JP4868683B2 - 可変容量キャパシタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変容量キャパシタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、逆バイアスをかける接合に一致するキャパシタが、印加する電圧が上昇するにつれて漸進的に減少する容量を有する技術が知られている。
【０００３】
この種のキャパシタは、例えば、ヒューレットパッカードの特許文献１に説明されており、図１に図解されている。それらの容量対電圧曲線を図２に示す。
【０００４】
図１は、上部Ｎ型領域１及び端子Ａに連結される金属層３で被覆される下部Ｎ⁺ 型領域２を備える基板を示す。基板の上面には窪み部６により分けられるリリーフ内部５が設けられている。絶縁領域７は、リリーフ内部５の先端部に形成される。Ｐ型領域８は、窪み部６の下部においてだけではなく、リリーフ内部５の側面方向壁においても形成される。導電層９は上部全面に形成されており、端子Ｂに連結される金属層１０で被覆されている。
【０００５】
正の電圧が端子Ｂに関して端子Ａに印加されると、領域８と基板１又はリリーフ内部５との間のＰＮ接合が逆バイアスをかけられ、キャパシタに相当する。
【０００６】
【特許文献１】
英国特許出願公開第２３０５００２号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図２は、電圧が上昇するにつれてこのようにして形成されるキャパシタの容量Ｃの変動を示す。電圧Ｖ_ABが小さい場合、容量Ｃは、基本容量パターンの外周線に実質的に正比例する。実際に、リリーフ内部の半導体部は軽くドーピングされているという事実のために、構造の上部の表面積単位あたりの容量は、接合の表面積単位あたりの容量とほとんど差を示さない。空間電荷領域が広がるにつれて、容量は、空間電荷領域が接合する時点で、リリーフ内領域の容量が抑制される、つまりそれが容量の値の足しにならないと考えられるまで漸進的に減少する。電圧の閾値Ｖ_T の場合、それから、パターンの容量は、それがリリーフ内部の外周線に実質的に正比例する状態から、それがパターンのピッチに正比例する状態へと変化する。第１段階中に漸進的に変化し、その後閾値電圧Ｖ_T について低下する容量を有するキャパシタは、このようにして得られる。しかしながら、図２に図示されるように、容量低下の大部分は漸進的であり、「切り替えられた」部分は総容量変化のほんの一部に相当するにすぎない。
【０００８】
本発明の目的は、所定閾値を超えた電圧が印加されると不意に減少する容量を有するキャパシタを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、第１ドーピング型の半導体基板内に形成される窪み部により分けられるリリーフ内領域の周期的な構造を備える可変容量キャパシタを提供し、リリーフ内領域の壁及び窪み部の下部は導電層で被覆されており、基板はキャパシタの第１端子に連結され、導電層はキャパシタの第２端子に連結されており、少なくとも窪み部の下部又はリリーフ内領域の側面に第２ドーピング型の領域を備え、リリーフ内部のピッチは、端末間の電圧差が所定の閾値を超えると、第２ドーピング型の領域に連接する空間電荷領域が接合するように選択されている。第２ドーピング型の領域を含まない領域は絶縁材で被覆され、基板の導電型の高ドーピングされた領域が該絶縁材の下に形成される。
【００１０】
本発明の実施態様によれば、導電層は、金属層で被覆される第２ドーピング型のポリシリコン層を備える。
【００１１】
本発明の実施態様によれば、リリーフ内領域はリブを形成する。
本発明の実施態様によれば、リリーフ内領域及び窪み部は多セル構造を形成する。
【００１２】
本発明の実施態様によれば、リリーフ内領域の側面方向壁だけではなく、窪み部の下部も第２ドーピング型の領域を備える。
【００１３】
本発明の実施態様によれば、窪み部の下部は第２ドーピング型の領域を備えるが、各リリーフ内領域の側面方向壁及び上部は誘電体層で被覆されており、リリーフ内領域は高ドーピングされている。
【００１４】
本発明は、前記閾値電圧より大きい又は小さい値をキャパシタ全体で示す可能性がある回路内における前述されたキャパシタの使用も目的とする。
【００１５】
本発明の実施態様によれば、キャパシタは、その周辺部において、前記導電層に連接されており、所望の電圧を保持するのに十分な距離、下面金属層の境界から離れた基板の上面から下面に広がる第２導電型の高ドーピングされた絶縁壁を備える。
【００１６】
本発明の実施態様によれば、基板の下面では、下面金属層を超えた構成要素周辺部に酸化ケイ素層が形成される。
【００１７】
本発明は、前記閾値電圧より大きい又は小さい値をキャパシタ全体で示す可能性がある回路内における前述されたキャパシタの使用も目的とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の前記目的、特徴及び優位な点は、添付の図面に関連して特定的な実施形態の以下の限定されない説明で詳細に説明する。
【００１９】
半導体構成要素説明の分野における通常どおり、いろいろな断面図は一定の比率に拡大して描かれていない。考えられる寸法を求めるために、当業者は自らの一般的な経験、及び本説明の後述部分で示される特定の表示を参照し得る。
【００２０】
図３は、半導体層内に形成される本発明の実施形態によるキャパシタの部分断面図である。このキャパシタは、通常、図１のキャパシタに類似しているが、さらに、絶縁層７の部分の下に高ドーピングされたＮ型領域を備える。
【００２１】
基板は、背面２が領域２を形成するためにさらに高い濃度でのドーピングを受けたＮ型半導体ウエハ１に、あるいは例えばエピタキシーによってさらに薄くドーピングされた領域１が形成される高濃度ドーピングされたＮ⁺ 型半導体ウエハ２に合致してよい。
【００２２】
例えば、導電層９はＰ型のドーピングされたポリシリコン層であり、金属層１０で被覆されている。図示されている実施形態では、導電層９は、窪み部を完全に充填しているが、窪み部の側面方向寸法及びこの層の厚さによって、窪み部を完全に充填しても、しなくてもよい。リリーフ内部の高さはｈといい、その幅はｅ（あるいは、さらに正確にはＮ型領域の幅）といい、構造のピッチはｅ＋ｄという。
【００２３】
図４Ａ及び図４Ｂは、一例として、リリーフ内領域５の、及び導電層９と金属層１０がない場合の窪み部６の考えられる実施を示す。図４Ａのケースでは、リリーフ内領域は溝６によって分けられるリブ５に相当する。図４Ｂのケースでは、窪み部６は分かれており、その結果、構造は、それぞれの窪み部が例えば、三角形、正方形、矩形、六角形の断面を有する多セルの外観を有する。当業者は、構造の他の例を考えてよい。図４Ａ及び図４Ｂは、本発明がリリーフ内部及び窪み部の多様な形状構成に当てはまることを示すためだけに描画されたものである。
【００２４】
次の図では、窪み部で取り囲まれているリリーフ内部の一部だけを図示する。しかしながら、これが、図４Ｂで図解されている内容に関してだけではなく、図４Ａに図解されている内容に関しても当てはまることに注意する必要がある。他方、簡略化するために、リリーフ内部分及び窪んだ部はこれ以降リブ及び溝と呼ぶ。しかしながら、当業者は、以下の説明が図４Ｂの構造のような多セル型の構造にも当てはまることに注意する必要がある。さらに、これ以降、エッジ効果が無視できるように多数の基本のセルがあると仮定され得る。
【００２５】
図５Ａは、図３のリブ５の拡大図である。隣接する窪み部の下部だけではなくリブの壁部にもＰ型領域８を備える。このＰ領域は、Ｎ基板よりはるかに高濃度にドーピングされている。Ｎ⁺ 型領域１１は、素子の絶縁破壊電圧の減少を避けるためにＰ領域まで広がらないのが好ましい。領域１１は、例えば、注入により生じる。端子ＡとＢとの間の電圧が、接合が遮られる方向で上昇すると、破線１２で区切られているような図５Ａに図示されている空間電荷領域は、Ｐ型領域８の輪郭に関して内向きに広がる。
【００２６】
図５Ｂでは、リブの対向する壁部及び対向する下部領域から広がる空間電荷領域が、リブの中心１３で合わさるケースの構造が図示されている。
【００２７】
図６Ａは、電圧が上昇するにつれてこのようにして形成されるキャパシタの容量Ｃの変動を示す。高濃度ドーピングされた領域１１が存在するため、及び薄い厚みの絶縁材７が選択されたために、絶縁された領域７に対応する誘電容量Ｃ１は高い。したがって、キャパシタの総容量Ｃは、図１のケースにおいてより高い。電圧Ｖ_ABがさらに小さな値の場合、空間電荷領域が広がるにつれて、容量Ｃは、接合容量Ｃ２に相当する部分についてだけであるが、図１のケースにおいてとほぼ同程度低下する。空間電荷領域が図５Ｂに図示されている内容に従って接合する時点で、リブは抑制されている、すなわち容量Ｃ１は、総容量Ｃの値の足しにならないと考えることができる。その後に、容量は、電圧の閾値Ｖ_T について、不意に小さな値に低下する。閾値は、特に基板Ｎのドーピングレベル、及び各リブの厚み（又は、図４Ｂの実施形態を参照すると、２つの隣接する窪み部間の距離）に左右される。
【００２８】
図６Ｂは、キャパシタ内に蓄えられる電荷Ｑ対印加電圧Ｖ_ABを示す。この電荷は、まず、（容量の相対的に高い初期値に正比例して）相対的に急激に増加してから、（容量の相対的に低い値に正比例して）非常にゆっくりと増加する。
【００２９】
図７は本発明による構造の他の実施形態を示し、破線は容量切り替え時の空間電荷領域の広がりを示す。各窪み部の下部は、下部にＮ⁺ 領域２１が形成されており、誘電容量Ｃ３に対応する誘電体２０で被覆される。Ｃ１を上部領域の誘電容量と呼び、Ｃ２をリブ側面の接合容量と呼ぶとすると、容量値はＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３からＣ３に切り替わる。誘電容量に対応する最小値は、接合容量よりさらに明確な値を有する。
【００３０】
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第２実施形態を示す。この代替策では、基板１内に形成される各リブ５の側面方向壁及び上部壁は、現在は酸化ケイ素である誘電体層３０で被覆され、実際にはリブ５の高さ全体が、Ｎ⁺ 領域３１に相当する。Ｐ型領域８は、各窪み部の下部壁に制限される。図８Ａでは、空間電荷領域の境界は破線３４で示されている。この空間電荷領域は、Ｐ型ドーピング済み領域８から内向きに広がる。図８Ｂに図解されている形状の構成では、端子ＡとＢとの間で印加される電圧は、Ｐ型領域８のそれぞれから広がる空間電荷領域３５が、リブ５の下部で接合するのに十分なものになっている。したがって、基板とリブを形成するＮ型領域との間にキャリアを空にした領域が存在し、このリブの材料は基板から、つまりキャパシタの端子Ａから隔離されているとみなすことができる。
【００３１】
最初の段階として、ここでは、ＡとＢとの間には、値Ｃ４≒（２ｈ＋ｅ）Ｃ_OXの誘電容量、及び値Ｃ５≒（ｅ＋ｄ）Ｃ_siの空乏層に連結される容量の直列構造に等しい容量があると考えることができる。
【００３２】
次に、印加電圧に準じる容量の変動を、図９Ａに示す。それは、閾値Ｖ_T に到達しない限り、実質的に一定の値Ｃ４＋Ｃ５を有し、後に電圧Ｖ_T を超えるとすぐに、それは急激に非常に低い値に低下する。
【００３３】
図９Ｂは、蓄えられている電荷Ｑの変動を示す。それは最初はＣ１Ｖに等しく、その後いったん電圧Ｖ_T に達すると、残留容量がそのときに非常に小さいと仮定して、実質的に一定となり、Ｃ１Ｖ_T に等しいままとなる。
【００３４】
本発明の可変容量キャパシタは、キャパシタ全体での電圧が所定閾値を超えると、このキャパシタの容量の値が不意に減少することが所望される多様な回路で使用されてよい。このような回路の例として、制御される静的開閉器上で並列に配列されるターンオフ援用キャパシタの例がある。トランジスタがターンオフすると、開閉器を通って流れる電流はキャパシタに流れ込み、切り替え損を減ずることによりターンオフ状態を改善する。この遷移が適切に起こるためには、キャパシタが、全体の電流減少の間、相対的に高い値を有することが望ましい。しかしながら、開閉器がオフになり、印加する電圧が上昇を開始するとすぐに、キャパシタに蓄えられている電荷を増加しないことが望ましい。したがって、このような用途では、本発明による突然の容量の低下のあるキャパシタが特に望ましい。
【００３５】
本発明による構造の詳細な製造方法はここで説明していない。実際に、当業者は、半導体シリコンウエハの中に約８０から１５０μｍの高さの溝又は他の相対的に深い開口部を掘るために多様な異方性エッチング方法を使用してよい。他方、その側面方向壁をエッチングするのではなく、リブの上の下面及び／又は上面をエッチングすることを可能にする多様な種類の異方性エッチングが既知である。ドーピングされたポリシリコン及び誘電体蒸着技術と関連付けられるこのようなエッチング技術が、誘電体で被覆された壁のある、あるいは基板のドーパントと反対の種類のドーパントでドーピングされた壁のある多様な実施形態を得ることを可能にする。
【００３６】
電極が半導体ウエハのどちらかの側面に位置する本発明によるキャパシタは、このキャパシタに加えて、他の能動素子又は受動素子だけではなく、垂直型又は側面型の少なくとも１つの開閉器を備える単一構造に属するようによく適合されていることにも注意する必要がある。
【００３７】
当業者は、本発明の分野から逸脱することなく、添付クレームに定められるような本発明の多様な他の手段を思い浮かべることができる。特に、説明したドーピング型は逆にすることができる。
【００３８】
図１０は、本発明によるキャパシタに適合される周辺構造の例を示す。
【００３９】
本発明による素子が高電圧を保持し、数百ボルト、及び２，０００ボルトに及ぶ値にも到達できることが所望される場合、垂直高電圧構成要素の従来の周辺構造は適用できないと考えられる。実際に、従来どおりに、等電位面が側面方向に広がり、チップの側面の先端部に向かって終了するような周辺構造が設けられる。本発明のキャパシタの場合、基板内に形成される溝の大きな深さを考えると、シミュレーションは、等電位面の強く著しい曲率は最も外部の溝の下部に現れ、数百ボルトを上回る絶縁破壊電圧は得るのは非常に困難であるので、これらの周辺構造が適合されないことを示す。
【００４０】
本発明の態様は、本発明のキャパシタに適合され、非常に高電圧の保持を可能にする周辺構造を提供することである。このような周辺構造の例は、図１０に示される。この構造は、等電位面が、従来どおりに先端部に向かって閉じる代わりに、チップの下部に向かって閉じるものである。
【００４１】
図１０の左部分には、図３に示されているような本発明によるキャパシタ構造が示されており、多様な要素は同じ参照番号で示されている。
【００４２】
構成要素周辺部では、図１０の一番右側で見られるように、高濃度ドーピングされたＮ⁺ 型領域２と同様に下部金属層３も遮られている。構造の端部は、構成要素の一方の面から他方に伸びるＰ型絶縁壁４１により占有される。下面側面では、酸化被膜４２で覆われた領域が、金属層３の端部と、Ｐ⁺ 領域４１の下、及び基板１の端縁の一部の下になる構造周辺部との間に広がる。このようにして、参照番号４３で示される等電位線は、基板の上面にもはや向かってではなく、下面に向かって折れ、もはや非常に高い曲率の領域を示さなくなっている。絶縁壁４１と、Ｎ⁺ 領域２と金属層３との境界の間の距離を適切に選ぶために備えられ、構成要素は、数千ボルトまで非常に高い電圧を保持できるだろう。絶縁壁４１と参照番号４６で示される最後のキャパシタ溝との間の距離は、言うまでもなく適切に選ばれなければならない。
【００４３】
当然のことながら、等電位面拡散に有利に働くことができる多様な従来の手段を本発明に追加することができる。例えば、Ｐ^- 領域がＰ⁺ 壁４１の下部の近傍に設けられてもよく、フィールドプレートが使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 前述した図１は、従来の技術による可変容量キャパシタの簡略化された断面図である。
【図２】 前述した図２は、図１のキャパシタの容量対電圧を示す。
【図３】 本発明の第１実施形態に係る可変容量キャパシタの簡略化された断面図を示す。
【図４Ａ】 図３の構造の上部の実施形態を図解する部分斜視図である。
【図４Ｂ】 図３の構造の上部の実施形態を図解する部分斜視図である。
【図５Ａ】 本発明の第１実施形態に係るキャパシタの部分断面図を示す。
【図５Ｂ】 本発明の第１実施形態に係るキャパシタの部分断面図を示す。
【図６Ａ】 それぞれ、図５Ａ及び図５Ｂのキャパシタの容量対電圧、及び電荷対電圧を示す。
【図６Ｂ】 それぞれ、図５Ａ及び図５Ｂのキャパシタの容量対電圧、及び電荷対電圧を示す。
【図７】 本発明によるキャパシタの他の実施形態の部分断面図を示す。
【図８Ａ】 本発明の第２実施形態に係るキャパシタの部分断面図を示す。
【図８Ｂ】 本発明の第２実施形態に係るキャパシタの部分断面図を示す。
【図９Ａ】 それぞれ、図８Ａ及び図８Ｂのキャパシタの容量対電圧、及び電荷対電圧を示す。
【図９Ｂ】 それぞれ、図８Ａ及び図８Ｂのキャパシタの容量対電圧、及び電荷対電圧を示す。
【図１０】 本発明のキャパシタに適合される周辺構造の実施形態を示す。

Claims (9)

1. 第１ドーピング型の半導体基板（１）内に形成される複数の窪み部（６）により分けられるリリーフ内領域（５）の周期的な構造を備え、リリーフ内領域の壁及び窪み部の下部が導電層（９、１０）で被覆されており、基板がキャパシタの第１端子（Ａ）に連結され、導電層がキャパシタの第２端子（Ｂ）に連結されており、少なくとも窪み部の下部又はリリーフ内領域の側面に、第２ドーピング型の領域（８）を備え、リリーフ内部分のピッチは、前記端子間の電圧差が所定の閾値を超えると、第２ドーピング型の領域に連接する空間電荷領域が接合するように選択されており、第２ドーピング型の領域を含まない領域が、絶縁体（７、２０、３０）で被覆されること、及び基板の導電型の高濃度ドーピングされた領域（１１）が絶縁体の下に形成されることを特徴とする可変容量キャパシタ。
2. 導電層は、金属層（１０）で被覆される第２ドーピング型のポリシリコン層（９）を備えることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ。
3. リリーフ内領域は、リブを形成することを特徴とする請求項１記載のキャパシタ。
4. リリーフ内領域及び窪み部は、多セル構造をなすことを特徴とする請求項１記載のキャパシタ。
5. リリーフ内領域の側壁とともに、窪み部の下部も第２ドーピング型（８）の領域を備えることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ。
6. 窪み部の下部に第２ドーピング型の領域を備え、各リリーフ内領域の側壁及び上部が誘電体層（３０）で被覆されており、リリーフ内領域が高濃度にドーピングしてあることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ。
7. 前記閾値電圧より大きい又は小さい値をキャパシタ全体で示す可能性がある回路内における請求項１乃至６のいずれかに記載のキャパシタの使用。
8. その周辺部に、前記導電層（９、１０）に連接され、所望の電圧を保持するのに十分な距離だけ、下面金属層（３）の境界から離れた、基板の上面から下面に広がる、第２導電型の高濃度ドーピングされた絶縁壁（４１）を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のキャパシタ。
9. 基板の下面側で、酸化ケイ素層（４２）が、下面金属層（３）を超えた構成要素周辺部で蒸着されていることを特徴とする請求項８記載のキャパシタ。

Images