КРЕМНИЕВЫЙ 3D КОНДЕНСАТОР

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно -к конструкции кремниевых конденсаторов, применяемых как самостоятельное ИЭТ, так и в составе ИМС.
Известны кремниевые 3D конденсаторы, состоящие из первой обкладки, изготовленной из кремниевой пластины, на рабочей стороне которой протравлены колодцы, поверхность которых легирована n-примесью, на рабочую сторону также нанесены слой диэлектрика и вторая обкладка, которой является слой легированного примесью n-типа проводимости поликремния, (см. презентацию Ultrahigh-density trench capacitors in silicon, First Int. Workshop on Power Supply On Chip, Sept. 22-24, 2008, Cork, Ireland, p.15).
-1
В качестве подложки используют слаболегированный фосфором кремний с удельным сопротивлением 5-20 Ом⋅см, что облегчает формирование колодцев. Перед формированием слоя диэлектрика рабочую поверхность конденсатора легируют фосфором до проводимости 150 (Ом⋅см). Большую проводимость при использовании фосфора получить невозможно. Характеристики легированного фосфором методом диффузии слоя кремния таковы, что поверхностное сопротивление слоя не менее 2,2 Ом⋅см при глубине диффузии 3 мкм.
В качестве второй обкладки конденсатора используют слой сильнолегированного поликремния n типа проводимости, легированный фосфором, который можно легко нанести при пониженном давлении в колодцы, глубиной до 30-50 мкм и диаметром 1-10 мкм.
Вторая обкладка конденсатора дополнительно шунтируется слоем металла (алюминий, золото и т.п.).
Основным недостатком таких конденсаторов является повышенное последовательное сопротивление, что затрудняет использование этих конденсаторов в мощных фильтрах. Увеличивая концентрацию фосфора, можно несколько уменьшить последовательное сопротивление конденсатора.
Однако, при концентрации фосфора в кремнии около 2-3%, последовательное сопротивление перестает уменьшаться, что связано с образованием непроводящей фазы SiP.
Прототипом предлагаемой полезной модели является кремниевый 3D конденсатор, состоящих из первой обкладки, изготовленной из кремниевой пластины, на рабочей поверхности которой протравлены колодцы, поверхность которых залегирована мышьяком, нанесен слой диэлектрика и слой второй обкладки из легированного поликремния. В качестве примеси легирующей поликремний используется примесь n-типа проводимости фосфор или мышьяк. (См, например, патент RU 190396)
Основным недостатком такого конденсатора является то, что при подаче отрицательного напряжения на вторую обкладку из поликремния пробивное напряжения резко (в 1,5-3 раза) уменьшается по сравнению с пробивным напряжением при подаче напряжения на поликремний положительной полярности. Это можно объяснить тем, что место пересечения боковой стенки колодцев и их дна образует грань с большой кривизной, где концентрируются силовые линии электрического поля, которые вырывают электроны из поликремния в слой диэлектрика, где происходит из-за ударной ионизации лавинное умножение электронов и пробой диэлектрика
Причем эффект наиболее сильно проявляется при диаметре колодцев менее 5 мкм. Для снижения эффекта необходимо увеличивать толщину диэлектрика и/или диаметр колодцев, что снижает удельную емкость конденсатора и в конечном итоге его преимущества.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является исключения влияния полярности подаваемого напряжения на пробивное конденсатора.
Указанный результат достигается тем, что в отличии от известных конденсаторов, состоящих из первой обкладки, изготовленной из кремниевой пластины, на рабочей стороне которой протравлены колодцы, поверхность которых легирована n-примесью и на рабочую сторону также нанесены слой диэлектрика и вторая обкладка, которой является слой легированного примесью поликремния, в предлагаемом кремниевом 3D конденсаторе в качестве легирующей примеси поликремния используют примесь р-типа проводимости, например, бор.
Выбор в качестве легирующей примеси поликремния примеси p типа проводимости устраняет попадание электронов из-за из отсутствия в материале р-типа проводимости в места граней с большой кривизной, где концентрируются силовые линии электрического поля. На величину напряжения пробя диэлектрика перестает влиять полярность прикладываемого напряжения.
Выбор бора в качестве примеси обусловлен его технологичностью и высокой растворимостью в поликремнии, в отличии от алюминия и галлия.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурой. На фиг. 1 изображен разрез кремниевого 3D конденсатора.
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1 - кремниевая подложка, легированная мышьяком (нижний электрод);
2
2 - диэлектрическое покрытие из слоя SiO
3 - слой легированного поликристаллического кремния (верхний электрод);
4 - контакт к слою легированного поликристаллического кремния
5 - контакт к нижнему электроду конденсатора из золота
2
Для изготовления конденсаторов использовались кремниевые подложки, диаметром 100 мм, легированные мышяком 1 до сопротивления 0,002 Ом⋅см, толщиной 420 мкм с диэлектрическим покрытием из слоя SiO 2 толщиной 0,3 мкм в качестве маски для травления колодцев.
Затем на рабочей поверхности методами фотолитографии и анизотропного травления в индуктивно связанной плазме формируются «колодцы» глубиной 30 мкм, диаметр колодца 3,5 мкм, шаг расположения колодцев составляет 6 мкм.
2
Затем поверхность окисляют до толщины диэлектрического покрытия из слоя SiO 2 равной 0,7 мкм. На полученный рельеф осаждают слой легированного поликристаллического кремния 3 толщиной 1,4 мкм с поверхностным сопротивлением 8.
Далее наносят слой алюминия толщиной 2,5 мкм, проводят фотолитографию по алюминию, при этом алюминий повторяет конфигурацию верхнего (поликремниевого) электрода тем самым формируется контакт к слою легированного поликристаллического кремния 4. Затем наносят слой золота 0,8 мкм и формируют контакт к нижнему электроду 5.
Изготовленные по приведенному описанию конденсаторы размером 1,2×1,2 мкм обследовались на величину пробивного напряжения.
В таблице приведены результаты измерений пробивного напряжения конденсаторов с различным диаметром колодцев и различным материалом легирования поликремниевого электрода, что подтверждает эффективность предложенной полезной модели.