beabstandet sind,
und dass nur das Substratgebiet unter oder in direkter Nähe der Spule
und des Kondensators hochohmig gemacht wird. Ferner ist die zweite
leitende Schicht
7 mit einer großen Dicke gezeigt. Durch Wählen eines
alternativen Metalls, wie z. B. Cu, kann jedoch diese Dicke reduziert
werden.
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2 zeigt
ein elektrisches Schaltbild, das eine Darstellung eines Schaltkreises
mit PIN-Dioden zur Verwendung in einem Antennenschalter ist. Es
ist ein Schaltkreis für
nur ein Frequenzband gezeigt. Der Schaltkreis umfasst eine Verbindung 110 zu
einem Sendepfad mit einem Leistungsverstärker; eine Verbindung 120 zu
einem Empfangspfad mit einem rauscharmen Verstärker; und eine Verbindung zu
der Antenne 130. Ferner ist eine Resonanzübertragungsleitung 140 mit
einer viertel Wellenlänge λ/4 vorgesehen,
sowie die erste PIN-Diode 50, die zwischen der Verbindung
zum Empfangspfad 120 und Masse angeordnet ist; und eine
zweite PIN-Diode, die zwischen dem Sendepfad 110 und der
Verbindung zur Antenne 130 angeordnet ist. In dem Fall,
in dem die Signale vom Sendepfad 110 zur Antenne 130 zu
senden sind, sind die PIN-Dioden 50, 60 eingeschaltet.
Alternativ sind im Empfangsmodus die PIN-Dioden 50, 60 ausgeschaltet.
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3 zeigt
ein elektrisches Schaltbild, das ein Modell für die elektrischen Verluste
im Substrat ist. Anhand dieses Modells kann verstanden werden, dass
für Kondensatoren
die Substratverluste bei niedrigen Frequenzen dominieren, während für Spulen
die Verluste bei hohen Frequenzen zu dominieren beginnen. Die durch
das Substrat hervorgerufenen Verluste können in durch den Halbleiterkörper hervorgerufene
Verluste und Verluste, die an der Si-SiO2-Grenzfläche hervorgerufen
werden, aufgeteilt werden. Unter Null-Vorspannung-Bedingungen existiert
eine Akkumulationsschicht an der Si-SiO2-Grenzfläche, hervorgerufen
z. B. durch fixierte Ladung, die normalerweise im thermischen Siliciumoxid
vorhanden ist. Aus CV-Messungen wird abgeleitet, dass die Menge
der akkumulierten Ladung etwa eine Größenordnung größer ist
als die Gesamtmenge der mobilen Ladung, die im Halbleiterkörper von
4 kΩ·cm Si
vorhanden ist. Daher ist klar, dass neben dem Halbleiterkörperwiderstand
der Grenzflächenwiderstand,
der dieser akkumulierten Ladung zugeordnet wird, den Verlust der
auf der Oberseite verarbeiteten Passivitäten maßgeblich beeinflusst. Der geringe
Widerstand an der Si-SiO2-Grenzfläche kann
erhöht
werden, indem die obere Oberfläche
des Si-Substrats amorph gemacht wird, um somit die Trägermobilität zu senken.
In unserem Fall wird dies unter Verwendung einer Ionenimplantation
von z. B. Ar oder N nach Züchtung
des thermischen Oxids und vor der Abscheidung der ersten leitenden
Schicht 3 erreicht.
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4 zeigt
einen Graphen des Q-Faktors einer 5nH-Spule als Funktion des Substratswiderstands.
Es wird deutlich, dass eine signifikante Verbesserung des Spulen-Q
für hochohmiges
Si(ρ·4 kΩ·cm) erhalten
wird, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Erhöhung des
Spulen-Q fehlt für
Halbleiterkörper widerstände < 1 kΩ·cm nahezu
vollständig.
Für Substratwiderstände unterhalb von
1 kΩ·cm dominieren
die vom Halbleiterkörper hervorgerufenen
Verluste klar die Verluste, die an der Si-SiO2-Grenzfläche hervorgerufen
werden.
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Eine
weitere Unterdrückung
der Substratverluste wird durch die Einbringung von Gitterdefekten
in den Halbleiterkörper
erreicht. Durch Erzeugen lokalisierter Energiezustände innerhalb
der Bandlücke
von Si wird mobile Ladung gefangen, wobei als Ergebnis der spezifische
Widerstand erhöht
wird. Eine dauerhafte Beschädigung
des Kristallgitters kann hervorgerufen werden, wenn Hochenergiestrahlen
(E > 1 MeV) von elektromagnetischer
Strahlung oder von Partikeln, wie z. B. Ionen und Neutronen, verwendet wird.
Die Bestrahlung ist ein Niedertemperaturprozess und kann daher ausgeführt werden,
nachdem der Stapel der Schichten 3, 4, 5, 7 abgeschieden
und strukturiert worden ist. Ein Van-de-Graaf-Beschleuniger wird verwendet, der eine
Elektronenenergie von 1–5
MeV erzeugt. Die verarbeiteten Wafer werden mit einer Dosis von
1,4·1015 e·cm–2 bestrahlt.
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5 zeigt
einen Graphen des äquivalenten Serienwiderstands
(ESR) des Kondensators 11 als Funktion der Frequenz für Substrate,
die unterschiedliche Behandlungen erfahren haben. Die gepunktete
Linie zeigt die unbehandelte Vorrichtung, während die gestrichelte Linie
die mit Bestrahlung behandelte Vorrichtung zeigt. Die Strich-und-Punkt-Linie
zeigt die mit Implantation behandelte Vorrichtung. Die strichpunktierte
Linie zeigt die sowohl mit Implantation als auch Bestrahlung behandelte
Vorrichtung. Zum Vergleich ist der ESR desselben Kondensators, der
auf einem Glassubstrat verarbeitet worden ist, dargestellt, was
als durchgezogene Linie gezeigt ist. Aus dieser 5 wird
deutlich, dass der ESR nach der e-Strahl-Bestrahlung um etwa die
gleiche Größenordnung
reduziert worden ist, wie es unter Verwendung der Grenzflächen-Ionenimplantation
erreicht wird. Der ESR wird weiter gesenkt, wenn die e-Strahl-Bestrahlung
mit der Grenzflächen-Ionenimplantation
kombiniert wird. Wie erwartet zeigt dies deutlich, dass die Bestrahlung komplementär zur Implantation
ist. Eingeben dieser Daten in das in 3 dargestellte
Modell zeigt, dass der effektive Substratwiderstand um einen Faktor 10.000
(!) erhöht
wird, im Vergleich zu "unbehandeltem" hochohmigen Silicium.
Nach der e-Strahl-Bestrahlung hat sich der Leckstrom des Kondensators 11 nicht
signifikant geändert.