КРЕМНИЕВЫЙ КОНДЕНСАТОР

Полезная модель относится к области электронной техники, а более конкретно - к конструкции кремниевых конденсаторов, применяемых как самостоятельное ИЭТ, так и в составе ИМС.
Известен кремниевый конденсатор, состоящий из первой обкладки, изготовленной из кремниевой пластины с нанесенным слоем диэлектрика и второй обкладки конденсатора из алюминия или благородного металла (см., например, спецификацию на СВЧ-конденсаторы MNS серии фирмы A/MCOM «MNS Microwave Chip Capacitors» изм. Rev. V4 http://cdn.macom.com/datasheets/MA4M_Series.pdf).
В данном аналоге в качестве подложки используют сильнолегированный бором кремний с удельным сопротивлением 0,005 Ом⋅см, что позволяет использовать в качестве первой обкладки конденсатора саму подложку. Использование бора обусловлено невысокой стоимостью кремния, легированного бором.
В качестве изолирующего диэлектрика используют нитрид кремния, оксид кремния и т.п. которые обладают высокой электрической прочностью, подходящей диэлектрической проницаемостью, стабильностью и защитными свойствами от воздействия окружающей среды.
В качестве второй обкладки конденсатора используют алюминий или благородные металлы (платина, золото).
2
Основным недостатком таких конденсаторов является их малая емкость, т.к. площадь обкладок не превышает 25-30 мм при емкостях до 1 нФ.
Недостатком данного кремниевого конденсатора является то, что при использовании в качестве легирующей примеси бора при последующем окислении поверхности кремния концентрация бора уменьшается, а последовательное сопротивление конденсатора увеличивается, что ухудшает электрические характеристики конденсатора.
Наиболее близким к предлагаемому является кремниевый  конденсатор, состоящий из первой обкладки, изготовленной из кремниевой пластины, на рабочей поверхности которой протравлены колодцы и поверхность которой залегирована n-примесью и нанесен слой диэлектрика, и второй обкладки, которой является слой легированного  n-примесью поликремния, нанесенный на рабочую поверхность (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, 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.
Техническим результатом данной полезной модели является уменьшение последовательного сопротивления кремниевых конденсаторов.
s
j
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известных кремниевых 3D конденсаторов, состоящих из первой обкладки, изготовленной из кремниевой пластины, на рабочей поверхности которой протравлены колодцы и поверхность которой залегирована n-примесью и нанесен слой диэлектрика и второй обкладки, которой является слой легированного n-примесью поликремния, нанесенный на рабочую поверхность, в предлагаемом в качестве легирующей примеси n-типа используется мышьяк, который обеспечивает среднюю проводимость , где ρ - поверхностное сопротивление кремния, легированного мышьяком, x - глубина легирования.
В качестве легирующей примеси выбран мышьяк из-за его самой высокой среди всех донорных примесей растворимости в кремнии (ионный радиус мышьяка и кремния практически одинаковы). Кроме того, при окислении кремния, легированного мышьяком концентрация мышьяка в кремнии на границе раздела оксид кремния-кремний растет.
При использовании мышьяка в качестве легирующей примеси непроводящая фаза SiAs образуется при концентрации мышьяка в кремнии более 50%, в результате чего последовательное сопротивление конденсатора при использовании в качестве легирующей примеси мышьяка уменьшается в 2-3 раза по сравнению с прототипом.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурой. На фиг. 1 изображен разрез кремниевого конденсатора.
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1 - кремниевая подложка;
2 - n+ область, легированная мышьяком;
2
3 - слой SiO;
4- слой легированного поликристаллического кремния;
5 - верхний электрод из алюминия;
6- контакт к нижнему электроду из алюминия
7 - нижний электрод из алюминия.
2
Для изготовления конденсаторов использовалась кремниевая подложка 1, диаметром 100 мм, легированная фосфором до сопротивления 10 Ом⋅см, толщиной 420 мкм с диэлектрическим покрытием 2 (SiO) толщиной 0,3 мкм.
Затем на рабочей поверхности методами фотолитографии и анизотропного травления в индуктивно связанной плазме формируются «колодцы» глубиной 30 мкм, диаметр колодца 2,5 мкм, шаг расположения колодцев составляет 6 мкм.
Далее методом диффузии в вакууме проводят легирование поверхности с полученным рельефом мышьяком на глубину 2 мкм до поверхностного сопротивления 2 , получая n+области 2. В качестве источника диффузии служит соединение SiAs.
2
Затем поверхность окисляют до толщины слоя SiO 3, равной 0,05 мкм. На полученный рельеф осаждают слой легированного поликристаллического кремния 4 толщиной 1,4 мкм с поверхностным сопротивлением 8 .
Далее проводят фотолитографию по поликремнию, формируя верхний электрод из алюминия 5. Затем вытравливают контакт к нижнему электроду из алюминия 6. Далее наносят слой алюминия толщиной 2,5 мкм, проводят фотолитографию по алюминию, при этом алюминий повторяет конфигурацию верхнего (поликремниевого) электрода из алюминия 5 и контактной площадки к нижнему электроду из алюминия 7.
Изготовленные по приведенному описанию конденсаторы размером 1,2×1,2 мкм обследовались на величину последовательного сопротивления.
Первый образец был изготовлен с применением диффузионного слоя фосфора в качестве нижнего электрода. Из-за пониженной растворимости фосфора в твердом растворе кремния последовательное сопротивление конденсатора не менее чем в 2 раза выше, по сравнению с образцами с применением диффузионного слоя мышьяка в качестве нижнего электрода.