DE19821726C1 - Ingegrierte CMOS-Schaltung für die Verwendung bei hohen Frequenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte CMOS- Schaltung für die Verwendung bei hohen Frequenzen mit aktiven CMOS-Bauelementen und passiven Bauelementen, bei der die aktiven CMOS-Bauelemente in einem Halbleitersubstrat gebildet sind, das einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von kΩcm hat.

Eine integrierte CMOS-Schaltung dieser Art ist aus IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 44, Nr. 7, 1997, S. 1091 bis 1101 bekannt.

Integrierte CMOS-Schaltungen, die unter Anwendung der der­ zeit üblichen Prozesse hergestellt werden, leiden bei ihrer Verwendung in typischen Hochfrequenzschaltungen, beispiels­ weise als Eingangsstufen symmetrischer Mischer oder als Im­ pedanztransformatoren, unter dem Nachteil, daß die in der Schaltung erforderlichen passiven Bauelemente, wie Spulen und Kondensatoren, eine niedrige Güte aufweisen. Diese nied­ rige Güte ist auf unerwünschte kapazitive Kopplungen und die Erzeugung von Wirbelströmen im leitenden Halbleitersubstrat zurückzuführen, deren Fließen durch die in einem solchen Halbleitersubstrat zahlreich vorhandenen Ladungsträger er­ möglicht wird.

Passive Bauelemente mit niedriger Güte sind in Hochfrequenz­ schaltungen unerwünscht, da sie die Einbeziehung zusätz­ licher aktiver Stufen zum Kompensieren der Energieverluste erfordern, die aufgrund der niedrigen Güte auftreten. Außer­ dem ergeben sich bei Bauelementen mit niedriger Güte erhöhte Rauschzahlen. Besonders bei CMOS-Schaltungen ist aber die Verwendung passiver Bauelemente unvermeidlich, weil die CMOS-Bauelemente eine rein kapazitive Eingangsimpedanz haben, so daß zur Impedanzanpassung üblicherweise eine Spule mit hoher Induktivität eingesetzt werden muß, die in Serien­ resonanz mit der Eingangskapazität des MOS-Transistors ar­ beitet. Gerade in diesem typischen Anwendungsfall ist die niedrige Güte, mit der sich die Spule herstellen läßt, von großem Nachteil.

Aus DE 33 29 224 A1 ist es bekannt, vergrabene Schichten mit im Vergleich zum Substrat niedrigerem spezifischen Wider­ stand unter CMOS-Bauelementen zu verwenden. Aus EP 0 682 371 A1 ist es bekannt, passive Bauelemente in integrierten MOS- Schaltungen in oder auf einer auf dem Halbleitersubstrat angebrachten Schicht aus Isoliermatieral zu bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte CMOS-Schaltung für die Verwendung bei hohen Frequenzen zu schaffen, in der unter Anwendung eines einfachen und kosten­ günstigen Prozesses passive Bauelemente mit hoher Güte her­ gestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem Halbleitersubstrat unter den aktiven CMOS-Bauelementen eine vergrabene Schicht ist, die einen spezifischen Wider­ stand in der Größenordnung von Ωcm hat, daß die passiven Bauelemente in oder auf einer auf dem Halbleitersubstrat, daß auf der von der Schicht aus Isoliermaterial abgewandten Fläche des Halbleitersubstrats eine leitende Kontaktschicht angebracht ist.

Die integrierte CMOS-Schaltung nach der Erfindung ist in einem hochohmigen Substrat mit einer rückseitigen leitenden Kontaktschicht gebildet. Die unter den CMOS-Bauelementen, also den aktiven Bauelementen der Schaltung, eingebrachte leitende vergrabene Schicht verhindert den unerwünschten Latchup-Effekt, der durch parasitäre Thyristoren ausgelöst wird. Unter den passiven Bauelementen fehlt diese leitende vergrabene Schicht, so daß keine Kopplung mit benachbarten Bauelementen über diese Schicht stattfinden kann. Durch die passiven Bauelemente induzierte Wirbelströme können nicht mehr in nennenswerter Größe entstehen, da die hierfür not­ wendigen Ladungsträger durch die leitende Kontaktschicht abgeleitet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung erläutert, in der eine schematische Schnittansicht eines Halbleitersubstrats mit einer integrierten CMOS-Schaltung für die Verwendung bei hohen Frequenzen dargestellt ist.

Das in der Zeichnung dargestellte Halbleitersubstrat 10 kann aus Silizium, Germanium, einem anderen Halbleitermaterial oder auch aus einem Verbund-Halbleitermaterial wie GaAs bestehen. Es muß jedoch ein hochohmiges Material mit einem spezifischen Widerstand im kΩcm-Bereich sein.

In der oberen Fläche des Halbleitersubstrats 10 sind mittels herkömmlicher Verfahren aktive Bauelemente wie n-Kanal- Feldeffekttransistoren und p-Kanal-Feldeffekttransistoren gebildet. Zwei dieser Feldeffekttransistoren sind bei 12 in der Zeichnung schematisch dargestellt. Diese aktiven Bau­ elemente sind zur Bildung der gewünschten CMOS-Schaltung über nicht dargestellte Leiterbahnen miteinander verbunden.

Auf dem Substrat 10 befindet sich eine isolierende Schicht 14, auf deren Oberfläche passive Bauelemente gebildet sind. Als Beispiel sind die Windungen einer Spule 16 sowie ein Leiter 18 einer Mikrostreifenleitung dargestellt. An der Spule sind mit gestrichelten Linien Feldlinien eines von der Spule hervorgerufenen Magnetfeldes dargestellt, das im Halb­ leitersubstrat 10 Wirbelströme induzieren kann. Ferner ist in der Schicht 14 als weiteres Beispiel eines passiven Bauelements ein Kondensator 20 gebildet. Die isolierende Schicht 14 kann beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid bestehen.

Es sei bemerkt, daß die erwähnten aktiven und passiven Bauelemente nur Beispiele für Bauelemente darstellen, wie sie in üblichen Hochfrequenzschaltungen benötigt werden. Natürlich können auch andere Bauelemente in der Schaltung enthalten sein, beispielsweise Schottky-Dioden, Tunnel- Dioden oder dergleichen.

In dem hochohmigen Halbleitersubstrat 10 befindet sich unter den aktiven Bauelementen eine vergrabene leitende Schicht 22. Diese Schicht verhindert, daß der Latchup-Effekt ein­ tritt, also das Zünden eines sich unterhalb der aktiven Bau­ elemente ausbildenden parasitären Thyristors bei Vorliegen bestimmter Potentialverhältnisse.

Aufgrund des hohen spezifischen Widerstandes des Substrats 10 tritt das Problem der kapazitiven Kopplung und der Er­ zeugung von Wirbelströmen im Substrat nur in sehr einge­ schränktem Umfang auf, so daß die passiven Bauelemente eine hohe Güte erreichen. Eine auf der Rückseite des Halbleiter­ substrats 10 angebrachte leitende Kontaktschicht 24 sorgt dafür, daß im Halbleitersubstrat induzierte Rest-Wirbel­ ströme abgeleitet werden, so daß sie keinen Einfluß auf das Verhalten weiterer Bauelemente der Schaltung nehmen können.

Das Halbleitersubstrat 10 kann sowohl ein n-leitendes als auch ein p-leitendes Halbleitermaterial sein. Wenn es sich um ein n-leitendes Material handelt, kann die p-Wanne, in der üblicherweise die n-Kanal-Feldeffekttransistoren ge­ bildet sind, auf ein beliebiges Potential gelegt werden. Dies erweist sich als günstig beim Aufbau von HF-Verstärkern in Gate-Schaltungen.

Die vergrabene leitende Schicht 22 kann durch Implantation, durch selektives epitaktisches Aufwachsen oder durch eine Kombination dieser beiden Verfahren erzeugt werden. Sie kann vom gleichen Leitungstyp wie das Substrat oder auch vom ent­ gegengesetzten Leitungstyp wie das Substrat sein. Sie muß jedoch in jedem Fall einen wesentlich niedrigeren spezi­ fischen Widerstand als das Substrat haben; er liegt typischerweise in der Größenordnung von Ωcm.

Die auf der Rückseite des Substrats 10 angebrachte leitende Kontaktschicht 18 kann aus Halbleitermaterial des gleichen Leitungstyps wie das Substrat 10 sein. Der Vorteil besteht in diesem Fall darin, daß über sie alle im Substrat 10 auf­ tretenden freien Ladungsträger abgeleitet werden können. Es ist aber auch möglich, eine Kontaktschicht 24 aus einem Leitungstyp zu bilden, die dem Leitungstyp des Substrats 10 entgegengesetzt ist. In diesem Fall ergibt sich eine Sperr­ schicht zwischen dem Substrat 10 und der Kontaktschicht 24. Es kann dafür gesorgt werden, daß diese Sperrschicht eine so große Raumladungszone erzeugt, daß das gesamte Substrat 10 an Ladungsträgern verarmt, was sich günstig auf das HF-Ver­ halten der passiven Bauelemente auswirkt. Im Falle eines n- leitenden Substrats 10 wird die Kontaktschicht 24 im Betrieb der Schaltung an die positive Versorgungsspannung gelegt, damit die im Substrat 10 auftretenden freien Elektronen abgeleitet werden. Bei einem p-leitenden Substrat 10 liegt die Kontaktschicht 24 an Masse, so daß freie positive Ladun­ gen abgeleitet werden.

Die leitende Kontaktschicht 24 kann auch aus einem Metall bestehen.

In einer CMOS-Schaltung mit dem beschriebenen Aufbau können Schottky-Dioden mit sehr niedriger Streukapazität erzeugt werden. Diese Dioden können daher äußerst vorteilhaft für den Aufbau von HF-Schaltern und Brückenmischern verwendet werden. Außerdem lassen sich hochwertige Impedanztransforma­ toren herstellen, da die Spulen die dafür erforderliche hohe Güte haben. Auch Tunneldioden lassen sich sehr gut her­ stellen, die als Frequenzvervielfacher dritter Ordnung zum Einsatz kommen können.

In der Praxis wurde eine CMOS-Schaltung mit HF-Bauelementen in einem Silizium-Substrat mit einem spezifischen Widerstand von etwa 5 kΩcm und einer vergrabenen Schicht mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,01 Ωcm aufgebaut. In einer solchen Schaltung konnten bei 2 GHz Spulen mit einer Güte Q von 30 und Kondensatoren mit einer Güte von 60 erhalten werden.

Eine solche Schaltung eignet sich besonders gut für eine Kombination mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) auf dem gleichen Chip, weil für beide Schaltungsteile, also den analogen Hochfrequenzteil und den digitalen Signalverar­ beitungsteil, der gleiche Herstellungsprozeß zur Anwendung kommen kann. Kombinationsschaltungen dieser Art kommen vor allem in Telekommunikationsgeräten zum Einsatz.

Claims (6)

1. Integrierte CMOS-Schaltung für die Verwendung bei hohen Frequenzen mit aktiven CMOS-Bauelementen und mit passiven Bauelementen, bei der die aktiven CMOS-Bauelemente in einem Halbleitersubstrat gebildet sind, das einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von kΩcm hat, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleitersubstrat (10) unter den aktiven CMOS-Bauelementen (12) eine vergrabene Schicht (22) ist, die einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von Qcm hat, daß die passiven Bauelemente (16, 18, 20) in oder auf einer auf dem Halbleitersubstrat (10) angebrachten Schicht (14) aus Isoliermaterial gebildet sind, und daß auf der von der Schicht (14) aus Isoliermaterial abgewandten Fläche des Halbleitersubstrats (10) eine leitende Kontakt­ schicht (24) angebracht ist.

2. Integrierte CMOS-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (10) p- oder n-leitend ist und daß die vergrabene Schicht (22) vom gleichen oder vom entgegengesetzten Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat (10) ist.

3. Integrierte CMOS-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Kontakt­ schicht (24) eine Metallschicht ist.

4. Integrierte CMOS-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die leitende Kontaktschicht (24) eine dotierte Halbleiterschicht ist, die vom gleichen oder vom entgegengesetzten Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat (10) ist.

5. Integrierte CMOS-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14) aus Isoliermaterial aus Siliziumdioxid besteht.

6. Integrierte CMOS-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14) aus Isolier­ material aus Siliziumnitrid besteht.