专利名称：纵向pn结电压控制变容器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电压控制变容器，特别涉及一种纵向PN结结构的电压控制变容
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背景技术：
锁相环在模拟电路和射频电路中有着极其广泛的应用，而电压控制变容器是锁相环中的一个关键器件。电压控制变容器的电容值可调节范围对锁相环的性能起着至关重要的影响。现有的电压控制变容器主要有两种结构一种是采用MOS电容，其中半导体衬底 s(例如硅)经过轻掺杂，在金属或多晶硅栅和衬底间加上偏压，衬底形成耗尽层，电压调节耗尽宽度从而调节变容器的电容值；另一种是PN结结构，通过其反向偏压调节结耗尽区的宽度来调节变容器的电容值。这两种变容器的电容值调节范围都能通过改变结构来改善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种纵向PN结电压控制变容器，该结构能增加电压控制变容器的可调节范围。为解决上述技术问题，本发明的纵向PN结电压控制变容器，为由具有沟槽的外延层和在所述沟槽内壁以及所述外延层上面的离子注入层组成电压控制变容器中的PN 结，所述离子注入层具有与所述外延层相反的导电类型，所述PN结制备在导电类型与所述外延层相同的衬底上，所述离子注入层连接金属形成所述电压控制变容器的一个电极，所述衬底连接金属形成所述电压控制变容器的另一个电极。本发明还提供了一种纵向PN结电压控制变容器的制备方法，包括如下步骤(1)在衬底上外延生长一导电类型与衬底相同的外延层；(2)采用光刻和刻蚀工艺在所述外延层内至少形成一个沟槽；(3)采用离子注入在所述沟槽的内壁和所述外延层表面形成离子注入层，所述离子注入层的导电类型与所述外延层的导电类型相反；(4)将离子注入层通过金属引出形成一个电极，后在衬底背面淀积金属形成另一个电极。本发明的纵向PN结电压控制变容器结构，弓丨入沟槽的设计，使得两电极间的PN结的结面积变大，加上反向偏压时耗尽区变宽，最终使电容值调节范围变大。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1为本发明的电压控制变容器的结构示意图；图2为本发明的电压控制变容器的制备流程示意图；图3为实施本发明的流程中刻蚀形成沟槽后的结构示意图4为实施本发明的流程中离子注入的示意图；图5为实施本发明的流程中形成注入层之后的结构示意图。
具体实施例方式本发明的纵向PN结电压控制变容器，电压控制变容器中的PN结由具有沟槽的外延层和在沟槽内壁以及外延层上面的离子注入层组成，离子注入层具有与外延层相反的导电类型，PN结制备在掺杂类型与外延层相同的衬底上，离子注入层连接金属形成电压控制变容器的一个电极，衬底连接金属形成所述电压控制变容器的另一个电极(见图1)。因衬底和离子注入层需要引出电极，故衬底和离子注入层的掺杂浓度一般要大于外延层的掺杂浓度。其中衬底的掺杂浓度可为1014-1016原子/cm2，外延层的掺杂浓度可为1012_1014 原子/cm2，离子注入层的掺杂浓度可为=IO14-IO"5原子/cm2，离子注入层的厚度可为0. 1-1 微米。沟槽的长度可为0. 2-200微米，宽可为0. 1-100微米，深可为0. 1-50微米。上述的纵向PN结电压控制变容器的工艺实施步骤如下(见图2)(1)选择重掺杂硅衬底；在衬底上面生长轻掺杂外延层，外延层掺杂类型与衬底相同但剂量很轻；衬底的掺杂浓度IO14-IO15原子/cm2，外延层的掺杂浓度IO12-IO14原子/ cm2。外延层的生长可采用常规的化学气相硅外延工艺，外延的同时进行掺杂。(2)对外延层进行光刻和刻蚀，在外延层中至少形成一个沟槽(见图幻。沟槽的长度为0. 2-200微米，宽度为0. 1-100微米，深度为0. 1-50微米。沟槽的个数可通过所要求的电容的调节范围来设定。(3)进行离子注入，在沟槽内壁和外延层表面，形成离子注入层(见图4)。离子注入可采用倾斜角的离子束注入，注入角度范围可为7-80度，以保证沟槽的侧壁能够均勻注入离子。注入离子的剂量可为1014-1016原子/cm2，离子注入层的厚度可为0. 1-1微米。热退火激活掺杂离子使得沟槽底部、侧壁以及外延层表面形成重掺杂层(离子注入层)。(4)接下来是电极的制作，外延层顶部离子注入层通过欧姆接触与正面金属连接形成变容器的一个电极，衬底通过欧姆接触与背面金属连接形成变容器的另一个电极。具体可为先淀积层间膜，填充沟槽并在外延层上形成预定厚度；而后通过光刻和刻蚀工艺在层间膜上形成接触孔；接着淀积接触金属，回刻或化学机械研磨接触金属至层间膜表面； 淀积正面金属形成一个电极；衬底背面减薄，之后再衬底背面淀积金属，形成另一个电极， 最终形成如图1所示的结构。本发明的纵向PN结电压控制变容器结构，弓丨入沟槽的设计，使得两电极间的PN结的结面积变大，加上反向偏压时耗尽区变宽，最终使电容值调节范围变大。
权利要求
1.一种纵向PN结电压控制变容器，其特征在于由具有沟槽的外延层和在所述沟槽内壁以及所述外延层上面的离子注入层组成电压控制变容器中的PN结，所述离子注入层具有与所述外延层相反的导电类型，所述PN结制备在导电类型与所述外延层相同的衬底上， 所述离子注入层连接金属形成所述电压控制变容器的一个电极，所述衬底连接金属形成所述电压控制变容器的另一个电极。
2.如权利要求1所述的电压控制变容器，其特征在于所述衬底的掺杂浓度为 IO14-IO16个原子/cm2，所述外延层的掺杂浓度为IO12-IO14个原子/cm2，所述离子注入层的掺杂浓度为=IO14-IO"5个原子/cm2。
3.如权利要求1或2所述的电压控制变容器，其特征在于所述沟槽的长度为0.2-200 微米，宽为0. 1-100微米，深为0. 1-50微米，所述离子注入层的厚度为0. 1-1微米。
4.一种纵向PN结电压控制变容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在衬底上外延生长一导电类型与衬底相同的外延层；(2)采用光刻和刻蚀工艺在所述外延层内形成至少一个沟槽；(3)采用离子注入在所述沟槽的内壁和所述外延层表面形成离子注入层，所述离子注入层的导电类型与所述外延层的导电类型相反；(4)将离子注入层通过金属引出形成一个电极，后在衬底背面淀积金属形成另一个电极。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述步骤(4)具体可为1)在衬底上淀积层间膜，填充所述沟槽并至外延层表面预定厚度，而后刻蚀所述层间膜形成所述离子注入层的接触孔；2)淀积金属填充所述接触孔，并淀积金属形成金属线，作为所述电压控制变容器的一个电极；3)在所述衬底的背面淀积金属形成所述电压控制变容器的另一个电极。
6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于所述沟槽的长度为0.2-200微米， 宽为0. 1-100微米，深为0. 1-50微米，所述衬底的掺杂浓度为IO14-IO16个原子/cm2，所述外延层的掺杂浓度为1012-1014个原子/cm2 ；所述离子注入层的掺杂浓度为1014-1016个原子/cm2，所述离子注入中离子束的角度7-80度，所述离子注入层的厚度为0. 1-1微米。
全文摘要
本发明公开了一种纵向PN结电压控制变容器，为电压控制变容器中的PN结由具有沟槽的外延层和在所述沟槽内壁以及所述外延层上面的离子注入层组成，所述离子注入层具有与所述外延层相反的导电类型，所述PN结制备在掺杂类型与所述外延层相同的衬底上，所述离子注入层连接金属形成所述电压控制变容器的一个电极，所述衬底连接金属形成所述电压控制变容器的另一个电极。上述结构中，引入了沟槽设计，使得两电极间的PN结的结面积变大，加上反向偏压时耗尽区变宽，最终使电容值调节范围变大。本发明还公开了一种纵向PN结电压控制变容器的制备方法。
文档编号H01L29/93GK102544120SQ201010598399
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者康志潇, 张智侃, 金勤海 申请人:上海华虹Nec电子有限公司