ВАРИКАП Российский патент 1997 года по МПК H01L29/93 

Изобретение может быть использовано в электронной промышленности и относится к полупроводниковым приборам, а именно к варикапам (варакторам), полупроводниковым приборам, реактивностью которых можно управлять с помощью напряжения.

Как известно (Зи С. Физика полупроводниковых приборов, т.1, М. Мир, 1984, с. 80 91, 260 262, 381, 384), во всех трех базовых элементах полупроводниковой электроники (p-n-переходе, барьере Шоттки и структуре металл-диэлектрик-полупроводник) при определенной полярности приложенного напряжения формируется слой полупроводника, обедненный основными носителями заряда, являющийся аналогом диэлектрической прослойки в обычном конденсаторе. Толщина обедненного слоя зависит от напряжения смещения, вследствии чего дифференциальная емкость C полупроводникового прибора может управляться напряжением U. Основными характеристиками варактора являются коэффициент перекрытия по емкости K=C_max/C_min, вид зависимости C(U) и добротность Q.

Типичная конструкция варактора представляет собой плоскопараллельный сильнолегированный слой полупроводника с одним типом проводимости, сформированный на слаболегированной рабочей области с другим типом проводимости. Обе обкладки снабжены омическими контактами для подачи управляющего напряжения. Задавая соответствующий закон распределения примеси в рабочей области варактора, можно реализовать различные зависимости C(U).

Известно техническое решение [1] состоящее в том, что поверхность полупроводниковой пластины выполнена в виде регулярной последовательности гребней прямоугольного сечения, на поверхности сформирован p-n-переход. Таким образом удается на участке поверхности заданной площади сформировать p-n-переход гораздо большей площади. Недостатком данного решения является то, что при определенном соотношении параметров запатентованного конденсатора большой емкости (ширина, высота гребня, степень легирования полупроводника), при некотором значении обратного смещения при полном обеднении гребня основными носителями заряда он скачком превращается в обычный варикап. Заметим также, что существенное превышение рабочей площади такой структуры возможно, если высота гребня много больше ширины. Однако в этом случае возрастают омические потери, связанные с увеличением сопротивления той части объемного сопротивления полупроводника, которая находится внутри гребня. Добротность такого прибора существенно ниже добротности обычных варакторов.

Известно решение, выбранное в качестве прототипа [2] по которому в пластине кремния за счет процессов сплавления и диффузии формируется p-n-переход с концентрацией примеси экспоненциально спадающей вглубь слаболегированной области. При этом получаются варакторы с коэффициентом перекрытия по емкости до сотни.

Минимальное значение емкости традиционных конструкций варикапов, включая вышеупомянутые, определяется напряжением пробоя. Общим недостатком всех традиционных конструкций варакторов является также то, что никаким законом распределения примесей невозможно реализовать линейную зависимость C=C(U). Этот недостаток является наиболее существенным при использовании варакторов в качестве параметрических диодов по той причине, что среднее значение емкости линейного варактора не меняется в зависимости от уровня гармонических сигналов на нем и, следовательно, не происходит расстройки избирательных контуров, в которые включены такие варакторы.

Задачей изобретения является создание варикапов, у которых коэффициент перекрытия по емкости не лимитируется напряжением пробоя, а зависимость C= f(U) является наперед заданной функцией напряжения, а также создание конструкций, обеспечивающих максимальную добротность варикапов.

Это достигается тем, что рабочая область выполнена в виде полупроводниковой пленки, размещенной на подложке противоположного с пленкой типа проводимости или на металлической подложке, образующей с пленкой барьер Шоттки, на рабочем участке пленки 0≅x≅X_max, z1(x)≅z≅z2(x) (в направлении x) создан либо неоднородный профиль распределения примеси N_i(x,y), либо неоднородный профиль толщины пленки D(x), либо неоднородный профиль распределения примеси и толщины пленки, выбор профиля легирования и толщины пленки ограничен условием полного обеднения рабочего участка пленки основными носителями заряда до пробоя p-n-перехода или барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения:

где U_i(x) напряжение пробоя полупроводниковой пленки в сечении xy; y координата, отсчитываемая от общей с подложкой поверхности пленки в направлении вдоль толщины пленки, q элементарный заряд; ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводниковой пленки; U_k встроенный потенциал. Омический контакт к пленке сформирован на свободной поверхности ее рабочего участка и выполнен в виде полосок, соединенных друг с другом, или одной полоски, при этом заданная зависимость емкости от напряжения C(U) в диапазоне внешних запирающих напряжений U_min≅U≅U_max обеспечивается либо выбором функциональной зависимости размера рабочего участка пленки F(x)=z2(x)-z1(x) в направлении z, либо выбором D(x), либо N_i(x,y), где x,z криволинейные ортогональные координаты в плоскости, общей с подложкой поверхности пленки, в том числе и прямоугольные. За пределами рабочего участка пленки выбор профиля легирования и толщины пленки ограничен условием полного обеднения пленки основными носителями заряда при минимальном внешнем смещении на p-n-переходе или барьере Шоттки (U=U_min):
.

Кроме того варикап может отличаться от вышеописанного тем, что на свободной поверхности пленки вдоль направления z сформированы высокопроводящие полоски с зазором относительно омического контакта, проводимость которых в направлении z много больше проводимости пленки. Причем полоски расположены по всей площади рабочего участка пленки. Кроме того варикап может отличаться от вышеописанных тем, что контактная площадка к пленке выполнена на сформированном на ней диэлектрическом или изолирующем полупроводниковом (i-типа) слое. Кроме того варикап может отличаться от вышеописанных тем, что на свободной поверхности пленки (над омическим контактом и высокопроводящими полосками) сформирован диэлектрический или полупроводниковый слой.

Изобретение заключается в таком подборе подходящей геометрии пленки либо профиля легирования, либо того и другого, чтобы при подаче обратного смещения на переход размер области нейтральности в полупроводниковой пленке уменьшался как в направлении y, что имеет место у обычных варикапов, так и в направлении x (что эквивалентно уменьшению площади обкладок в конденсаторе переменной емкости), и в выборе конструкций с как можно меньшими омическими потерями.

На фиг. 1 изображен варактор, в котором зависимость размера ОПЗ (области пространственного заряда) вдоль x от величины обратного смещения используется для получения заданной вольт-фарадной характеристики (ВФХ); на фиг. 2 приведено схематичное изображение высокодобротного варактора на основе кремния с пленкой n-типа на p+подложке с высокопроводящими полосками и вынесенной на диэлектрический слой контактной площадкой; на фиг. 3 приведены расчитанные формы рабочих участков пленки для варикапов с квадратичной ВФХ, полученных внедрением ионов фосфора в пленку кремния толщиной 0,6 мкм, которая размещена на подложке p+типа, при линейно спадающей вдоль направления x дозе имплантации для различных энергий ионов; на фиг. 4 приведена расчитанная форма рабочего участка пленки линейного варикапа; на фиг. 5 приведены теоретические и экспериментальные ВФХ варикапа с формой рабочего участка пленки фиг. 4.

Рассмотрим фиг. 1, на которой изображен варактор, содержащий подложку p+типа 1 с омическим контактом к ней, пленку n-типа 2, омический контакт (токоотвод) 3, выполненный по периметру рабочего участка пленки. На рабочем участке пленки (0≅x≅X_max, 0≅z≅F(x)) в пленке ионным легированием создан неоднородный профиль распределения донорной примеси, причем имплантационная доза возрастает от X_max к 0, а за пределами рабочего участка пленки пленка слабо легирована и полностью обеднена основными носителями заряда при минимальном запирающем внешнем смещении на переходе (U=U_min). В общем случае задача о моделировании емкости с заданными параметрами с математической точки зрения весьма сложна. Однако если D(x)<<F(x), то можно, пренебрегая емкостью между токоотводом и подложкой, записать:

H(U) определяется из условия: D(H)=R(x,U). В свою очередь, R(x,U) определяется из уравнения:

где C(U,U_max) заданная зависимость емкости от напряжения; R(x,U) толщина ОПЗ, H(U) размер области нейтральности в направлении x; ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводника; q элементарный заряд; U_k встроенный потенциал барьера. Т. е. емкость рассматриваемого прибора складывается из большого числа емкостей плоских конденсаторов, расстояние между обкладками каждого из которых зависит от локального легирования и внешнего напряжения. Число суммируемых конденсаторов определяется напряжением U, видом функциональной зависимости толщины пленки D(x) и законом, по которому пленка легируется N_i(x, y). Для того, чтобы выполнялось (1), можно варьировать три параметра: F(x), D(x), N_i(x,y), как каждый по отдельности, так и все вместе, в отличии от обычного варактора, у которого вид C(U) определяется только профилем легирования N_i(x, y). Это обстоятельство позволяет реализовывать самые различные зависимости емкости от напряжения. Рассмотрим наиболее простой для анализа случай, когда напряжение перекрытия U_p(x), даваемое соотношением:

U_min≅U_p(x)≅U_max,
монотонная функция координаты. По мере увеличения запирающего напряжения на переходе ОПЗ постепенно заполняет весь рабочий участок пленки, при этом H(U) и эффективная площадь пластин конденсатора S непрерывно уменьшаются:

где S_k площадь омического контакта над ОПЗ.

Просматривается аналогия между предложенным варикапом и конденсатором переменной емкости, y которого может изменяться как площадь пластин, образующих конденсатор, так и расстояние между ними. При выборе задаваемого закона изменения емкости необходимо учитывать условие:

где x_max размер рабочего участка пленки в направлении x.

Для существенного повышения добротности варикапа на свободной поверхности пленки вдоль направления z формируется большое число высокопроводящих полосок. Полоски должны быть расположены по всей площади рабочего участка пленки с зазором относительно токоотвода. Электрическая связь между полосками может осуществляться только через пленку. Полоски могут быть выполнены из металла, образующего с пленкой омический контакт, или из сильнолегированного полупроводникового материала того же типа проводимости, что и пленка. Проводимость полосок в направлении z много больше проводимости пленки в том же направлении. Схематичное изображение такого варикапа на основе кремния, содержащего p+ подложку 1, на которой расположена неоднородно легированная пленка 2 с токоотводом 3 и высокопроводящими полосками 4 и изолирующим SiO₂ слоем 5, на котором расположена контактная площадка, приведено на фиг. 2. Полоски выполнены из кремния n+типа (получены, например, ионным легированием при низких 10-20 кэВ энергиях ионов) и поверхностно металлизированы. Произведем оценку добротности прибора при отсутствии высокопроводящих полосок (фиг. 1), пренебрегая постоянной составляющей тока, который течет через запертый p-n-переход. В этом случае добротность Q есть отношение емкостного сопротивления варактора к сопротивлению растекания R. Рассмотрим случай, когда H(U)>>F:
Q = 1/(ωCR); R ≈ Fρ/(DH(U)K);
где D средняя толщина пленки, H(U) размер в направлении x области нейтральности, F среднее значение F(x) на промежутке 0≅x≅H(U), ρ среднее удельное сопротивление пленки в области нейтральности, w - угловая частота, K постоянная величина, зависящая от геометрической формы токоотвода (омического контакта). Для любых простых форм K 10 (Бардин и др. Влияние сопротивления на нагрузочную характеристику фотоэлементов с различными вариантами токоотводов. Радиотехника и электроника. т. 10, N4, 1965, стр 726 - 735).

C ≈ ε_sFH(U)/D+S_kεε_o/D
при S_k<<FH(U)
Q ≈ K(D/F)²/(ε_sρω) (4)
Аналогично, если F>>H(U),
Q ≈ K(D/H(U))²/(ε_sρω).
Следовательно добротность лимитируется размером рабочего участка пленки. Поэтому, для повышения добротности необходимо минимизировать размеры или, по крайней мере, один из размеров (вдоль x или z) рабочего участка пленки и выносить контактную площадку, имеющую относительно D очень большие размеры, на сформированный на границе рабочего участка пленки диэлектрический слой, толщина которого много больше толщины пленки, тем самым многократно уменьшая емкость между контактной площадкой и подложкой (фиг. 2). Поскольку F/D>>1, то добротность, даваемую (4), нельзя признать высокой. Способ резкого уменьшения R, и следовательно многократного повышения добротности, заключается в том, чтобы поверхность пленки в условиях полного обеднения основными носителями заряда пленки в ее рабочем участке обладала очень большой проводимостью в направлении z и отсутствием проводимости в направлении x, что практически реализуется формированием на свободной поверхности пленки вдоль направления z большого числа высокопроводящих полосок. Полоски должны быть сформированы по всей площади рабочего участка пленки с зазором относительно токоотвода. Электрическая связь между полосками может осуществляться только через пленку. Полоски могут быть выполнены из металла, образующего с пленкой омический контакт, или из сильнолегированного полупроводникового материала того же типа проводимости, что и пленка. Проводимость полосок в направлении z много больше проводимости пленки в том же направлении (фиг. 2).

Рассмотрим случай, когда H(U)>>F:
R ≈ ρΔ/(DH(U)K);
где Δ величина зазора между высокопроводящими полосками и токоотводом.

Q ≈ KD²/(FΔρωε_s);
т. е. наличие высокопроводящих полосок приводит к возрастанию добротности в F/Δ раз.

Заметим, однако, что при полном обеднении пленки значение емкости пропорционально площади токоотвода S_t (C_min≈ ε_sSt/D) Поэтому при конструировании варакторов со сверхбольшим коэффициентом перекрытия по емкости следует максимально уменьшать ширину полоски токоотвода, тем самым уменьшая S_t. А для увеличения добротности варикапа необходимо уменьшать величину зазора Δ между токоотводом и высокопроводящими полосками. Это расстояние (Δ) определяется разрешающей способностью и точностью совмещения реперных знаков достижимых в процессе литографии и составляет величину порядка одного мкм при фотолитографии и величину порядка 0,1 мкм при электронолитографии. С целью защиты варикапа от электрического пробоя по поверхности (например, между высокопроводящими полосками и токоотводом) на последней может быть сформирован защитный диэлектрический или полупроводниковый слой.

В качестве иллюстрации изобретения на фиг. 3 приведены формы рабочих участков пленки (F(x)=z2(x)-z1(x)), полученные при решении системы (1), (2) для квадратичной зависимости емкости от напряжения C(U,U_max)~ (U_max-U)² для варикапов, полученных внедрением ионов фосфора в слабо легированную пленку кремния n-типа с концентрацией электронов 10¹⁵ в см³ и толщиной 0,6 мкм, которая размещена на подложке p+типа при линейно спадающей вдоль направления x дозе имплантации ( от 10¹²до 2•10¹¹ ионов/см²) при различных энергиях тонов. Кривые представлены в нормированном виде.

На пластине кремния КДБ 0,01 был выращен эпитаксиальный слой толщиной 0,6 мкм с концентрацией электронов 10¹⁵/см^-3, в котором методом ионной имплантации фосфора при энергии ионов 200 кэВ на рабочем участке пленки сформирован неоднородный профиль распределения примеси. Форма рабочего участка (F(x)= z2(x)-z1(x) пленки заранее расчитана по (1), (2) для линейной зависимости емкости от напряжения (C(U,U_max U_max-U) при линейно спадающей вдоль x на промежутке 2 мм дозе имплантации (от 10¹² до 3,3•10¹¹ ионов/см²) и приведена на фиг. 4, на которой X_max=2 мм, F_max=1 мм. Теоретическая (кривая A) и измеренная (кривая Б) ВФХ прибора представлены на фиг. 5, на которой C_max 460 пФ, U_max 4,9 В. Причем было изготовлено два прибора с практически совпадающими ВФХ, один из которых (изображен на фиг. 2) с высокопроводящими полосками (полоски изготовлены имплантацией ионов фосфора при энергии 20 кэВ через маску соответствующей формы при дозе 10¹² ионов/см² и металлизированы аллюминием) и точно такой же второй, но без высокопроводящих полосок. Полоски изготовлены шириной 4 мкм с величиной зазора относительно друг друга и полосок токоотвода 1,5 мкм при ширине токоотвода 1,5 мкм. Контактная площадка площадью 25000 мкм² сформирована на выращенном слое SiO₂ толщиной 15 мкм. Добротность первого варикапа на частоте 10 МГц при внешнем смещении 1,5 В равнялась 200, а второго 0,4. Коэффициент перекрытия по емкости у первого варикапа равнялся 355, а у второго 410.

Изобретение позволяет обычными технологичными средствами создавать высокодобротные варикапы со сверхбольшими коэффициентами перекрытия, с любой наперед заданной зависимостью C(U), а также достаточно сложную проблему формирования заданного примесного профиля заменяет простой задачей формирования маскирующего покрытия заданной формы, что существенно упрощает технологию изготовления прибора.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к варикапам полупроводниковым приборам, реактивностью которых можно управлять с помощью напряжения. Сущность изобретения: варикап, состоящий из полупроводниковой пленки с омическим контактом, размещенной на подложке противоположного в пленкой типа проводимости или на металлической подложке, образующей с пленкой барьер Шоттки, с другим контактом. На рабочем участке пленки 0≅x≅x_max, Z1(x)≅z≅Z2(x) создан либо неоднородный профиль распределения примеси Ni(x, y), либо неоднородный профиль толщины пленки D(x), либо неоднородный профиль распределения примеси и толщины пленки, выбор профиля легирования и толщины пленки ограничены условием полного обеднения рабочего участка пленки основными носителями заряда до пробоя p-n перехода или барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения:
,
где
U_i(x) - напряжение пробоя полупроводниковой пленки в сечении x; y - координата, отсчитываемая от общей с подложкой поверхности пленки в направлении вдоль толщины пленки, q - элементарный заряд; ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводниковой пленки; U_k - встроенный потенциал; омический контакт к пленке сформирован на свободной поверхности ее рабочего участка и выполнен в виде полосок, соединенных друг с другом или одной полоски, при этом заданная зависимость емкости от напряжения C(U) в диапазоне внешних запирающих напряжений U_min≅U≅U_max обеспечивается либо выбором функциональной зависимости размера рабочего участка пленки F(x)=Z2(x)- Z1(x) в направлении z, либо выбором D(x), либо Ni(x,y), где x,z - криволинейные ортогональные координаты в плоскости общей с подложкой поверхности пленки, в том числе и прямоугольные, за пределами рабочего участка пленки выбор профиля легирования и толщины пленки ограничены условием полного обеднения пленки основными носителями заряда при минимальном внешнем смещении на p-n переходе (U= U_min):
.

3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Варикап, состоящий из рабочей области в виде полупроводника электронного либо дырочного типа проводимости, с омическим контактом, на поверхности которого сформирован р-п-переход или барьер Шоттки с другим контактом, выбор функциональной зависимости емкости от напряжения которого определен только выбором примесного профиля, отличающийся тем, что рабочая область выполнена в виде полупроводниковой пленки, размещенной на подложке противоположного с пленкой типа проводимости или на металлической подложке, образующей с пленкой барьер Шоттки, на рабочем участке пленки 0 ≅ Х_м а х, h1(x) ≅ z ≅ z2(x) в направлении x создан либо неоднородный профиль распределения примеси Ni(x, y), либо неоднородный профиль толщины пленки D(x), либо неоднородный профиль распределения примеси и толщины пленки, выбор профиля легирования и толщины пленки ограничены условием полного обеднения рабочего участка пленки основными носителями заряда до пробоя р-п -перехода или барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения

где Ui(x) напряжение пробоя полупроводниковой пленки в сечении x,y;
y координата отсчитываемая от общей с подложкой поверхности пленки в направлении вдоль толщины пленки,
q элементарный заряд;
ε_s- диэлектрическая проницаемость полупроводниковой пленки;
U_k встроенный потенциал;
z1(x), z2(x) граница рабочего участка пленки в направлении z, заданные как функции от х;
U_m i n > U_m a x соответственно минимальное и максимальное внешнее напряжение, подаваемое на р-n-переход или барьер Шоттки;
омический контакт к пленке сформирован на свободной поверхности ее рабочего участка и выполнен в виде полосок, соединенных друг с другом или одной полоски, при этом выбор зависимости емкости от напряжения с(U) в диапазоне внешних запирающих напряжений U_m i n ≅ U ≅ U_m a x обеспечивается либо выбором функциональной зависимости размера рабочего участка пленки F(X) z2(x) z1(x) в направлении z, либо выбором D(x) функциональной зависимости толщины пленки от координаты x, где x, z криволинейные ортогональные координаты в плоскости общей с подложкой поверхности пленки, в том числе и прямоугольные, за пределами рабочего участка пленки выбор профиля легирования и толщины пленки ограничены условием полного обеднения пленки основными носителями заряда при минимальном внешнем смещении на р-n-переходе:

2. Варикап по п.1, отличающийся тем, что на поверхности пленки противоположной той, на которой выполнен р-n-переход либо барьер Шоттки, вдоль направления z сформированы высокопроводящие полоски с зазором относительно омического контакта, проводимость которых в направлении z много больше проводимости пленки в том же направлении, причем полоски расположены по всей площади рабочего участка пленки. 3. Варикап по пп.1 и 2, отличающийся тем, что контактная площадка к пленке выполнена на сформированном на пленке слое диэлектрика или изолирующего полупроводника. 4. Варикап по пп.2 и 3, отличающийся тем, что на поверхности варикапа поверх высокопроводящих полосок и омического контакта сформирован слой из диэлектрика или полупроводника.