WO1999023705A1 - Passives hf-element und verfahren zum betreiben, zum herstellen und zum bestimmen von charakteristischen eigenschaften desselben - Google Patents

Passives hf-element und verfahren zum betreiben, zum herstellen und zum bestimmen von charakteristischen eigenschaften desselben Download PDF

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WO1999023705A1
WO1999023705A1 PCT/EP1997/006012 EP9706012W WO9923705A1 WO 1999023705 A1 WO1999023705 A1 WO 1999023705A1 EP 9706012 W EP9706012 W EP 9706012W WO 9923705 A1 WO9923705 A1 WO 9923705A1
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WO
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semiconductor substrate
insulator
charges
voltage
passive
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PCT/EP1997/006012
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French (fr)
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Dietmar Eggert
Peter Hübler
Arnd HÜRRICH
Ulrich Todt
Matthias Vorwerk
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/92—Capacitors with potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L29/94—Metal-insulator-semiconductors, e.g. MOS

Definitions

  • the present invention relates to MOS structures, and in particular to passive radio frequency (RF) elements that have MOS structures.
  • RF radio frequency
  • electrical connections between individual components are generally designed as aluminum conductor tracks, which are separated from the semiconductor starting material by an oxide.
  • the band bending resulting from the combination of metal, oxide and semiconductor determines the propagation properties of high-frequency electromagnetic fields on the connections, in particular in the case of high-resistance semiconductor starting materials.
  • the band bending results from the properties of the materials involved, i. H. the difference of the work functions or the density of the interlayer charges, and are expressed in freely movable charge carriers, d. H. Holes or electrons that lead to a thin semiconductor layer with a comparatively low specific resistance below the oxide layer.
  • metal-oxide semiconductor used in connection systems.
  • Polysilicon oxide semiconductor layers determine the nature of the oxide, the electrical properties of these structures due to the high number of interlayer charges present in the border area between oxide and semiconductor.
  • space charge zones with an extension of a few ⁇ m result.
  • Simulations show that with the same potential at the bounding edges in a p-type semiconductor substrate material with a specific resistance of 10 k ⁇ cm and a density of the interlayer charges of, for example, 2 • 10- ⁇ cm -2 below the oxide layer, an accumulation of electrons occurs, as a result of which the semiconductor substrate (e.g. Silicon) is already in inversion.
  • the inverted area at the interface between the semiconductor substrate and the insulator leads to a sharp increase in the conductivity in the substrate, which for a substrate material with a resistivity of 10 k ⁇ cm is up to five orders of magnitude greater than that of the starting material.
  • This inversion layer thus decisively determines the conditions for the damping and, more generally, for the spread of high-frequency electromagnetic fields on a conductor-insulator-semiconductor layer structure.
  • this inversion layer leads to a high damping of an electromagnetic wave which propagates, for example, on a coplanar line in which the metallizations are separated from the semiconductor substrate material by an oxide.
  • the inversion layer which is present in the oxide solely due to solid, mostly positive charges, therefore also leads to a reduction in the quality of integrated coils or interdigital capacitors, which are designed as a conductor-insulator-semiconductor structure.
  • the corresponding MOS structure reacts very sensitively to the smallest implantation doses. It must be ensured here that the implantation does not result in an enrichment of holes at the interface. These increase the damping in a similar way as the electrons present during inversion increase the substrate-related losses.
  • the buried oxide isolates the active transistor regions from one another in terms of DC voltage; this step is therefore not necessary to ensure the functionality of the transistors.
  • the object of the present invention is to provide a passive high-frequency element and a method for operating for producing and determining characteristic properties of the same which, in a simple yet effective manner, improve high-frequency properties of passive RF components in comparison to conventional passive components Reach RF components that are designed as a conductor-insulator-semiconductor structure.
  • the present invention is based on the knowledge that targeted depletion of the inversion layer according to a first aspect of the present invention by applying a DC voltage between the conductor and the semiconductor substrate leads to a significant improvement in the high-frequency properties of the passive RF element.
  • a weakly doped region is formed under the insulator, the doping of which is selected such that depletion of interlayer charges occurs in the boundary region.
  • the passive RF element in particular comprises a semiconductor substrate, an insulator arranged on the semiconductor substrate, by means of which interlayer charges are generated at the interface between the semiconductor substrate and the insulator, a conductor arranged on the insulator and a device for applying a DC voltage between the conductor and the semiconductor substrate in such a way that depletion of the interlayer charges is achieved.
  • a "window" of low attenuation results, which can be achieved by applying a DC voltage between the conductor and the semiconductor.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the layer structure of a conductor-insulator-semiconductor structure for a passive RF element according to the first aspect
  • FIG. 2 shows the potential curve at the in FIG. 1 shown structure with an applied voltage of OV for - 5 - -
  • FIG. 3 shows the course of the concentrations of the freely movable charge carriers in the depletion region for different applied voltages
  • FIG. 4 the local distribution of the specific resistance in the semiconductor
  • FIG. 5 the voltage dependence of the damping using the example of a coplanar line
  • FIG. 6 shows the voltage dependence of the elements of the line equivalent circuit diagram of a coplanar line
  • FIG. 7 is an illustration of sequential method steps for producing a passive high-frequency component in accordance with the second aspect of the present invention.
  • FIG. 8 shows a measuring arrangement for characterizing coplanar waveguide structures
  • FIG. 9 shows a signal flow graph for the extraction of line parameters.
  • FIG. 1 schematically shows a high-frequency (RF) element according to the first aspect, which consists of a conductor 10, an insulator 12 and a semiconductor 14.
  • the conductor 10 can either be made of metal, e.g. As aluminum, or be formed from polysilicon.
  • the semiconductor 14 can be a silicon semiconductor, which is why the insulator 12 is preferably designed as silicon oxide (Si0 2 ).
  • Si0 2 silicon oxide
  • MOS metal-oxide-semiconductor
  • the passive RF element according to the present invention further comprises connections 16a and 16b, which are arranged on the metal 10 or on the semiconductor 14 and can serve as a device for applying a direct voltage U.
  • a semiconductor substrate which has a thickness in the x-direction of 100 ⁇ m, while the silicon oxide 12 has a thickness of 2.5 ⁇ m and the metallization 10 is 0.5 ⁇ m thick.
  • FIG. 2 shows the potential curve of the in FIG. 1 shown MIS transition with an applied voltage U of OV for different substrate resistances and an interfacial density of 2-10 11 cm ⁇ 2 .
  • the in FIG. 2 shows the potential profile for the semiconductor materials with the individual specific resistances corresponds to the profile of the voltage difference between the intrinsic conduction level and the quasi-Fermi level of the semiconductor.
  • the 0 potential corresponds to the position of the Fermi level of intrinsic (intrinsically conductive) silicon. In the interior of the semiconductor (x> 0) at the point where there is a parallel potential profile, negative values result from the p-doping of the silicon used.
  • Different specific substrate resistances cause a difference in the position of the respective quasi-Fermi levels due to the different basic doping. An increase in the specific resistance (reduction in the p-type basic doping) consequently leads to an approximation to the O potential.
  • the semiconductor is depleted in this area by freely movable charge carriers, while the acceptor ions firmly anchored in the crystal lattice determine the charge of the semiconductor. If the interface between the oxide and the semiconductor is approached further, the specific resistance drops again as a result of the increasing proportion of freely mobile electrons due to the positive charges present in the oxide.
  • FIG. 3 shows the location-dependent distributions of the freely movable charge carriers for different ones between the conductor - 9 - ⁇
  • DC voltage does not mean strictly a DC voltage.
  • the “DC voltage” can also be a low-frequency voltage, the frequency of which is significantly lower than the frequency of the electromagnetic waves that can propagate on the passive high-frequency components according to the invention.
  • the “DC voltage” according to this invention can also contain high-frequency noise components, the alternating amplitude of which, however, is significantly less than the DC amplitude of the voltage.
  • the inversion between the oxide 12 and the semiconductor 14 will result in a hole accumulation, especially if the semiconductor 14 is n-doped.
  • positive voltages U are of course necessary in order to deplete this inversion layer according to the invention in order to achieve a higher specific resistance of the semiconductor 14. From FIG. 3 it can be seen that in the example of the present invention described in this application, a very high electron density is present between the oxide 12 and the semiconductor 14 at a voltage of -23 V. Similarly, the hole density at this voltage is very small, as can be seen from the right drawing of FIG. 3 can be seen. If the applied voltage U is made more negative, the electron density decreases, while the hole density increases.
  • FIG. 4 shows the simulated local course of the specific sheet resistance.
  • the specific resistance is greatly reduced as a result of the inversion layer in the interface area (in this case about 90 ⁇ cm).
  • Passive radio frequency elements according to the present invention are in the area of high resistance, i. H. low attenuation, use according to the invention, in particular coplanar lines, integrated coils and interdigital capacitors.
  • FIG. 5 shows the damping behavior of a preferred exemplary embodiment of the present invention, namely the damping behavior of a coplanar line.
  • all metal components of the coplanar line ie the inner strip and the outer ground planes, were placed at the same potential in order to achieve the most uniform possible distribution of the static electric field which is generated by applying the DC voltage between the metal and the semiconductor .
  • FIG. 5 underlines that a substantial reduction in damping, e.g. B. at a frequency of 5 GHz of 0.27 dB / mm at 0 V applied voltage to 0.1 dB / mm at an externally applied voltage of about -30 V is achieved.
  • FIG. 5 further shows that at a voltage of approximately -30 V the inversion in the semiconductor is reduced, after which the attenuation of the coplanar line increases again, since such high negative voltages will lead to hole accumulation in the boundary layer region.
  • the negative voltage between the back of the wafer, i. H. on the semiconductor 14, and all metallizations on the oxide 12 are applied.
  • a reduction in damping can also be achieved if the voltage between the back of the wafer, i. H. the semiconductor 14, and for example only the inner conductor of a coplanar line or only the ground surfaces of the coplanar line.
  • integrated coils in which the integrated coil structure and the surrounding ground plane can be kept at the same potential or at different potential. With interdigital capacitors it is also possible to keep both electrode finger structures at the same potential.
  • a reduction in the damping for electromagnetic waves is also achieved, however, if only one finger electrode is negatively biased towards the back of the wafer.
  • FIG. 6 finally shows the four frequency-dependent line equivalent circuit parameters, starting from a simple line equivalent circuit diagram consisting of a series connection of a resistor and an inductor and a parallel connection of a capacitor and a conductance, as is generally known.
  • FIG. 6 shows the individual equivalent circuit parameters for different applied voltages between 0 V and 28 V. It can clearly be seen that the serial elements, ie the inductance coating and the resistance coating, are essentially not affected by the applied voltage. In contrast, the courses of the capacitance and the conductance covering show a significant voltage dependency.
  • a DC voltage between the metal 10 and the semiconductor 14 of a conductor-insulator-semiconductor structure can therefore not only reduce the attenuation of passive high-frequency components, but also increase resonance frequencies that may occur in order to increase the range of use of integrated passive high-frequency components at higher operating frequencies to enlarge.
  • Passive RF elements according to the present invention and methods for operating passive RF elements according to the present invention thus enable a substantial reduction in the attenuation for electromagnetic waves.
  • the depletion of the inversion layer between the semiconductor and the oxide is extremely important, since a commonly used field threshold implantation is not possible.
  • the semiconductor substrates used for the passive RF elements according to the present invention can also be low-resistance, the advantageous use of the present invention is particularly evident in the case of high-resistance substrates (resistivity greater than 100 ⁇ cm).
  • FIG. 7 shows a diagram of sequential method steps for producing a passive high-frequency element according to the second aspect of the present invention.
  • SIMOX technology is preferably used for the passive high-frequency element according to the second aspect of the present invention.
  • SIMOX means Separation by Implantation of Oxygen. This means that highly accelerated oxygen atoms are shot into a silicon wafer, which reach a certain depth of penetration into the silicon in accordance with the selected energy. The crystal structure in the Si surface is largely destroyed. The crystal structure is restored by a healing step at a very high temperature, which is, for example, between 1000 ° C. and 1375 ° C. and preferably in a range between 1250 ° C. to 1350 ° C.
  • the effect occurs that the oxygen with Si reacts and forms an Si0 2 layer under the Si surface.
  • the special thing here is that the interface between the silicon and the silicon dioxide is very clearly formed, and is comparable to the interface of Si with an SiO 2 layer produced by oxidation.
  • the interface between the buried silicon dioxide layer and the silicon substrate can be regarded as an insulator-semiconductor junction, as was also explained and carried out in connection with the first aspect of the present invention. The considerations can therefore also be used in the case of a buried silicon oxide layer.
  • this buried oxide layer is very advantageous because it causes parasitic capacitances, for. B. the source and drain regions to the semiconductor substrate (or Si bulk) can be significantly reduced. For this reason, high-resistance wafers are used, which can have resistivities of up to 10 k ⁇ cm, as already mentioned at the beginning.
  • a wide depletion region was created under the Si surface by applying a suitable DC voltage in order to reduce the undesired charge accumulations which could lead to inversion, in order to reduce the specific resistance or the damping due to the eliminate higher conductivity in these areas.
  • a weakly doped semiconductor region is now generated under the insulator in order to build the effect of the application of the DC voltage, as it were, firmly into the passive element. Therefore, all previously made considerations regarding the effect of the direct voltage on the interlayer charges also apply to the second aspect.
  • any special voltage value can be imitated by a suitable choice of the doping parameters for the doped region under the insulator.
  • the first step of FIG. 7 shows a raw semiconductor substrate 14, which is preferably made of silicon. This is treated by means of oxygen implantation 20 in order to produce the buried oxide layer mentioned. This oxide layer is shown at 22 in the second field of FIG. 7 designated.
  • a thin silicon film 24 has formed over the oxide layer by annealing the Si crystal.
  • the buried Si0 2 layer is, for example, 400 nm thick, while the silicon film 24 will only have a thickness of 100 nm.
  • a selective oxidation of the silicon film is now carried out, with which the latter now forms a thicker silicon oxide layer together with the buried silicon oxide layer, which forms the insulator 12 of FIG. 1 corresponds.
  • a weakly doped semiconductor layer is now formed under the insulator 12 in order to achieve depletion of the interlayer charges between the insulator 12 and the semiconductor substrate 14 even without applying a DC voltage.
  • the p-type is selected here as the doping type.
  • the weakly doped p "silicon layer 24 is produced by means of a boron implantation, the doping concentration is preferably in the range of 10 11 -.. 10 13 cm -2
  • the boron implantation is to take place with high energy, the energy in the range 200 ... 1000 keV must lie so that an implantation can take place through the insulator 12, in this case the silicon oxide, and the thickness of the weakly doped layer and especially the doping concentration can essentially achieve any charge state which can also be obtained by applying a voltage Advantageous in the passive high frequency element that with respect to sub-picture 4 of FIG.
  • FIG. 8 shows a measuring arrangement for characterizing passive high-frequency elements, in this example of coplanar waveguide structures.
  • the left half of FIG. 8 shows a known network analyzer with which the method according to the invention for determining characteristic properties of a passive high-frequency component can be carried out according to a further aspect of the present invention.
  • the network analyzer additionally has a DC voltage source U in order to be able to apply different voltages to the coplanar waveguide structure in such a way that depletion of interlayer charges between the semiconductor substrate and the insulator formed thereon can be achieved.
  • FIG. 8 shows an enlarged schematic plan view of the measuring tip arrangement for transmission measurement.
  • the coplanar line as an example of a high-frequency element, which is contacted on the left and right by network analyzer measuring tips.
  • the case shown here is a so-called ON wafer measurement.
  • the choice of coplanar measuring heads assumes a very good adaptation of the field distributions.
  • FIG. 8 shown measurement setup used.
  • a DC voltage source is used during the measurements in order to determine the properties of the coplanar lines at the respective DC voltage values by determining their four-pole parameters and preferably their scattering parameters. The corresponding line parameters are then determined directly from the measured values.
  • FIG. 9 shows a signal flow graph for extracting the line parameters.
  • the measuring method according to the invention which, like the method for operating the passive RF element and the passive RF element itself, is based on the knowledge that A targeted depletion of the interlayer loads in order to improve circuit-relevant properties can be applied to all known methods for determining material parameters via CV dependencies. While known CV measurements are associated with large measurement errors, particularly in the case of high-resistance substrates, CV measurements also give an integral picture of the transition. However, the measuring methods according to the invention are particularly sensitive to the nature of the material immediately below the oxide and thus allow a differential analysis of this area. Preferred characteristic properties which can be determined from the four-pole parameters are, in particular, the attenuation, the shortening factor and the characteristic impedance for lines and the quality for coils or capacitors.

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Abstract

Bei einem passiven Hochfrequenz-Element mit einem Halbleitersubstrat (14), einem auf dem Halbleitersubstrat (14) angeordneten Isolator (12), durch den Zwischenschichtladungen in einem Grenzschichtbereich zwischen dem Halbleitersubstrat (14) und dem Isolator (12) erzeugt werden, und einem auf dem Isolator (12) angeordneten Leiter (10) wird durch Anlegen einer Gleichspannung (U) zwischen dem Leiter (10) und dem Halbleitersubstrat (14) und/oder durch einen schwach dotierten Bereich unter dem Isolator (12) eine Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht, wodurch die Dichte beweglicher Ladungsträger in dem Bereich an dem Übergang vom Isolator (12) zum Halbleiter (14) wesentlich erniedrigt wird. Für erfindungsgemäße passive Hochfrequenz-Elemente existiert ein Fenster niedriger Dämpfung, das zum einen durch eine geringe Verarmung der Zwischenschichtladungen und zum anderen durch eine geringe Anreicherung von Ladungen mit zu den Zwischenschichtladungen entgegengesetzter Polarität an dem Grenzschichtbereich begrenzt ist.

Description

Passives HF-Element und Verfahren zum Betreiben, zum Herstellen und zum Bestimmen von charakteristischen Eigenschaften desselben
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf MOS-Strukturen und insbesondere auf passive Hochfrequenz- (HF-) Elemente, die MOS-Strukturen aufweisen.
Elektrische Verbindungen zwischen einzelnen Bauelementen werden in der monolithischen Integration in der Regel als Aluminium-Leiterbahnen ausgeführt, die durch ein Oxid vom Halbleiterausgangsmaterial getrennt sind. Die aus dem Zusammenführen von Metall, Oxid und Halbleiter resultierenden Bandverbiegungen bestimmen insbesondere bei hochohmigen Halbleiterausgangsmaterialien die Ausbreitungseigenschaften hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf den Verbindungen. Die Bandverbiegungen resultieren aus den Eigenschaften der beteiligten Materialien, d. h. der Differenz der Austrittsarbeiten bzw. der Dichte der Zwischenschichtladungen, und äußern sich in frei beweglichen Ladungsträgern, d. h. Löchern bzw. Elektronen, die zu einer dünnen Halbleiterschicht mit vergleichsweise niedrigem spezifischen Widerstand unterhalb der Oxidschicht führen. Bei den in verwendeten Verbindungssystemen üblichen Metall-Oxid-Halbleiterbzw. Polysilizium-Oxid-Halbleiter-Schichten bestimmt die Beschaffenheit des Oxids die elektrischen Eigenschaften dieser Strukturen aufgrund der hohen Anzahl der vorhandenen Zwischenschichtladungen im Grenzbereich zwischen Oxid und Halbleiter. Der Einfluß der Differenzen in den Austrittsarbeiten der beteiligten Materialien geht dem gegenüber in seinem Einfluß zurück. Insbesondere bei hochohmigen Substraten ergeben sich Raumladungszonen mit einer Ausdehnung von einigen μm.
Simulationen zeigen, daß bei gleichem Potential an den be- grenzenden Rändern bei einem p-Typ-Halbleitersubstratmate- rial mit einem spezifischen Widerstand von 10 kΩcm und einer Dichte der Zwischenschichtladungen von beispielsweise 2 • lO-^cm-2 unterhalb der Oxidschicht eine Anreicherung von Elektronen auftritt, wodurch das Halbleitersubstrat (z. B. Silizium) bereits in Inversion ist. Der invertierte Bereich an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Isolator führt zu einem starken Anstieg der Leitfähigkeit im Substrat, welche bei einem Substratmaterial mit einem spezifischen Widerstand von 10 kΩcm um bis zu fünf Größenordnungen über der des Ausgangsmaterials liegt. Diese Inversionsschicht bestimmt also maßgeblich die Bedingungen für die Dämpfung und allgemeiner für Ausbreitung hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf einer Leiter-Isolator-Halb- leiter-Schichtstruktur.
Insbesondere führt diese Inversionsschicht zu einer hohen Dämpfung einer elektromagnetischen Welle, die sich beispielsweise auf einer Koplanarleitung ausbreitet, bei der die Metallisierungen durch ein Oxid vom Halbleitersubstratmaterial getrennt sind. Die Inversionsschicht, die allein aufgrund fester meistens positiver Ladungen im Oxid vorhanden ist, führt somit auch zu einer Verringerung der Güte von integrierten Spulen oder Interdigitalkondensatoren, welche als Leiter-Isolator-Halbleiter-Struktur ausgeführt sind.
Zur Verhinderung der Ausbildung einer Inversionsschicht innerhalb des Halbleitermaterials erfolgt bei Standard-CMOS- Technologien eine sogenannte Feldschwellenimplantation. Damit wird ein Stromfluß zwischen Source- und Draingebieten verschiedener Transistoren vermieden. Obwohl eine Ionenimplantation durch das begrabene Oxid technisch möglich ist, schränken folgende Probleme die Umsetzbarkeit dieses Schrittes ein:
1. Bei Verwendung hochohmiger Siliziumsubstrate reagiert die entsprechende MOS-Struktur sehr empfindlich auf geringste Implantationsdosen. Hier ist zu gewährleisten, daß durch die Implantation nicht eine Anreicherung von Löchern am Interface entsteht. Diese erhöhen in ähnlicher Weise die Dämpfung wie die bei Inversion vorhandenen Elektronen die substratbezogenen Verluste.
2. Eine technologische Umsetzung dieses Prozeßschrittes führt bei den nachfolgenden Hochtemperaturschritten zu einer inakzeptabel hohen Dotantendiffusion.
3. Durch das vergrabene Oxid sind die aktiven Transistorgebiete gleichspannungsmäßig voneinander isoliert; damit ist dieser Schritt zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit der Transistoren nicht notwendig.
4. Die Nutzung dieses Effekts stellt hohe Ansprüche an die Reproduzierbarkeit der Technologie, da die passiven Strukturen bei der Realisierung der Verdrahtungsebenen realisiert werden, und somit eine Anpassung dieser Schwellenspannung über fast den gesamten Prozeß erfolgen muß.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein passives Hochfrequenzelement und ein Verfahren zum Betreiben zum Herstellen und zum Bestimmen von charakteristischen Eigenschaften desselben zu schaffen, welche auf einfache und dennoch effektive Art und Weise eine Verbesserung von Hochfrequenzeigenschaften passiver HF-Bauelemente im Vergleich zu herkömmlichen passiven HF-Bauelementen erreichen, die als Leiter-Isolator-Halbleiter-Struktur ausgeführt sind.
Diese Aufgabe wird durch ein passives HF-Element gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren zum Betreiben eines passiven HF-Elements gemäß Anspruch 9, durch ein Verfahren zum Bestimmen von charakteristischen Eigenschaften eines passiven HF-Elements gemäß Anspruch 11 und durch ein Verfahren zum Herstellen eines passiven HF-Elements gemäß Anspruch 14 gelöst. - 4. -
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine gezielte Verarmung der Inversionsschicht gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen dem Leiter und dem Halbleitersubstrat zu einer wesentlichen Verbesserung hochfrequenztypischer Eigenschaften des passiven HF-Elements führt. Gemäß einem zweiten Aspekt wird statt des Anlegens der Gleichspannung oder auch zusammen mit einer Gleichspannung unter dem Isolator ein schwach dotierter Bereich im Halbleitersubstrat gebildet, dessen Dotierung derart gewählt ist, daß eine Verarmung von Zwischenschichtladungen im Grenzbereich auftritt.
Das passive HF-Element gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt insbesondere ein Halbleitersubstrat, einen auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Isolator, durch den Zwischenschichtladungen an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Isolator erzeugt werden, einen auf dem Isolator angeordneten Leiter und eine Einrichtung zum Anlegen einer Gleichspannung zwischen dem Leiter und dem Halbleitersubstrat, derart, daß eine Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht wird. Wie es im nachfolgenden detaillierter erörtert wird, ergibt sich abhängig von der Substratleitfähigkeit, der Isolator- bzw. Oxiddicke und der Zwischenschicht-Ladungsdichte ein "Fenster" niedriger Dämpfung, das durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen dem Leiter und dem Halbleiter das Substrat erreicht werden kann.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
FIG. 1 eine schematische Darstellung, die den Schichtaufbau einer Leiter-Isolator-Halbleiter-Struktur für ein passives HF-Element gemäß dem ersten Aspekt zeigt;
FIG. 2 den Potentialverlauf an der in FIG. 1 gezeigten Struktur bei einer angelegten Spannung von OV für - 5 - -
verschiedene Substratwiderstände und eine Grenzflächenladungsdichte von N0=2 • lO^cm-2 ;
FIG. 3 den Verlauf der Konzentrationen der frei beweglichen Ladungsträger im Verarmungsbereich für verschiedene angelegte Spannungen;
FIG. 4 die lokale Verteilung des spezifischen Widerstands im Halbleiter;
FIG. 5 die Spannungsabhängigkeit der Dämpfung am Beispiel einer Koplanarleitung;
FIG. 6 die Spannungsabhängigkeit der Elemente des Leitungsersatzschaltbildes einer Koplanarleitung;
FIG. 7 eine Darstellung von sequentiellen Verfahrensschritten zum Herstellen eines passiven Hochfrequenzbauelements gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
FIG. 8 eine Meßanordnung zur Charakterisierung koplanarer Wellenleiterstrukturen; und
FIG. 9 einen Signalflußgraphen zur Extraktion von Leitungsparametern.
FIG. 1 zeigt schematisch ein Hochfrequenz- (HF-) Element gemäß dem ersten Aspekt, das aus einem Leiter 10, einem Isolator 12 und einem Halbleiter 14 besteht. Der Leiter 10 kann entweder aus Metall, z. B. Aluminium, oder aus Polysilizium gebildet sein. Der Halbleiter 14 kann ein Siliziumhalbleiter sein, weshalb der Isolator 12 vorzugsweise als Siliziumoxid (Si02) ausgeführt ist. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, daß auch andere Leiter-Isolator-Halbleiter-Kon- figurationen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Ein passives Hochfrequenzelement, das die in FIG. 1 gezeigte MOS-Struktur (MOS = Metall-Oxid-Halbleiter) aufweist, benötigt selbstverständlich eine Masseebene, welche beispielsweise als Rückseitenmetallisierung des Halbleiters 14 im Falle einer Mikrostreifenleitung oder als Masseebene auf dem Oxid 12 im Falle einer Koplanarleitung oder als eine andere Bezugsebene ausgeführt sein kann. Dieser Sachverhalt ist selbstverständlich und daher in FIG. 1 nicht gezeichnet. Das passive HF-Element gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner Anschlüsse 16a und 16b, die an dem Metall 10 bzw. an dem Halbleiter 14 angeordnet sind und als Einrichtung zum Anlegen einer Gleichspannung U dienen können. Links in FIG. 1 ist ferner die Bezugskoordinate x für die folgenden Figuren dargestellt, wobei darauf hingewiesen wird, daß sich der Wert x = 0 an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 12 und dem Halbleiter 14 befindet. Für die im nachfolgenden beispielhaft dargelegte Berechnung und Beschreibung wird von einem Halbleitersubstrat ausgegangen, das eine Dicke in x-Richtung von lOOμm aufweist, während das Siliziumoxid 12 eine Dicke von 2,5μm aufweist, und die Metallisierung 10 0,5μm dick ist.
Wird die in FIG. 1 gezeigt Struktur hergestellt, werden Metall, Oxid und Halbleiter in Wechselwirkung miteinander gebracht. Da das Fermi-Potential im thermodynamischen Gleichgewicht in der gesamten Struktur das gleiche Niveau besitzen muß, tritt eine Bandkantenverbiegung ein. Im Bereich der Grenzschicht, die auch als "Interface" bezeichnet wird, zwischen dem Oxid und dem Halbleiter entsteht durch die Störung des Kristallaufbaus eine Anzahl unerlaubter Energie-Niveaus bzw. eine Anzahl von Zwischenschichtzuständen. Ihre Ursache sind sogenannte Trap-Zentren, die als Akzeptor bzw. Donator wirken und somit in der Lage sind, frei bewegliche Elektronen zu binden.
FIG. 2 zeigt den Potentialverlauf des in FIG. 1 gezeigten MIS-Übergangs bei einer angelegten Spannung U von OV für verschiedene Substratwiderstände und eine Grenzflächenla- dungsdichte von 2-1011cm~2. Der in FIG. 2 dargestellte Potentialverlauf für die Halbleitermaterialien mit den einzelnen spezifischen Widerständen entspricht dem Verlauf der spannungsmäßigen Differenz zwischen Eigenleitungs-Fer- mi-Niveau und Quasi-Fermi-Niveau des Halbleiters. Das 0- Potential entspricht der Lage des Fermi-Niveaus von in- trinsischem (eigenleitendem) Silizium. Im Inneren des Halbleiters (x > 0) an der Stelle, an der ein paralleler Potentialverlauf vorhanden ist, ergeben sich durch die p-Dotierung des verwendeten Siliziums negative Werte. Verschiedene spezifische Substratwiderstände bedingen durch die unterschiedliche Grunddotierung eine Differenz in der Lage der jeweiligen Quasi-Fermi-Niveaus. Eine Erhöhung des spezifischen Widerstands (Verringerung der p-Typ-Grunddo- tierung) führt folglich zu einer Annäherung an das O-Po- tential.
Für die in FIG. 2 vorgestellten Ergebnisse wurde eine Differenz des Kontaktpotentials zwischen Aluminium und dotiertem Silizium von 0,3 V zugrunde gelegt. Das Potential verläuft innerhalb des Metalls parallel zur Koordinatenachse. Die eigentliche Kontaktspannung ergibt sich aus der Potentialdifferenz zwischen der Metallisierung und dem Halbleiterinneren. Sie beträgt bei dem Material mit geringstem spezifischem Widerstand (10 Ωcm) 0,6 V und verringert sich bei Verwendung von hochohmigen (10 kΩcm) Ausgangssubstraten auf einen Wert von etwa 0,42 V. Da alle Oxid-Ladungen und Zwischenschichtzustände als Grenzflächen- ladungen in die hier vorgestellte Simulation einfließen, wird der eigentliche Oxid-Bereich als ladungsfrei betrachtet, weshalb hier ein linearer Anstieg des Potentials vorhanden ist. Im Silizium-Bereich in der Nähe des Oxids ist jedoch eine starke Krümmung des Potentialverlaufs festzustellen. Dies zeigt die Dominanz negativer Ladungen an.
Im Halbleiterinneren besitzt der spezifische Widerstand den Wert des Ausgangsmaterials. Mit Beginn der Raumladungszone in der Nähe des Oxids erhöht sich der spezifische Widerstand bis auf einen Maximalwert jpItιaχ = l/σmin - Dieser Wert beträgt ca. 400 kΩcm. Der Halbleiter wird in diesem Bereich von frei beweglichen Ladungsträgern verarmt, während die fest im Kristallgitter verankerten Akzeptor-Ionen die Ladung des Halbleiters bestimmen. Bei einer weiteren Annäherung an die Grenzfläche zwischen Oxid und Halbleiter sinkt der spezifische Widerstand wieder in Folge des zunehmenden Anteils frei beweglicher Elektronen aufgrund der im Oxid vorhandenen positiven Ladungen. Im Bereich des Halbleiter-Interfaces kommt es im invertierten Bereich zu einem starken Anstieg der Leitfähigkeit, die bis zu fünf Größenordnungen über der Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials liegen kann. Diese Inversionsschicht bestimmt maßgeblich die Ausbreitungsbedingungen für hochfrequente elektromagnetische Felder auf der MOS-Struktur von FIG. 1.
Wie es bereits erwähnt wurde, wird zur Verhinderung der Ausbildung dieser Inversionsschicht innerhalb des Halbleitermaterials bei Standard-CMOS-Technologien eine Feldschwellen- Implantation durchgeführt, die gezielt für eine Verarmung der im Verbindungssystem auftretenden parasitären MOS- Struktur sorgt. Diese Maßnahme ist aus Eingangs genannten Gründen mit den hier verwendeten hochohmigen Substraten ungünstig bzw. nicht möglich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch durch gezielte Verarmung des Grenzflächenbereichs zwischen dem Oxid 12 und dem Halbleiter 14 eine signifikante Verringerung der Leitfähigkeit und damit eine Verbesserung der hochfrequenzrelevanten Eigenschaften der MOS-Struktur möglich. Dieser Verarmungsbereich, der durch die beginnende Akkumulation einerseits und andererseits durch die einsetzende Inversion begrenzt wird, wird somit erfindungsgemäß für das Betreiben passiver HF-Elemente vorzugsweise in Silizium-Technologie eingesetzt.
FIG. 3 zeigt die ortsabhängigen Verteilungen der frei beweglichen Ladungsträger für verschiedene zwischen dem Leiter - 9 - ~
10 und dem Halbleiter 14 angelegte Gleichspannungen.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß im Sinne dieser Anmeldung der Ausdruck "Gleichspannung" nicht strikt eine Gleichspannung meint. Die "Gleichspannung" kann auch eine niederfrequente Spannung sein, deren Frequenz wesentlich kleiner als die Frequenz der elektromagnetischen Wellen ist, die sich auf den erfindungsgemäßen passiven Hochfrequenz-Bauelementen ausbreiten können. Wie es in der Praxis üblich ist, kann die "Gleichspannung" gemäß dieser Erfindung ebenfalls hochfrequente Rauschanteile enthalten, deren Wechselamplitude jedoch wesentlich geringer als die Gleich-Amplitude der Spannung ist .
Die Spannungswerte, die in FIG. 3 dargestellt sind, wurden zur Abschätzung des Verarmungsbereichs ausgewählt und führen erfindungsgemäß zu einer signifikanten Erhöhung des spezifischen Widerstands im Halbleiter im Vergleich zu dem Fall, bei dem keine Spannung angelegt ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch bei kleineren oder größeren Spannungen als den in FIG. 3 gezeigten eine Erhöhung des spezifischen Widerstands der MOS-Struktur auftritt, weshalb dieselben ebenfalls im Bereich diese Erfindung liegen. In Anlehnung an die in der Literatur weit verbreiteten Herleitungen zum Verhalten einer MIS-Struktur werden die Spannungen auf das Rückseitenpotential der Struktur bezogen. Gemäß der Richtungskonvention von FIG. 1 führt somit eine negative Spannung U zu einer Verarmung einer Inversionsschicht zwischen dem Oxid 12 und dem Halbleiter 14, da die Inversionsschicht im wesentlichen aus Elektronen besteht, wobei der Halbleiter 14 leicht p-dotiert ist. In einem Fall, bei dem das Oxid im wesentlichen lediglich negative feste Ladungen hat, wird die Inversion zwischen dem Oxid 12 und dem Halbleiter 14 zu einer Löcheransammlung führen, insbesondere, wenn der Halbleiter 14 n-dotiert ist. In diesem Fall sind selbstverständlich positive Spannungen U notwendig, um erfindungsgemäß eine Verarmung dieser Inversionsschicht zum Erreichen eines höheren spezifischen Widerstands des Halbleiters 14 nötig. Aus FIG. 3 ist ersichtlich, daß bei dem in dieser Anmeldung beschriebenen Beispiel der vorliegenden Erfindung bei einer Spannung von -23 V eine sehr hohe Elektronendichte zwischen dem Oxid 12 und dem Halbleiter 14 vorhanden ist. Analog dazu ist die Löcherdichte bei diese Spannung sehr klein, wie es aus der rechten Zeichnung von FIG. 3 ersichtlich ist. Wird die angelegte Spannung U negativer gemacht, so verringert sich die Elektronendichte, während gleichzeitig die Löcherdichte ansteigt. Bei einer Spannung von etwa -24,25 V liegt der sogenannte Flachband-Fall vor. Die Elektronen- und Löcherdichten sind hier gegenüber ihrem Ausgangswert unverändert, wobei aus FIG. 3 ersichtlich ist, daß der Ausgangswert der Elektronendichte 108cm~3 beträgt, während der Ausgangswert der Löcherdichte I012cm-3 beträgt, da, wie es bereits erwähnt wurde, der Halbleiter 14 leicht p-dotiert ist. Eine weitere Verringerung der angelegten Spannung U führt nun zu einem Ansteigen der Löcherkonzentration an der Grenzfläche zwischen dem Oxid 12 und dem Halbleiter 14 , wobei dieser Anstieg auch als Akkumulation oder Anreicherung bezeichnet wird.
FIG. 4 stellt den simulierten lokalen Verlauf des spezifischen Schichtwiderstands dar. Bei einer äußeren Spannung von -23 V (der Halbleiter ist gegenüber der Metallisierung 10 positiv vorgespannt) ist der spezifische Widerstand in Folge der Inversionsschicht im Interface-Bereich stark erniedrigt (in diesem Fall etwa 90 Ωcm) . In der sich anschließenden Raumladungszone steigt der spezifische Widerstand auf den höchstmöglichen Wert Pmax = 400 kΩcm, um dann schließlich im ungestörten Halbleiter auf den für das Ausgangsmaterial typischen Wert von © = 10 kΩcm abzusinken.
Bei einer äußeren Spannung von -24 V dagegen werden bezüglich des Widerstands im Silizium für eine Ausbreitung hochfrequenter elektromagnetischer Felder optimale Verhältnisse erreicht. Hier besitzt der spezifische Widerstand bereits am Interface einen theoretischen Maximalwert J»max = 400 kΩcm, _ l χ _
um dann im Halbleiterinneren auf den Ausgangswert von β = 10 kΩcm abzufallen. Der Interface-Bereich ist in diesem Zustand optimal verarmt. Aus FIG. 4 ist ersichtlich, daß innerhalb eines Bereichs von ca. 15μm durch Anlegen einer entsprechenden Gleichspannung eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem ohnehin schon hochohmigen Halbleitermaterial 14 erreicht wird. Eine weitere Erhöhung der angelegten Spannung führt zu einer Erhöhung der Löcherdichte, während die Anzahl der frei beweglichen Elektronen sinkt.
Passive Hochfrequenz-Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung werden dem Bereich hohen Widerstands, d. h. niedriger Dämpfung, erfindungsgemäß nutzen, wobei insbesondere Ko- planarleitungen, integrierte Spulen sowie Interdigitalkon- densatoren zu nennen sind.
FIG. 5 zeigt das Dämpfungsverhalten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, nämlich das Dämpfungsverhalten einer Koplanarleitung. Für die in FIG. 5 dargestellte Messung wurden alle Metallbestandteile der Koplanarleitung, d. h. der innere Streifen sowie die äußeren Masseflächen, auf das gleiche Potential gelegt, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des statischen elektrischen Feldes, das durch Anlegen der Gleichspannung zwischen dem Metall und dem Halbleiter erzeugt wird, zu erreichen. FIG. 5 unterstreicht, daß eine wesentliche Verringerung der Dämpfung, z. B. bei einer Frequenz von 5 GHz von 0,27 dB/mm bei 0 V angelegter Spannung bis auf 0,1 dB/mm bei einer extern angelegten Spannung von etwa -30 V erreicht wird. FIG. 5 verdeutlicht ferner, daß bereits bei kleiner angelegter Spannung eine DämpfungsVerringerung der Koplanarleitung auftritt. Vorzugsweise werden Spannungen zwischen -10 V und -40 V angelegt, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß auch kleinere Gleichspannungen bis zu 0 V sowie wesentlich größere Gleichspannungen bis zu -120 V angelegt werden können, wobei jedoch darauf geachtet werden muß, daß die Durchschlagsfestigkeit des Oxids und des Halbleiters berücksichtigt wird, um zum einen Lawineneffekte zu vermeiden, und - 12 - -
zum anderen besonders eine irreversible Zerstörung der erfindungsgemäßen MOS-Struktur auszuschließen.
Aus FIG. 5 ist ferner ersichtlich, daß bei einer Spannung von etwa -30 V die Inversion im Halbleiter abgebaut ist, wonach die Dämpfung der Koplanarleitung wieder ansteigt, da derart hohe negative Spannungen zu einer Löcherakkumulation in dem GrenzSchichtbereich führen werden. Wie es vorher erwähnt wurde, kann die negative Spannung zwischen der WaferRückseite, d. h. an dem Halbleiter 14, und allen Metallisierungen auf dem Oxid 12 angelegt werden. Eine Verringerung der Dämpfung kann jedoch auch erreicht werden, wenn die Spannung zwischen der Wafer-Rückseite, d. h. dem Halbleiter 14 , und beispielsweise nur dem Innenleiter einer Koplanarleitung oder nur den Masseflächen der Koplanarleitung angelegt wird. Dasselbe trifft für integrierte Spulen zu, bei denen die integrierte Spulenstruktur und die umgebende Massefläche auf gleichem Potential oder auf unterschiedlichem Potential gehalten werden können. Bei Interdigitalkondensa- toren ist es ebenfalls möglich, beide ElektrodenfingerStrukturen auf gleichem Potential zu halten. Eine Verringerung der Dämpfung für elektromagnetische Wellen wird jedoch auch erreicht, wenn lediglich eine Fingerelektrode gegenüber der Wafer-Rückseite negativ vorgespannt wird.
FIG. 6 zeigt schließlich die vier frequenzabhängigen Leitungsersatzschaltbildparameter, wobei von einem einfachen Leitungsersatzschaltbild ausgegangen wird, das aus einer Serienschaltung eines Widerstands und einer Induktivität sowie aus einer Parallelschaltung einer Kapazität und einem Leitwert besteht, wie es allgemein bekannt ist. FIG. 6 zeigt die einzelnen Ersatzschaltbildparameter für verschiedene angelegte Spannungen zwischen 0 V und 28 V. Deutlich ist zu sehen, daß die seriellen Elemente, d. h. der Induktivitätsbelag sowie der Widerstandsbelag, im wesentlichen nicht durch die angelegte Spannung beeinträchtigt werden. Dagegen weisen die Verläufe des Kapazitäts- und des Leitwertbelags eine signifikante Spannungsabhängigkeit auf. Durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen dem Metall 10 und dem Halbleiter 14 einer Leiter-Isolator-Halbleiter-Struktur kann daher nicht nur die Dämpfung passiver Hochfrequenz-Bauelemente verringert, sondern auch eventuell auftretende Resonanzfrequenzen erhöht werden, um den Einsatzbereich von integrierten passiven Hochfrequenz-Bauelementen zu höheren Betriebsfrequenzen hin zu vergrößern.
Passive HF-Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung sowie Verfahren zum Betreiben passiver HF-Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit eine wesentliche Verringerung der Dämpfung für elektromagnetische Wellen. Insbesondere bei auf SIMOX-basierenden SOI-Prozessen ist die Verarmung der Inversionsschicht zwischen dem Halbleiter und dem Oxid außerordentlich wichtig, da eine üblicherweise eingesetzte Feldschwellenimplantation nicht möglich ist. Obwohl die für die passiven HF-Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Halbleitersubstrate ebenfalls niederohmig sein können, zeigt sich der vorteilhafte Nutzen der vorliegenden Erfindung jedoch besonders bei hochohmigen Substraten (spezifischer Widerstand größer als 100 Ωcm) .
FIG. 7 zeigt ein Diagramm sequentieller Verfahrensschritte zum Herstellen eines passiven Hochfrequenzelements gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Für das passive Hochfrequenz-Element gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise die SIMOX-Technologie angewendet. SIMOX bedeutet Separation by Implantation of Oxygen. Dies heißt, daß in einen Siliziu wafer hochbeschleunigte Sauerstoffatome geschossen werden, die entsprechend der gewählten Energie eine bestimmte Eindringtiefe in das Silizium erreichen. Das Kristallgefüge in der Si-Oberflache wird dabei weitgehend zerstört. Durch einen Ausheilschritt bei sehr hoher Temperatur, welche beispielsweise zwischen 1000°C und 1375°C und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1250°C bis 1350°C liegt, wird das Kristallgefüge wieder hergestellt. Gleichzeitig tritt der Effekt auf, daß der Sauerstoff mit Si reagiert und sich unter der Si-Oberflache eine Si02-Schicht bildet. Das besondere dabei ist, daß die Grenzfläche zwischen dem Silizium und dem Siliziumdioxid sehr deutlich ausgebildet ist, und mit der Grenzfläche von Si mit einer durch Oxidation hergestellten Si02-Schicht vergleichbar ist. Wie es nachfolgend deutlicher wird, kann aufgrund dieser Vergleichbarkeit die Grenzfläche zwischen der begrabenen Siliziumdioxidschicht und dem Siliziumsubstrat als Isolator- Halbleiter-Übergang betrachtet werden, wie auch in Verbindung mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung dargelegt und ausgeführt wurde. Die Betrachtungen sind also auch im Falle einer begrabenen Siliziumoxidschicht anwendbar.
Für Hochfrequenzschaltungen ist diese begrabene Oxidschicht sehr vorteilhaft, weil dadurch parasitäre Kapazitäten, z. B. der Source- und Draingebiete zum Halbleitersubstrat (oder Si-Bulk) wesentlich reduziert werden können. Aus diesem Grund verwendet man auch hochohmige Wafer, welche spezifische Widerstände bis zu 10 kΩcm haben können, wie es bereits eingangs erwähnt wurde.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde durch Anlegen einer geeigneten Gleichspannung ein weites Verarmungsgebiet unter der Si-Oberflache erzeugt, um die unerwünscht vorhandenen Ladungsansammlungen, welche bis zu einer Inversion führen konnten, zu reduzieren, um den spezifischen Widerstand bzw. die Dämpfung aufgrund der in diesen Bereichen höheren Leitfähigkeit zu eliminieren. Bei höherer Substratdotierung ist diese Ausdehnung der Raumladungszone wesentlich kleiner, weshalb der technisch ausnutzbare Effekt gegenüber einer Verwendung sehr hochohmiger Substrate deutlich geringer wird. Gemäß dem zweiten Aspekt wird nun ein schwach dotierter Halbleiterbereich unter dem Isolator erzeugt, um den Effekt des Anlegens der Gleichspannung gewissermaßen fest in das passive Element einzubauen. Daher gelten alle vorher gemachten Überlegungen bezüglich der Auswirkung der Gleichspannung auf die Zwischenschichtladungen ebenfalls für den zweiten Aspekt. Allgemein gesagt kann somit im wesentlichen jeder spezielle Spannungswert durch eine geeignete Wahl der Dotierungsparameter für den dotierten Bereich unter dem Isolator imitiert werden.
Der erste Schritt von FIG. 7 zeigt ein Roh-HalbleiterSubstrat 14, welches vorzugsweise aus Silizium ist. Dieses wird mittels Sauerstoffimplantation 20 behandelt, um die erwähnte begrabene Oxidschicht zu erzeugen. Diese Oxidschicht ist mit 22 im 2. Teilbild von FIG. 7 bezeichnet. Über der Oxidschicht hat sich bei dem beschriebenen SIMOX-Prozeß durch Ausheilung des Si-Kristalls ein dünner Siliziumfilm 24 gebildet. Die begrabene Si02-Schicht ist beispielsweise 400 nm dick, während der Siliziumfilm 24 eine Dicke von lediglich 100 nm haben wird. In den Gebieten des Halbleiterwafers bzw. des Halbleitersubstrats 14, wo später Wellenleiter, Spulen oder Kondensatoren als passive Hochfrequenzbauelemente erzeugt werden sollen, wird nun eine selektive Oxidation des Siliziumfilms durchgeführt, womit derselbe nun zusammen mit der begrabenen Siliziumoxidschicht eine dickere Siliziumoxidschicht bildet, welche dem Isolator 12 von FIG. 1 entspricht. Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nun unter dem Isolator 12 eine schwach dotierte Halbleiterschicht gebildet, um auch ohne Anlegen einer Gleichspannung eine Verarmung der Zwischenschichtladungen zwischen dem Isolator 12 und dem Halbleitersubstrat 14 zu erreichen. Bei der beschriebenen Prozeßfolge in SIMOX-Technologie wird hier als Dotierungsart der p-Typ gewählt. Insbesondere wird die schwach dotierte p"-Siliziumschicht 24 mittels einer Borimplantation erzeugt. Die Dotierungskonzentration liegt vorzugsweise im Bereich von 1011 - 1013 cm'2. Die Borimplantation soll mit hoher Energie stattfinden, wobei die Energie im Bereich 200 ... 1000 keV liegen muß, damit eine Implantation durch den Isolator 12, in diesem Fall also das Siliziumoxid, stattfinden kann. Durch die Dicke der schwach dotierten Schicht und besonders durch die Dotierungskonzentration kann im wesentlichen jeder Ladungszustand erreicht werden, der auch durch Anlegen einer Spannung erhalten werden kann. Vorteilhaft an dem passiven Hochfrequenzelement, das bezüglich des Teilbilds 4 von FIG. 7 lediglich noch eine Metallisierung benötigt, ist, daß keine Gleichspannung angelegt werden muß, sondern daß die Bandverbiegung im Si an der Siθ2~Grenzflache durch die Dotierung des schwach p-dotierten Bereichs 24 eingestellt werden kann. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Darstellung eines SIMOX-Prozesses lediglich beispielhaft ist, da die Siliziumtechnologien einen hohen Reifegrad erreicht haben. Fachleute werden erkennen, daß die gezielte Verarmung von Zwischenschichtladungen bei Hochfrequenzelementen auch mit anderen Halbleitersystemen erreicht werden können, wobei dann andere Parameter bzw. Stoffe zur Implantation bzw. zur Erzeugung des Isolators eingesetzt werden müssen.
FIG. 8 zeigt eine Meßanordnung zur Charakterisierung passiver Hochfrequenzelemente, in diesem Beispiel von koplanaren WellenleiterStrukturen. Die linke Hälfte von FIG. 8 zeigt einen bekannten Netzwerkanalysator, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen von charakteristischen Eigenschaften eines passiven Hochfrequenzbauelements gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können. Der Netzwerkanalysator weist zusätzlich eine Gleichspannungsquelle U auf, um erfindungsgemäß an die ko- planare Wellenleiterstruktur verschiedene Spannungen anlegen zu können, derart, daß eine Verarmung von Zwischenschichtladungen zwischen dem Halbleitersubstrat und dem darauf gebildeten Isolator erreicht werden kann.
Die rechte Hälfte von FIG. 8 zeigt eine vergrößerte schematische Draufsicht auf die Meßspitzenanordnung zur Transmissionsmessung. In der Mitte befindet sich die Koplanarleitung als Beispiel für ein Hochfrequenzelement, welche links und rechts von Netzwerkanalysator-Meßspitzen kontaktiert ist. Bei dem hier dargestellten Fall handelt es sich um eine sog. ON-Wafer-Messung. Bei solchen Messungen ist durch die Wahl koplanarer Meßköpfe von einer sehr guten Anpassung der Feldverteilungen auszugehen. Für die Untersuchungen zur Charak- - -
terisierung des Leitungsverhaltens wird nun der in FIG. 8 gezeigte Meßaufbau eingesetzt. Während der Messungen wird eine Gleichspannungsquelle eingesetzt, um die Eigenschaften der Koplanarleitungen bei den jeweiligen Gleichspannungswerten durch Ermittlung ihrer Vierpolparameter und vorzugsweise ihrer Streuparameter zu bestimmen. Die Bestimmung der entsprechenden Leitungsparameter erfolgt dann direkt aus den Meßwerten.
FIG. 9 zeigt einen Signalflußgraphen zur Extraktion der Leitungsparameter. Bei der Ermittlung der Leitungsparameter wird im Falle der koplanaren Leitung von einem symmetrischen Reflexionsverhalten eines Wellenleiters ausgegangen. Dies bedeutet, daß die beiden Streuparameter S und S22 gleich sind. Diese Eigenschaft kann bei der Durchführung der Messungen auch zur Überprüfung der Adaptierungsgüte verwendet werden. Aufgrund des reziproken Verhaltens S21 = S12 sind zwei der vier ermittelten Streuparameter voneinander unabhängige komplexe Größen, die zur Berechnung der komplexen Leitungsparameter r und r genutzt werden können. Unter der Kenntnis der Leitungslänge ergeben sich die beiden Parameter folgendermaßen:
Figure imgf000019_0001
1 + s{. - . - O»t_-s?_-l)a-**?ι
_.S21
Der hier angegebene komplexe Reflexionsfaktor r steht durch Zw = 50 Ω (1 + r)/(l - r) in direktem Zusammenhang mit dem das Anpassungsverhalten der Leitung charakterisierenden Wellenwiderstand Zw. Die Dämpfung einer Leitung ergibt sich, wie es bekannt ist, als Realteil der Ausbreitungskonstante r.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren, das ebenso wie das Verfahren zum Betreiben des passiven HF-Elements sowie das passive HF-Element an sich auf der Erkenntnis basiert, daß eine gezielte Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht werden kann, um schaltungsrelevante Eigenschaften zu verbessern, ist auf alle bekannten Methoden zur Bestimmung von Materialparametern über CV-Abhängigkeiten anwendbar. Während bekannte CV-Messungen insbesondere bei hochohmigen Substraten mit großen Meßfehlern behaftet sind, ergeben CV-Messungen auch ein integrales Bild des Übergangs. Die erfindungsgemäßen Meßverfahren sind jedoch besonders empfindlich auf die Beschaffenheit des Materials unmittelbar unter dem Oxid und erlauben somit eine differentielle Analyse dieses Bereiches. Bevorzugte charakteristische Eigenschaften, die aus den Vierpolparametern ermittelt werden können, sind insbesondere die Dämpfung, der Verkürzungsfaktor und der Wellenwiderstand für Leitungen und die Güte für Spulen oder Kondensatoren.

Claims

Patentansprüche
1. Passives Hochfrequenz-Element mit folgenden Merkmalen:
einem Halbleitersubstrat (14) ;
einem auf dem Halbleitersubstrat (14) angeordneten Isolator (12) , durch den Zwischenschichtladungen in einem Grenzschichtbereich zwischen dem Halbleitersubstrat (14) und dem Isolator (12) erzeugt werden;
einem auf dem Isolator (12) angeordneten Leiter (10) ; und
einer Einrichtung (16a, 16b; 24) , mit der eine Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht werden kann.
2. Passives Hochfrequenz-Element nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (16a, 16b) , mit der eine Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht werden kann, eine Einrichtung zum Anlegen einer Gleichspannung zwischen dem Leiter (10) und dem Halbleitersubstrat (14) ist, die derart wählbar ist, daß eine Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht werden kann.
3. Passives Hochfrequenz-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Einrichtung zum Anlegen einer Gleichspannung eine Spannung anlegbar ist, bei der zum einen die Verarmung im wesentlichen vollständig ist, während eine Anreicherung von Ladungen mit zu den Zwischenschichtladungen entgegengesetzter Polarität im wesentlichen nicht auftritt, wodurch das passive Hochfrequenz-Element eine minimale Dämpfung für elektromagnetische Wellen aufweist.
4. Passives Hochfrequenz-Element nach Anspruch 2 oder 3,
bei dem der Leiter (10) aus Metall oder Polysilizium be- steht, während das Halbleitersubstrat p-Typ-Silizium ist, und der Isolator (12) aus Siliziumoxid besteht; und
bei dem durch die Einrichtung (16a, 16b) zum Anlegen einer Gleichspannung (U) eine negative Spannung zwischen dem Leiter (10) und dem Halbleitersubstrat (14) anlegbar ist.
Passives Hochfrequenz-Element nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (24) , mit der eine Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht werden kann, ein Bereich mit schwacher Dotierung in dem Grenzschichtbereich zwischen dem Halbleitersubstrat (14) und dem Isolator (12) ist, wobei der Dotierungstyp derart gewählt ist, daß eine Verarmung der Zwischenschichtladungen auftritt.
Passives Hochfrequenz-Element nach Anspruch 5, bei dem die Einrichtung (16a, 16b; 24) , mit der eine Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht werden kann, sowohl die Einrichtung (16a, 16b) zum Anlegen einer Gleichspannung als auch den Bereich (24) mit schwacher Dotierung umfaßt.
Passives Hochfrequenz-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Koplanarleitung, integrierte Spule oder als Interdigitalkondensator ausgeführt ist.
Passives Hochfrequenz-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein hochohmiges Halbleitersubstrat (14) verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben eines passiven Hochfrequenz-Elements mit einem Halbleitersubstrat (14) , einem auf dem Halbleitersubstrat (14) angeordneten Isolator (12) , durch den Zwischenschichtladungen in dem Grenzschichtbereich zwischen dem Halbleitersubstrat (14) und dem Isolator (12) erzeugt werden, und einem auf dem Isolator (12) angeordneten Leiter (10) , wobei das Verfahren fol- genden Schritt aufweist:
Anlegen einer Gleichspannung (U) zwischen dem Leiter (10) und dem Halbleitersubstrat (14) , derart, daß eine Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Gleichspannung (U) zwischen dem Leiter (10) und dem Halbleitersubstrat (14) angelegt wird, die bewirkt, daß zum einen die Verarmung im wesentlichen vollständig ist, während zum anderen eine Anreicherung von Ladungen mit zu den Zwischenschichtladungen entgegengesetzter Polarität nicht auftritt, wodurch das passive Hochfrequenzelement eine minimale Dämpfung aufweist.
11. Verfahren zum Bestimmen von charakteristischen Eigenschaften eines passiven Hochfrequenz-Elements mit einem Halbleitersubstrat (14) , einem auf dem Halbleitersubstrat (14) angeordneten Isolator (12) , durch den Zwischenschichtladungen in dem Grenzschichtbereich zwischen dem Halbleitersubstrat (14) und dem Isolator (12) erzeugt werden, und einem auf dem Isolator (12) angeordneten Leiter (10) , mit folgenden Schritten:
Messen von Vierpolparametern des passiven Hochfrequenz-Elements für unterschiedliche Gleichspannungen zwischen dem Leiter (10) und dem Halbleitersubstrat (14) , wobei die Gleichspannungen (U) derart gewählt sind, daß eine Verarmung der Zwischenschichtladungen erreicht wird; und
Berechnen von charakteristischen Eigenschaften des passiven Hochfrequenz-Elements als Funktion der angelegten Gleichspannung aus den ermittelten Vierpolparametern.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die charakteristischen Eigenschaften des passiven Hochfrequenz-Elements den komplexen Reflexionsfaktor und den Ausbreitungsparameter umfassen.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die charakteristischen Eigenschaften die Dämpfung, den Verkürzungsfaktor und den Wellenwiderstand von Leitungen bzw. die Güte von Spulen und Kondensatoren umfassen.
14. Verfahren zum Herstellen eines passiven Hochfrequenz- Elements mit folgenden Schritten:
Implantieren eines Halbleitersubstrats (14) mit Implantationsatomen (20) , derart, daß die Implantationsatome (20) eine gewünschte Eindringtiefe in dem Halbleitersubstrat (14) erreichen;
Ausheilen des implantierten Substrats (14) , derart, daß sich eine begrabene Isolatorschicht (22) im Halbleitersubstrat (14) und bezüglich der Implantierungsrichtung über der begrabenen Isolatorschicht (22) eine neue Halbleiterschicht (24) bildet;
Umwandeln der neuen Halbleiterschicht (24) an den Gebieten des Halbleitersubstrats (14) , an dem das passive Hochfrequenz-Element hergestellt werden soll, in eine neue Isolatorschicht, die zusammen mit der begrabenen Isolatorschicht (22) einen Isolator (12) bildet;
Implantieren einer Schicht (24) mit schwacher Dotierung durch den Isolator (12) hindurch in dem Halbleiter (14) , wobei der Dotierungstyp derart gewählt ist, daß eine Verarmung von Zwischenschichtladungen unter dem Isolator (12) auftritt; und
selektives Metallisieren des Isolators (12) , um das passive Hochfrequenz-Element zu erhalten.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Halbleitersubstrat (14) ein hochohmiges Siliziumsubstrat ist;
bei dem die Implantationsatome (20) im ersten Schritt Sauerstoffatome sind;
bei dem die begrabene Isolatorschicht (22) Siliziumoxid aufweist; und
bei dem die Schicht (24) mit schwacher Dotierung eine p-Typ-Schicht ist und mittels Akzeptoratomen und insbesondere Boratomen implantiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15 , bei dem die Akzeptordotierung mit Energien zwischen 100 und 2000 keV durchgeführt wird, und bei dem die Akzeptordichte in einem Bereich von 1011 bis 1014 cm"2 und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1012 und 1013 cm"2 liegt.
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