DE1951243A1

DE1951243A1 - MOS-Kapazitaetsdiode

Info

Publication number: DE1951243A1
Application number: DE19691951243
Authority: DE
Inventors: Engeler William Ernest
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-10-10
Filing date: 1969-10-10
Publication date: 1970-05-27
Also published as: FR2024788A1; US3535600A; BE740057A

Description

PATENTANWALT
£ FRANKFURT 70

TIROLER STRASSE 61-63

POSTFACH 70 0961
TELEFON 0611/61 65 57

709,- (RD-2234) General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y., USA

MOS - Kapazitätsdiode

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterkapazitätsdioden und im besonderen auf sogenannte MOS - Kapazitätsdioden, die eine sehr stelle Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie aufweisen.

Eine Kapazitätsdiode ist eine Diode, deren Kapazität durch eine

pannung geändert werden kann, die an ihre Anschlüsse angelegt wird. Kapazitätsdioden kann man, was bekannt ist, als MOS - Dioden aufbauen. Eine MOS - Diode weist eine Metallelektrode auf, die auf ein Halbleiterscheibchen aufgelegt ist, wobei die Metallelektrode von dem Halbleiterscheibchen durch eine dielektrische Isolierschicht, üblicherweise durch eine Oxydschicht, voneinander getrennt sind. "MOS - Diode" ist daher die Abkürzung für Metall-Oxyd -^Semiconductor - Diode.

In bekannten MOS - Kapazitätsdioden liegt unter der Metallelektrode ein Halbleiter mit einem verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand. Wenn man annimmt, daß es sich um einen P-leitenden

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Halbleiter handelt, sammeln sich unter der Metallelektrode positive Ladungsträger an, wenn man der Metallelektrode eine negative Spannung zuführt, und die maximale Kapazität ist erreicht. Wenn man die Spannung an der Metallelektrode mehr der Polarität der Ladungsträger annähert, in diesem Falle also die Metallelektrode weniger negativ beziehungsweise positiver macht, nimmt die Kapazität der MOS-Diode ab, da das Halbleitergebiet unterhalb der Metallelektrode an Majoritätsladungsträgern verarmt und die effektive Dicke des Kondensatordielektrikums zunimmt. Durch diese Erscheinung, also durch die Bildung von Verarmungszonen unterschiedlicher Dicke wird die veränderliche Kapazität üblicher MOS - Kapazitätsdioden begründet.

Solche bekannten MOS - Kapazitätsdioden haben sich für viele Zwecke als brauchbar erwiesen. Sie weisen jedoch auch bestimmte Nachteile auf. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, daß die Änderung der Kapazität mit der Spannung (dC/dV) größer wird, wenn der spezifische Widerstand des Halbleiters unmittelbar unter der Metallelektrode zunimmt. Durch eine solche Zunahme des spezifischen Widerstandes wird jedoch in einen Schaltkreis ein Serienwiderstand eingeführt^ der nicht nur für sich selbst nachteilig ist, sondern auch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der die Kapazität einer solchen Diode geändert werden kann. Außerdem ist die Kennlinie einer solchen MOS - Kapazitätsdiode nicht so steil, wie man es' häufig wünscht, wenn man die Diode in dem Verarmungsgebiet ihrer Kennlinie betreibt.

Eine erfindungsgemäße MOS - Kapazitätsdiode weist ein Halbleiterscheibchen mit einem niedrigen spezifischen Widerstand auf, unter dessen einer Oberfläche eine dünne Zone mit hohem spezifischen Widerstand vorhanden ist. Auf diese Zone ist, durch eine dünne Oxydschicht isoliert, eine Metallelektrode aufgelegt worden. In die Zone mit hohem spezifischen Widerstand wird nun von der Oberfläche her ein entgegengesetzt dotiertes Gebiet, das als Emitter wirkt, derart eindiffundiert, daß es zumindest teilweise die Metallelektrode umgibt. Wenn nun an diese Diffusionszone eine passende Spannung angelegt wird, so bewirkt diese Spannung zu-

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sammen iait der Spannung, die an der Kapazitätsdiode selber anliegt _s daß die Ladungskonzentration innerhalb des Kondensatordielektrikunis sehr rasch und stark anwächst, so daß die Kapazität als Funktion der angelegten Spannung sehr rasch und steil anwächst beziehungsweise abfällt.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Figur 1 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße MOS - Kapazitätsdiode.

Figur 2 ist eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Kapazitätsdiode nach Figur 1.

Figur 3 ist ein Schnitt durch die Kapazitätsdiode nach Figur 2 längs der Linie 3'- 3"»

Figur 4 ist eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Figur 5 zeigt vergrößert einen Ausschnitt der Ausführungsform

nach Figur 4 .

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Figur 6 ist ein Schnitt durch die Ausführungsform nach Figur 4 längs der Linie 6¹ - 6".

Figuren 7a und 7b zeigen Kennlinien bekannter und ^erfindungsgeraäßer MOS - Kapazitätsdioden.

In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Kapazitätsdiode dargestellt, die mit "10" bezeichnet ist und Kreissymmetrie aufweist. Die Kapazitätsdiode 10 weist ein Halbleiterschexbchen 11 auf, dessen Gebiet 12 einen verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand hat. Der Widerstand des Gebietes 12 kann beispielsweise 0,01 Ohm-cm betragen, und es kann mit etwa 10 ⁷ Boratomen/ecm

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dotiert sein, so daß es P-leitend ist. Auf dem Gebiet 12 befindet sich eine Schicht 13, die durch epitaxiales Wachstum hergestellt

17 sein kann. Die Schicht 13 ist mit etwa 1,5 x 10 ί Boratomen/ccm dotiert, so daß sie P-leitend ist und einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand von etwa 0,2 Ohm-cm aufweist. Auf die Schicht 13 ist thermisch eine Siliziumdioxydschicht 14 aufgelegt worden, deren Dicke etwa 1000 S beträgt. Hierzu wurde das ganze Halbleiterscheibchen in reinem, trockenem Sauerstoff eine gewisse Zeit lang auf 1000⁰C erhitzt.

Nun wird die Metallelektrode 15 auf die Halbleiterzone 13 beziehungsweise auf die Siliziumdioxydschicht aufgebracht. Hierzu wird das Halbleiterscheibchen auf eine Temperatur von etwa 500⁰C gebracht und die ganze Oberfläche wird in einer Argonatmosphäre mit einer etwa 5000 8 dicken Metallschicht bestäubt, die aus Molybdän bestehen kann. Dieses kann in etwa 30 Minuten durchgeführt Werden. Nach der Herstellung der Molybdänschicht wird unter Anwendung eines photolithographischen Verfahrens die Molybdänschicht mit einem photoempfindlichen Kunststoff beschichtet und derjenige Teil dieser Kunststoffschicht belichtet, der die Metallelektrode 15 bilden soll. Der nicht-belichtete Teil der Kunststoffschicht wird entfernt. Jetzt wird das Halbleiterscheibchen in ein Ätzmittel für Molybdän eingetaucht, also beispielsweise in ein Ätzmittel, das aus 76% Ortophosphorsäure, 6£ Eisessig, 3% Salpetersäure und 15$ Wasser besteht, und das mit einer Geschwindigkeit von etwa 5000 S in 90 Sekunden in die Molybdänschicht einen Ring 16 einätzt, ohne die darunter liegende Oxydschicht anzugreifen.

Das stehen gebliebene Molybdän wird nun als Diffusionsmaske verwendet, um in die Oberfläche des Halbleiterscheibchens ein ringförmiges Emittergebiet 17 einzudiffundieren, das die Molybdänelektrode 15 und einen Teil der Oxydschicht 14 leicht unterschneidet. Wenn das Emittergebiet 17 N-leitend werden soll, kann man eine etwa 4000 8 dicke Schicht aus Siliziumdioxydglas durch pyrotlytische Zersetzung auf dem Halbleiterscheibchen abscheiden, die mit etwa 1$ Bor dotiert ist. Hierzu kann man Argon durch Hin-

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durchleiten durch Äthylortosilikat mit dieser Substanz und durch Hindurchleiten durch Triäthy!phosphat mit Triäthy!phosphat sättigen j die beiden Argonströme im Verhältnis 10 : 1 mischen und sie dann über das Halbleiterscheibchen leiten, das auf einer Temperatur von etwa 800⁰C gehalten wird. Dieser Vorgang dauert etwa 7 Minuten. Anschließend wird das Halbleiterscheibchen auf etwa 1050°c erhitzt, Innerhalb von 8 Minuten diffundieren dann Phosphoratome bis zu einer Tiefe von 3OOO % in das Halbleiterscheibchen hinein, die dann gleichzeitig die Elektrode 15 und die Oxydschicht 14 um etwa 3OOO 8 unterschneiden.

Nach der Diffudion des Phosphors in das Emittergebiet 17 hinein, das daraufhin N-leitend ist und die Metallelektrode 15 leicht unterschneidet, werden die Metallelektrode 15 und das Emittergebiet kontaktiert. Hierzu werden unter Anwendung einer Maske in die dotierte Glasschicht Löcher geätzt und durch diese Löcher wird Aluminium aufgedampft. Die Kontaktstelle für das Emittergebiet ist mit "18" und die Kontaktstelle für die Metallelektrode mit "21" bezeichnet worden.

Die Kapazitätsdiode nach Figur 1 arbeitet als variabler Kondensator etwa auf folgende Weise: Der P-N-übergang 25 zwischen dem ^-leitenden Diffusionszone 17 und der epitaxial aufgebrachten P-leitenden Schicht 13 _s deren Widerstand hoch ist, ist über eine

eitung 20 und eine Kontaktstelle 22 mit der Basis der Kapazitätsdiode verbunden. Die Eingangsspannung wird über die Anschlüsse 23 und 24 zugeführt und liegt zwischen der Elektrode 15 und einer kontaktelektrode 19 unten an der Basis der Kapazitätsdiode an* Wenn die Elektrode 15 gegenüber der Kontaktelektrode 19 so stark positiv wird, daß eine Injektionsschwelle überschritten wird, die eine Kenngröße der Kapazitätsdiode ist, werden aus der Schicht unmittelbar unterhalb der Metallelektrode 15 positive Ladungsträger herausgedrängt. Bei der erfindungsgemäßen Kapazitätsdiode werden dann vom P-N-übergang 25 her proportional zur angelegten

pannung Minoritätsträger, hier also Elektronen, in die epitaxiale, P-leitende Schicht direkt unterhalb der Metallelektrode 15 injiziert. Diese Injektion findet nicht sofort statt, sondern sie

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hängt von vielen anderen Parametern ab, beispielsweise von der Höhe der angelegten Spannung und von der Leitfähigkeit der P- und der N-leitenden Gebiete beziehungsweise Zonen.

In den Figuren ja und 7b sind nun die Kennlinien bekannter MOS-Kapazitätsdioden und im Vergleich hierzu erfindungsgemäßer Kapazitätsdioden dargestellt. Die Kurve A in der Figur 7a zeigte wie sich die Kapazität einer bekannten MOS - Kapazitätsdiode mit der Spannung ändert, also bei einer Kapazitätsdiode, die wie die Diode nach Figur 1 aufgebaut ist, bei der nur die Diffusionszone 17 weggelassen wurde. Die Kurve A gilt für den Fall, daß die Leitfähigkeit der epitaxialen Schicht 13 sehr gut ist. Man sieht, daß sich die Kapazität nur verhältnismäßig wenig mit der Spannung ändert. Die Kurve B gilt für den Fall, daß der spezifische Widerstand der epitaxialen Schicht 13 verhältnismäßig hoch ist. Man sieht, daß dann die Kapazitätsänderungen mit der Spannung größer sind. Andererseits wird aber dann in einen Schaltkreis ein Serienwiderstand mit allen damit verbundenen Nachteilen eingeführt.

Die Figur 7b zeigt dagegen, wie sich die Kapazität einer erfindungsgemäßen MOS - Kapazitätsdiode mit der Spannung ändert. Der Arbeitspunkt P der Diode ist durch einen Pfeil gekennzeichnet, der auf die Mitte des linearen Teils der Kennlinie weist, der dem Auftreten von Inversionen in der Kapazitätsdiode entspricht. Die maximale Kapazität C ist vorhanden, wenn an der Metallelektrode 15 ein negatives Potential anliegt. Wenn das Potential weniger negativ wird, bildet sich unterhalb der Metallelektrode 15 eine Verarmungsschicht aus, die immer dicker wird, so daß die Kapazität abnimmt. Die kleinstmögliche Kapazität wird an einem Punkt erreicht, an dem die Metallelektrode 15 gegenüber der Basis der Kapazitätsdiode etwas positiv ist. Am Punkt P^ der Kennlinie tritt nun eine Inversion auf, und es werden von der Diffusionszone 17 Elektronen in die Oberflächenschicht direkt unterhalb der Metallelektrode 15 injiziert, so daß sich dort sehr rasch adungen ansammeln. Damit ist verbunden, daß sich die Kapazität sehr stark mit der Spannung ändert. Wo der Punkt P^ nun genau liegt, hängt von den verschiedenen Parametern der Kapazitätsdiode

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ab, Der allgemeine Verlauf der Kennlinie wird jedoch nicht davon berührt, bei welcher Spannung die Inversion auftritt.

Obwohl die maximale Kapazität im Inversionsgebiet, also rechts vom Punkt P. nicht größer ist als die maximale Kapazität, die auf einer Verarmungsschicht beruht, die also links vom Punkt P. durch e dargestellt ist, sieht man, daß sich die Kapazität im Inversionsgebiet der Kennlinie wesentlich stärker mit der Spannung ändert als im Gebiet, in dem_rdie Kapazitätsänderung auf der Bildung von Verarmungszonen beruht. Wenn man also den Arbeitspunkt der Kapazitätsdiode so wählt, daß er dem Punkt P der Kennlinie entspricht, ist es möglich, gegenüber bekannten MOS - Kapazitätsdioden, deren Wirkung auf der Bildung von Verarmungsschichten beruht, wesentlich stärkere Kapazitätsänderungen mit der angelegten Spannung zu erzielen.

Um nun erfindungsgemäße MOS - Kapazitätsdioden optimal in Schaltkreisen verwenden zu können, sollte nicht nur ihr Serienwiderstand verhältnismäßig niedrig sein, der durch die 'Halbleiterschicht zwischen den Kondensatorplatten bedingt ist. Außerdem sollte auch die feste Serienkapazität der Diode niedrig sein, um die Kapazitätsdiode auch für Hochfrequenz oder für steile Impulse .verwenden zu können.

Um dieses zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Abstände zwischen der Diffusionszone und dem Halbleitergebiet direkt unter der Metallelektrode so klein wie möglich sind, damit die entgegengesetzten Ladungsträger möglichst schnell in das Gebiet unterhalb der Metallelektrode gelangen beziehungsweise"dieses Gebiet möglichst schnell wieder verlassen können» Aus der schematischen Darstellung der Figur 1 geht dieser Gesichtspunkt nicht hervor. In der Figur 2 ist dagegen eine Ausführungsform dargestellt, die diesen Gesichtspunkten genügt, während die Figur 3 einen Schnitt längs der Linien 3¹ - 3" durch die Ausführungsform nach Figur 2 darstellt. .

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Die erfindungsgemäße Kapazitätsdiode nach den Figuren 2 und 3 ist mit "30" bezeichnet worden. Sie weist ein monokristallines HaIbleiterscheibchen auf, vorzugsweise aus Silizium, dessen Basisgebiet 32 P-leitend mit etwa 10 * Boratomen/ccm dotiert sein kann, so daß dieses Basisgebiet einen spezifischen Widerstand von nur etwa 0,01 Ohm-cm aufweist. Auf dem P-leitenden Basisgebiet liegt eine ebenfalls P-leitende Schicht 33, deren spezifischer Widerstand größer ist und etwa 0,2 Ohm-cm beträgt. Die Schicht 33 kann man dadurch herstellen, daß man in das Basisgebiet zur Kompensation des Bors Donatoren eindiffundiert. Günstiger ist es jedoch, die' P-leitende Schicht 33 epitaxial abzuscheiden. Die

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Schicht 33 kann mit etwa 1,5 x 10 Boratomen/ccm dotiert sein.

Wie bei der Ausführungsform nach Figur 1 wird auch bei der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 auf der freiliegenden Fläche der Schicht 33 eine dünne, dielektrische Isolierschicht 3^ hergestellt, die aus Siliziumdioxyd bestehen kann. Die Siliziumdioxydschicht Jk wird dadurch hergestellt, daß man das Halbleiterscheibchen 31 in reinem, trockenem Sauerstoff 80 Minuten lang auf einer Temperatur von etwa 1000⁰C hält. Dadurch bildet sich eine etwa 1000 S dicke Siliziumdioxydschicht, die anfänglich das gesamte Scheibchen bedeckt. Die Siliziumschicht wird dann mit einer Maske versehen und geätzt, so daß nur noch über der aktiven Zone der Kapazitätsdiode eine Siliziumdioxydschicht stehen bleibt.

Jetzt wird das ganze Scheibehen und die Oxydschicht mit einer dünnen Metallschicht überzogen, die mit der Siliziumdioxydschicht nicht reagiert. Herzu kann man Molybdän, Wolfram oder auch andere, vorzugsweise hochwarmfeste Metalle verwenden. Man kann diese Metallschicht durch Zerstäubung herstellen, während das Halbleiterscheibchen auf einer Temperatur von etwa 500⁰C gehalten wird. Zur Herstellung einer etwa 5000 8 dicken Molybdänschicht genügen etwa 30 Minuten.

Nachdem die 5000 8 dicke Molybdänschicht hergestellt worden ist, wird in sie eine öffnung eingeätzt, die der öffnung 36 aus den Figuren 2 und 3 entspricht. Hierzu wird zweckmäßigerweise die

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ganze Molybdänschicht mit einem photopolymerisierbaren Kunststoff überzogen, dieser Kunststoff mit einem ultravioletten ild der · öffnung 36 belichtet (beziehungsweise mit dem Negativ dieses Bildes) , dann die Kunststoffschicht polymerisiert und oberhalb der herzustellenden öffnung 36 entfernt. Anschließend wird das Halbleiterscheibchen in ein Ätzmittel für das Material eingetaucht, aus dem die Metallschicht besteht. Wolfram kann man mit einem Ätzmittel auf Perricyanidbasis ätzen. Molybdän läßt sich mit,einem Ätzmittel behandeln, das im wesentlichen aus 76% Ortophosphorsäure, 6% Eisessig, 3% Salpetersäure und 15% Wasser besteht. Die Ätzgeschwindigkeit beträgt etwa 5000 8 in 90 Sekunden. Nach dem Ätzen wird das Halbleiterscheibchen aus dem Ätzmittel herausgenommen, in destilliertem Wasser gewaschen und die restliche Kunststoffschicht wird entfernt.

Jetzt werden durch die öffnung 36 in der Molybdänschicht 35 sowie durch die darunterliegende, ungestörte Siliziumdioxydschicht 3¹* Aktivatoren in das Halbleiterscheibchen eindiffundiert, durch die eine Oberflächenschicht 37 entgegengesetzt zur ursprünglichen Dotierung dotiert wird. Wenn das Halbleiterscheibchen 31 P-leitend ist, kann man in die Oberflächenschicht 37 Phosphor eindiffundieren. Hierzu kann man auf dem Halbleiterscheibchen eine etwa 3000 S dicke Schicht eines phosphordotierten Silikatglases abscheiden und den Phosphor aus dem Glas in das Halbleiterscheibchen eindiffundieren lassen. Die Herstellung der Silikatglasschicht erfolgt zweckmäßigerweise so, daß man Argon mit Äthylortosilikat und mit Triäthylphosphat sättigt und über das Halbleiterscheibchen strömen läßt, während die Temperatur des Halbleiterscheibchens etwa 800⁰C beträgt, so daß eine pyrolytische Zersetzung stattfindet.

Mach der Herstellung der Phosphordotierten Glasschicht wird das Halbleiterscheibchen etwa 80 Minuten lang auf einer Temperatur von etwa IO5O⁰ gehalten. Während dieses Schrittes, der unter Argon durchgeführt wird, diffundiert Phosphor etwa 3OQO 8 tief in das Halbleiterscheibchen ein und diffundiert auch in Querichtung etwa 3000 S unter die Siliziumdioxydschicht 3¹*.

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Nun werden in die phosphordotierte Glasschicht kleine Löcher geätzt, um die Molybdänschicht 35 bei "41" kontaktieren zu können*

Nun wird die dotierte Oxydschicht nach üblichen photolitographi^ sehen Verfahren mit einer Maske versehen, um ihren Rand wegzuätzen, der dort liegt, wo eine Elektrode 38 hergestellt werden soll. Hierzu gehört auch ein Teil unterhalb der öffnung 36, wie es aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht. Hierzu kann man wieder das Halbleiterscheibchen mit einem photoempfindlichen Kunststoff überziehen, den Kunststoff im Gebiet der Elektrode 38 sowie einen Teil des Gebietes 36 wegätzen und schließlich den Kunststoff entwickeln, um den Kunststoff gleichzeitig aus dem Elektrodengebiet 38 zu entfernen. Dann wird das Halbleiterscheibchen so lange in ein Ätzmittel für Siliziumdioxyd eingetaucht, bis die Oberfläche des Siliziumscheibehens 31 freiliegt. Als Ätzmittel ist gepufferte Flußsäure geeignet.

Nach der Entfernung des Siliziumdioxyds in den nicht maskierten

ebieten wird der freiliegende Rand der Molybdänschicht und das darunterliegende Oxyd zuerst durch Anwendung eines Molybdänätzmittels und anschließend mit gepufferter Flußsäure weggeätzt. Nun wird zur Herstellung der Elektrode 38 auf das Scheibchen eine dünne Aluminiumschicht aufgedampft. Das überschüssige Aluminium wird dann entfernt, wenn nach der Aufdampfung des Aluminiums das Halbleiterscheibchen in ein Lösungsmittel eingetaucht und gescheuert wird, um sowohl den Kunststoff als auch das darauf liegende Aluminium wegzunehmen* Jetzt wird an der Elektrode öS ein Kontakt 43 hergestellt. Das Basisgebiet 32 der Diode kann ebenfalls mit einer dünnen Aluminiumschicht überzogen werden, die bei '42" mit einem Kontakt versehen ist. Zum Herstellen der Kontakte 41 und 43 kann man unter Verwendung von Masken in die phosphordotierte Glasschicht oberhalb der Elektroden 35 und 38 Löcher einätzen und in diese Löcher Aluminium eindampfen.

Die Kapazitätsdiode nach den Figuren 2 und 3, die so hergestellt wurde, wie es gerade beschrieben worden ist, zeichnet sich durch eine niedrige feste Serienkapazität aus. Die Metallelektrode 35

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j»

wird von dem Kontaktgebiet zwischen der entgegengesetzt dozierten Zone unterhalb der öffnung 36 vollständig umgeben. Da die Metallelektrode 35 sehr lang und dünn ist, können Ladungsträger, die von dem als Emitter wirkenden P-N-übergang 45 injiziert werden, sehr rasch unter die Metallelektrode 35 beziehungsweise in entgegengesetzter Richtung wandern, wenn die Spannung zwischen den Kontakten 41 und 42 geändert wird.

Die Kontakte 42 und 43 können miteinander verbunden werden und dann den einen Anschluß für die MOS - Kapazitätsdiode darstellen. Der Gegenanschluß ist dann am Kontakt 41 herzustellen. Man braucht aber die Kontakte 42 und 43 nicht miteinander zu verbinden, da die Schicht 38, die die entgegengesetzt dotierte Oberflächendiffusionszone 37 und die Schicht 33» deren Widerstand verhältnismäßig hoch ist, überlappt, als innere Verbindung zur Basiszone der Kapazitätsdiode angesprochen werden kann. Wenn man also einen Anschluß zur Elektrode 42 herstellt, ist auch die Elektrode 43 angeschlossen. Es kann jedoch zweckmäßig sein, eine äußere Verbindung vorzusehen, um jeden Serienwiderstand zwischen den Elektroden auszuschließen.

Die Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 ist in ihrer einfachsten Form ein schnell ansprechender, für Hochfrequenz geeigneter veränderlicher Kondensator mit einer niedrigen festen Serienkapazität. Eine weiter entwickelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen*MOS-Kapazitätsdiode ist nun in der Figur 4 dargestellt. Die Figur 5 zeigt einen Teil der Ausführungsform nach Figur 4 in vergrößertem Maßstab, und die Figur 6 ist ein Schnitt durch die Ausführungsform rtach Figur 4. ·

Die Kapazitätsdiode nach den Figuren 4 und 6 ist mit "50" bezeichnet worden. Sie weist ein monokristallines Halbleiterscheibchen 51 auf, dessen Hauptteil 52 beispielsweise aus bordotiertem Silizium besteht, so daß es P-leitend ist und einen' hohen Leitwert aufweist. Auf den Hauptteil 52 ist. eine epitaxiale ebenfalls bordotierte Siliziumschicht 53 aufgelegt worden, deren spezifischer Widerstand hoch ist. In der epitaxialen Siliziumschicht 53

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befindet sich eine entgegengesetzt dotierte Zone 57» die eine Molybdänelektrode 58 leicht unterschneidet. Die Molybdänelektrode 58 läuft am Rand der oberen Fläche des Halbleiterscheibchens entlang und umgibt eine Oxydschicht 54 sowie eine darauf liegende Molybdänschicht 55. Wie aus den Figuren 4 und 5 im einzelnen hervorgeht, weist die MOS-Elektrode einen Mittelteil 54b auf, von dem eine Anzahl von Fingern 54a ausgehen, die in Finger 68 der Molybdänelektrode 58 kammartig eingreifen. -

Wie aus der Figur 5 näher hervorgeht, liegen die Finger 54a der MOS-Elektrode 54 zwischen den Fingern 68 der Molybdänelektrode 58, die sowohl mit N-leitenden als auch mit P-leitenden Oberflächenzonen des Halbleiterscheibchens in Verbindung stehen. Die oberflächendiffundierte, entgegengesetzt dotierte Zone 57, die als Emitter wirkt, liegt unter den Fingern 68 der Molybdänelektrode 58 und unterschneidet etwa den Außenrand der Elektrode 58, wie es im Gebiet 66 gestrichelt, dargestellt ist. Außerdem unterschneidet die Zone 57 auch etwas die Finger 54a der MOS-Elektrode, wie es in Figur 5 bei "67" gestrichelt dargestellt ist. Das Ausmaß, in dem die Zone 57 die Finger 54a der Elektrode 54 unterschneidet, ist etwa gleich der Diffusionstiefe in der P-leitenden Schicht 53 mit hohem spezifischen Widerstand.

Ein weiteres Merkmal dieser Ausführungsform geht aus der Figur hervor, die einen schematischen Querschnitt durch die Ausführungsform nach Figur 4 darstellt. Man sieht, daß die Oxydschicht unter der MOS-Elektrode in der Mitte bei 54b dick ausgebildet ist, und daß von diesem dicken Mittelteil 54b dünne Zonen 54a ausgehen, die unter den Fingern 55a liegen, die in den Figuren 4 und näher dargestellt sind. Die dünnen Zonen der Oxydschicht dienen dazu, den P-N-Übergang 65 zwischen der entgegengesetzt dotierten Zone 57 und dem P-leitenden Gebiet an der Oberfläche zu passivieren, während der dicke Mittelteil der Oxydschicht diejenige Stelle ist, an der die MOS-Elektrode 55 mit einem guten ohmschen Kontakt versehen wird. ' .

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Die Ausfuhrungsform nach den Figuren 4, 5 und 6 kann wie folgt hergestellt werden:

Man geht von einem P-leitenden monokristallinen Halbleiterscheibchen aus, dessen spezifischer Widerstand etwa 0,001 Ohm-cm be-

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trägt, und das mit etwa 10 Boratomen/ecm dotiert ist. Nun wird durch Zersetzung von Siliziumtetrachlorid eine etwa 2 Mikron dicke epitaxiale Siliziumschicht auf dem Scheibchen hergestellt.

Diese epitaxiale Siliziumschicht weist einen Widerstand von etwa

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0,2 0hm-cm auf, und sie ist mit etwa 1,5x10 ' Boratomen/ccm dotiert. Nun wird auf der epitaxialen Siliziumschicht eine etwa 1 Mikron dicke Siliziumdioxydschicht erzeugt. Hierzu wird das Scheibchen unter reinem, trockenem Sauerstoff etwa 60 Stunden lang auf einer Temperatur von 1000⁰C gehalten. Die Siliziumdioxydschicht wird nun mit einem photoempfindlichen Kunststoff überzogen, der derart mit einem Muster versehen wird, daß nur der dicke Mittelteil 54b der Siliziumdioxydschicht stehen bleibt, wenn der Kunststoff entwickelt und das Scheibchen geätzt worden ist. Nach Entfernung des Kunststoffes werden alle nicht-oxydierten Teile des Halbleiterscheibchens mit einer dünnen, etwa 400 Ä starken Siliziumdioxydschicht überzogen. Hierzu kann man das Scheibchen in trockenem, reinem Sauerstoff 30 Minuten lang auf einer Temperatur von etwa 1000⁰C gehalten und anschließend wird das Scheibchen noch 2 Stunden lang in Helium bei 1OQO⁰C getempert.

Nach dem Austempern der dünnen Oxydschicht wird auf die ganze Oberfläche eine etwa 5000 X dicke Molybdänschicht aufgebracht. Dieses kann durch Zerstäuben von Molybdän geschehen, während das Scheibchen auf einer Temperatur von etwa 5OQ⁰C gehalten wird. Nun wird auf der Molybdänschicht nach bekannten Verfahren mittels eines photoempfindlichen Kunststoffes eine Maske aufgebracht, die der MOS-Elektrode 54 entspricht. Die Pinger können dabei etwa 0,003 mm breit und etwa 0,125 mm lang sein, während die Abmessungen des Mittelteils 0,075 mm χ 0,125 nan betragen können. Zweckmäßigerweise sieht man 10 Pinger vor, deren Abstand etwa

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0,02 mm voneinander betragen kann. Die Maske aus photoempfindlichem Kunststoff deckt außerdem den Randteil 58 der Molybdänschicht ab, so daß der Abstand zwischen den Außenteilen des Musters 54 und dem Rand 58 der Molybdänschicht etwa 0,05 bis 0,075 mm beträgt. Nach der Herstellung der Maske auf der Molybdänschicht wird das Molybdän geätzt. Hierfür geeignete Ätzmittel sind bereits angegeben worden.

Nach dem Ätzen der Molybdänschicht, das erfolgt, um den Mittelteil der Schicht von den Randgebieten der Schicht zu trennen, wird auf dem ganzen Scheibchen eine etwa 3000 8. dicke, mit 1% Phosphor dotierte Silikatglasschicht abgeschieden. Dann wird das Halbleiterscheibchen unter Argon 40 Minuten lang auf einer Temperatur von etwa 1050⁰C gehalten, um Phosphor durch die 400 A* dicke, neu hergestellte Siliziumdioxydschicht hindurch 3000 8 tief in die epitaxiale Siliziumschicht auf dem Halbleiterscheibchen eindiffundieren zu lassen.Hierbei diffundiert der Phosphor auch noch etwa 3000 S weit unter die Ränder der Pinger und unter die Innenkante des stehengebliebenen Randes 58 der Molybdänschicht. Der Flächenwiderstand der so hergestellten N-leitenden Oberflächendiffusionszone beträgt etwa 30 0hm pro Quadrateinheit.

Nach der Herstellung der N-leitenden Diffusionszone in dem P-leitenden Gebiet des Halbleiterscheibchens 51 wird auf dem Scheibchen mittels eines photoempfindlichen Kunststoffes eine Maske hergestellt, um die Gebiete zwischen den Molybdänfingern 54 a freizulegen. Ein Abstand von etwa 0,005 nun um die Finger 54a herum bleibt bedeckt. Auch ein Mittelteil 61 des Gebietes 54b wird belichtet, so daß nach der Bildung der Maske und dem Wegätzendes Siiiziumdioxydes zwischen den Fingern 54a der Molybdänschicht 54 und nach dem Entfernen des Molybdäns vom Rand in der Mitte eine Kontaktstelle zum Gebiet 54b freiliegt. Nach dem Ätzen, nach der Entfernung der Maske und nach dem Spülen wird das ganze Scheibchen mit einer etwa 5000 S dicken aufgedampften Aluminiumschicht überzogen und 10 bis 15 Minuten lang bei einer Temperatur von etwa 550° gehalten, um sowohl zu den N-leitenden, als Emitter wirkenden Zonen zwischen den Fingern 54a als auch zu den am Rand

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liegenden P-leitenden Zonen Ohmsche Kontakte herzustellen. Auf diese Weise werden die Kontakte 68 für die N-leitenden Zonen zwischen den Fingern 54a und der Kontakt 58 hiergestellt, derauf dem P-leitenden Basisgebiet des Halbleiterscheibchens aufliegt und auch die N-leitende Diffusionszone überlappt. Die einzelnen Aluminiumkontaktteile werden dann durch Maskieren und Ätzen von einander getrennt. Zu Schluß wird noch das Aluminium über dem Molybdänmittelteil 54b bei 61 sowie das Aluminium des Kontaktes mit Anschlußdrähten versehen.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen MOS-Kapazitätsdioden kann man die beschriebenen Muster und Masken viele Male nebeneinander auf einem einzigen Halbleiterscheibchen hervorrufen, um eine größere Anzahl von Kapazitätsdioden gleichzeitig herzustellen. Vor dem Anbringen der Anschlußdrähte wird das Halbleiterscheibchen dann zerschnitten und die Kapazitätsdioden werden einzeln durchgeprüft. Man kann auch andere Elektrodenanordnungen verwenden, die ineinander greifen, also beispielsweise radiale Elektrodenanordnungen oder serpentinenartig verlaufende Elektroden beziehungsweise Finger. Die Verwendung der Oxydschicht mit einem dicken Mittelteil und sehr dünnen Zonen, die vom Mittelteil ausgehen, ist von der Verwendung ineinandergreifender Elektroden und Zonen unabhängig, so daß beide Maßnahmen getrennt voneinander angewendet werden können.

Wenn man Kapazitätsdioden, die so hergestellt worden sind, wie es gerade beschrieben wurde, iai Inversionsgebiet etwa 1 Volt über der minimalen Kapazität betreibt, was einem Arbeitspunkt entspricht, der in der Figur 7b mit P bezeichnet worden ist, zeigen sie eine Gleichgewichtskapazität von etwa 3 pP, und die Steigung ihrer Kennlinie dC/dV beträgt etwa 0^3 pF/V. Sie weisen eine Oberflächenbeweglichkeit von etwa 400 cm /Volt-sec auf. Solche Kapazitätsdioden kann man mit Frequenzen bis hinauf zu 1 Gigahertz betreiben. Es lassen sich sogar noch höhere Frequenzen erzielen, wenn man die Breite der Molybdänfinger 55a kleiner macht. Höhere Kapazitäten kann man durch Erhöhung der Anzahl der Finger oder ihrer Länge erreichen.

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Die maximale Kapazität C_Q wird durch die Dicke der Isolationsschicht zwischen der MOS-Elektrode und dem Halbleiter beeinflußt, und außerdem vom spezifischen Widerstand des Halbleiters direkt unter der MOS-Elektrode, wie es bereits beschrieben wurde. Das Frequenzverhalten erfindungsgemäßer MOS-Kapazitätsdioden hängt von der Oberflächenbeweglichkeit linear ab und ist außerdem dem Quadrat des größten Abstandes umgekehrt proportional, der von einem Ladungsträger überquert werden muß. Da die Betriebsfrequenz von C und von dC/dV abhängt, können die Parameter für die erfindungsgemäßen MOS-Kapazitätsdioden für irgend einen Wert von dC/dV und für irgend eine Betriebsfrequenz an Hand dieser Kriterien bestimmt werden, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist.

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Claims

Patentansprüche

MOS - Kapazitätsdiode, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptfläche eines in einer Richtung dotierten Halbleiterscheibchens zumindest teilweise mit einer Isolierschicht bedeckt ist, auf die zumindest teilweise eine Metallschicht aufgelegt ist, die eine Kondensatorplatte darstellt, daß eine weitere Fläche des Halbleiterscheibchens zwecks Bildung der zweiten Kondensatorplatte kontaktiert ist, daß an die beiden Kondensatorplatten eine Spannung anlegbar ist, und daß dicht neben der ersten Metallschicht eine Zone vorgesehen ist, von der nach Anlegen einer Spannung, deren Polarität der Dotierung des Halbleiterscheibchens entspricht, in das Gebiet unter der Metallschicht Ladungsträger der entgegengesetzten Polarität injizierbar sind, so daß unterhalb der Metallschicht Inversionen auftreten und die Änderungen der Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung am Kondensator sehr schnell und hoch sind.

MOS-Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Umfang zur Fläche der Metallschicht, die die erste Kondensatorplatte darstellt, sehr groß ist, so daß das Gebiet unterhalb der Metallschicht für die injizierten Ladungsträger leicht zugänglich ist.

3. MOS - Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht einen dicken Mittelteil aufweist, von dem mehrere dünne Zonen ausgehen.

4. MOS - Kapazitätsdiode nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß die Zone, von der Ladungsträ-* ,er der entgegengesetzten Polarität injizierbar sind, den Rand der dünnen Zonen der Isolierschicht unterschneidet.

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5. MOS - Kapazitätsdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht sowie die Kontakte zur Zone, von der Ladungsträger entgegengesetzter Polarität injizierbar sind, fingerartige Teile aufweisen, die kammartig ineinander greifen.

6. MOS - Kapazitätsdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , das Halbleiterscheibchen ein in-einer Richtung dotiertes Siliziumscheibchen mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,1 Ohm-cm ist, und daß die Zone, von der Ladungsträger der entgegengesetzten Polarität injizierbar sind, eine entgegengesetzt dotierte Siliziumzone mit einem Flächenwiderstand von etwa 30 Ohm pro Quadrateinheit ist.

7. MOS - Kapazitätsdiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumscheibchen mit Bor und die entgegengesetzt dotierte Zone mit Phosphor dotiert sind.

8. MOS - Kapazitätsdiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumscheibchen mit Phosphor und die entgegengesetzt dotierte Zone mit Bor dotiert sind.

9. MOS - Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Kondensatorplatten und gleichzeitig an die Zone, von der Ladungsträger ent-

egengesetzter Polarität injizierbar sind, eine Spannung anlegbar ist, so daß in das Gebiet unter der ersten Kondensatorplatte zwecks Hervorrufens einer Inversion Ladungsträger der entgegengesetzten Polarität injizierbar sind.

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