DE2314747A1

DE2314747A1 - Halbleiterwiderstand

Info

Publication number: DE2314747A1
Application number: DE19732314747
Authority: DE
Inventors: Ingrid Emese Magdo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-05-11
Filing date: 1973-03-24
Publication date: 1973-11-22
Also published as: JPS5317394B2; FR2183709B1; IT979178B; CA985793A; FR2183709A1; JPS4924373A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin.: FI 971 144

Halbleiterwiderstand

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterwiderstand, der in einer epitaktisch auf ein einkristallines Halbleitersubstrat aufgewachsenen Schicht ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Widerstände in integrierten Halbleiterschaltungen werden gewöhnlich durch einen Diffusionsvorgang hergestellt und bestehen aus dünnen, länglichen Halbleiterzonen mit vorgegebener Leitfähigkeit, an deren beiden Enden Metallschichten zum Anschluß an die Zuleitungen aufgebracht sind. Die elektrische Isolierung solcher Widerstände von den übrigen aktiven und passiven Bauelementen im Halbleiterkörper erfolgt durch in Sperrichtung vorgespannte PN-Übergänge. Die Halbleiteroberfläche ist mit einer isolierenden Schicht, beispielsweise aus Siliciumdioxyd, Siliciumnitrid, Aluminiumoxyd oder einer Kombination dieser Materialien, überzogen, die auch den Widerstand zwischen den beiden Anschlüssen vollständig bedeckt.

Bei der durch Eindiffusion in die Halbleiteroberfläche erfolgenden Bildung der Widerstände ergibt sich eine Verteilung des eindiffundierten Dotierungsmittels in der Weise, daß die Dotierungskonzentration direkt an der Oberfläche am höchsten ist und mit zunehmendem Abstand von dieser Oberfläche abnimmt. Daher ist die

309847/0730

Leitfähigkeit des Widerstandsmaterials und damit bei Stromdurchfluß die Stromdichte an der Halbleiteroberfläche am größten. Die ungleichmäßige Verteilung der Stromdichte über den Widerstandsquerschnitt bewirkt während des Betriebes des Widerstandes eine örtlich begrenzte Aufheizung an der Halbleiteroberfläche. Dadurch ergeben sich erhebliche Temperaturunterschiede in der Halbleiteranordnung, die zu Rissen in den isolierenden Deckschichten sowie in der Metallisierung und daher zu einer Verschlechterung oder sogar zu einem Ausfall der Anordnung führen können. Auch erhöht die ungleichmäßige Erwärmung der Leiterzüge auf der Halbleiteroberfläche die Gefahr einer Materialwanderung in den Leiterzügen bei Stromdurchfluß (Elektromigration) ,. wodurch Ungleichmäßigkeiten und sogar Brüche in der Metallisierung auftreten.

Durch die US-Patentschrift 3 629 667 ist ein in einer integrierten Halbleiterschaltung angeordneter Widerstand bekannt, bei dem die hohe Stromdichte an der Oberfläche vermieden Wird. Durch besondere Diffusionszonen an der Halbleiteroberfläche zwischen den Anschlüssen des Widerstandes wird der Strom in die mittleren und unteren Gebiete des Widerstandes umgelenkt. Jedoch treten auch bei diesem Widerstand noch einige Nachteile·auf. So kann sich z.B. ^v die Kapazität des oberen und der seitlichen PN-Übergänge störend bemerkbar machen.

Viele Schaltungsanordnungen erfordern Widerstände mit hohem Widerstandswert. Der Widerstandswert kann durch Vergrößern des Abstandes zwischen den Anschlüssen, durch Erhöhen des spezifischen Widerstandes des Widerstandsmaterials sowie durch Vermindern des stromführenden Querschnittes erhöht werden. Durch den erreichten Grad der Mikrominiaturisierung ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten bei dem Versuch, den Widerstandswert eines. Widerstandes zu erhöhen, da eine Verlängerung des Widerstandselementes den. ......... Platzbedarf für dieses Element vergrößert und damit die Elementendichte in der integrierten Schaltung herabgesetzt wird. Zwar kann der spezifische Widerstand durch entsprechende Herabsetzung

971 144 309847/0730

23H7A7

der Dotierung erhöht werden, jedoch ist die Dotierung in einer epitaktisch aufgewachsenen Schicht normalerweise für die Bedürfnisse anderer Bauelemente, beispielsweise Schottky-Dioden, ausgerichtet. Die Möglichkeit, die Dotierungskonzentration in Abhängigkeit vom gewünschten spezifischen Widerstand zu wählen, ist somit sehr begrenzt. Die Dicke der epitaktisch auf das Halbleitersubstrat aufgewachsenen Schicht ist gleichförmig. Es ist im allgemeinen nicht durchführbar, diese Dicke an einzelne Stellen herabzusetzen, um den Erfordernissen nach hohen Widerstandswerten nachzukommen. Die seitliche Breite der Widerstandselemente kann nur bis zu einem die durch den Herstellungsprozeß bedingten Beschränkungen berücksichtigenden Grad herabgesetzt werden. Ein weiterer zu beachtender Umstand bei der Herstellung integrierter Schaltungen ist die Kopplungskapazität zwischen den Halbleiterzonen und den Leiterzügen auf der Halbleiteroberfläche. Da die Widerstandselemente einen erheblichen Flächenbedarf besitzen, ist es vorteilhaft, die Leiterzüge über diese verlaufen zu lassen. Wenn die Leiterzüge und die Halbleiteroberfläche nur durch eine dünne passivierende Schicht getrennt sind, tritt eine beträchtliche Kapazität zwischen diesen auf.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Widerstand mit geringem Flächenbedarf zu schaffen, so daß eine hohe Elementendichte in integrierten Schaltungen erzielt wird. Auch soll die Kopplungskapazität zwischen dem den Widerstand enthaltenden Halbleitergebiet und den darüber geführten Leiterzügen möglichst gering sein. Diese Aufgabe wird bei dem anfangs genannten Halbleiterwiderstand erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Widerstand unterhalb einer in die epitaktisch aufgewachsene Schicht ragenden, zwischen seinen Anschlußstellen angeordneten Schicht aus Isoliermaterial verläuft. Vorzugsweise bestehen das Halbleitermaterial aus Silicium und das Isoliermaterial aus thermisch oxydiertem Silicium. Der Widerstand ist vorteilhaft an der dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite durch einen pn-übergang isoliert. Er kann in geeigneter Weise seitlich mindestens teilweise durch eine ringförmige Zone aus Isolier-

Fi 971 144 309847/0730

23H7A7

material isoliert sein, wobei unterhalb dieser ringförmigen Zone eine entsprechend geformte Isolationszone aus Halbleitermaterial angeordnet sein kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fign. 1 bis 5 den Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung in

aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten bei der Herstellung eines beanspruchten Halbleiterwiderstandes ,

Fig. 6 die Draufsicht auf die Halbleiteranordnung nach

Fig. 5,

Fig. 7 den Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung,

die eine zweite AusführungsfOrm eines beanspruchten Widerstandes enthält, und

Fig. 8 den Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung,

die eine dritte Ausführungsform eines beanspruchten Widerstandes enthält.

Der Widerstand wird auf einem geeigneten, in den vorliegenden Ausführungsbeispielen' P-leitenden Halbleitersubstrat 10 aus Silicium ausgebildet. Die Oberfläche 11 des Substrats 10 ist mit einer geeigneten maskierenden Schicht 12 bedeckt, die beispielsweise aus Siliciumdioxyd, Siliciumnitrid oder Aluminiumoxyd bestehen kann. Vorzugsweise wird die Schicht 12 durch thermische Oxydation der Oberfläche des Substrats 10 bei erhöhter Temperatur in Sauerstoff und Wasserdampf gebildet. Mit Hilfe der bekannten photolithographischen Techniken wird in die Schicht 12 ein Diffusionsfenster 14 eingebracht. Das Diffusionsfenster 14 ist ringförmig und umgrenzt das Halbleitergebiet, in dem der Widerstand ausgebildet

Fi 971 144 -■ . 30,984 7/0730

23U747

werden soll. Die Anordnung wird dann einem geeigneten Dotierungsmittel ausgesetzt, so daß der Bereich 16 unterhalb des Diffusionsfensters 14 entsteht, der den gleichen Leitungstyp wie das Substrat 10, jedoch eine erheblich größere Dotierungskonzentration als dieses aufweist. Die Dotierungskonzentration an der Oberfläche

el· 3

des Bereiches 16 liegt vorzugsweise zwischen 10 und 10

Atomen/cm."

Wie Fig. 2 zeigt, wird anschließend die Schicht 12 entfernt und · es wird eine Schicht 18 aus Silicium epitaktisch auf die Oberfläche 11 des Substrats 10 aufgewachsen. Der Leitungstyp der epitaxialen Schicht 18 ist vorzugsweise dem des Substrats 10 entgegengesetzt. Die Dotierungskonzentration der Schicht 18 liegt vorzugsweise im Bereich von IO bis 5 χ 10 Atomen/cm _f die geeignet ist für die Ausbildung von Schottky-Dioden, eindiffundierten Widerständen oder epitaxialen Widerständen. Es wird dann eine Schicht 20 aus Siliciumdioxyd auf die Oberfläche 21 der Schicht 18 aufgebracht, die anschließend mit einer weiteren Schicht 22 aus Siliciumnitrid bedeckt wird. Über der Schicht 22 wird vorzugsweise eine nicht dargestellte Schicht aus pyrolytisch niedergeschlagenen» Siliciumdioxyd angeordnet, die als Maskierungsschicht für die Siliciumnitridschicht 22 dient. Der Bereich 16 diffundiert während des Aufwachsens der epitaxialen Schicht 18 teilweise in diese hinein.

Die Schichten 20 und 22 werden nun teilweise entfernt, so daß nur die Bereiche 24 und 26 auf der Oberfläche 21 verbleiben. Diese Bereiche bestimmen die Lage der Anschlußstellen für den zu bildenden Widerstand. Die epitaxiale Schicht 18 wird nun geätzt, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. Dabei ist das unter den Bereichen 24 und 26 liegende Halbleitermaterial geschützt, so daß die nach oben herausragenden Halbleitergebiete 32 und 34 entstehen. Die freiliegende Oberfläche der Schicht 18 wird nachfolgend thermisch oxydiert. Die Oxydation wird so lange durchgeführt, bis die Oberflächen des oxydierten Gebietes 30 und der Halbleitergebiete 32 und 34 in einer Ebene liegen. Weiterhin soll sich das oxydierte

309847/0730

FI 971 144

23U747

Gebiet 30 so weit in die epitaxiale Schicht 18 erstrecken, daß es den Bereich 16 erreicht. Zur Erzielung einer guten Verbindung zwischen dem Widerstand und der Anschlußmetallisierung werden die. Gebiete 32 und 34 vorzugsweise einer N -Diffusion unterworfen. Es werden dann die metallischen Anschlüsse 36 und 38 aufgebracht. Die Positionierung der für die Anschlußmetallisierung verwendeten Maske stellt keine Schwierigkeiten dar, da selbst relativ große Abweichungen von der^ gewünschten Soll-Position die Wirkungsweise des Widerstandes sowie benachbarter Elemente nicht beeinträchtigen. Der gebildete Widerstand ist auf seiner Unterseite durch einen PJSi-Übergang gegenüber den anderen Bauelementen der integrierten Schaltung elektrisch isoliert. Die seitliche Isolierung wird durch die Kombination aus dem Gebiet 30 aus Siliciumdioxyd und dem Bereich 16 gebildet. Der Strom durch den Widerstand fließt über den Anschluß 36, das vertikale Gebiet 32, das horizontale Gebiet 40, das vertikale Gebiet 34 sowie den Anschluß 38. Die Isolierung des Widerstandes ist aus Fig. 6 ersichtlich, in der der ringförmige Verlauf des Bereiches 16 gezeigt ist. Mit dem beschriebenen Widerstand lassen sich hohe Widerstandswerte erreichen, da der Querschnitt des Widerstandes sehr klein gemacht werden kann. Die Dicke des Gebietes 40 ist erheblich geringer als diejenige der epitaktischen Schicht 18. Weiterhin sind über den Widerstand verlaufende Leiterzüge durch die relativ dicke Schicht 31 aus Isoliermaterial von dem Gebiet 4O des Widerstandes getrennt. Dadurch ist die Kopplungskapazität zwischen den Leiterzügen und den Halbleiterzonen des Widerstandes sehr gering. Man erhält somit einen Widerstand, der nur einen sehr geringen Flächenbedarf aufweist, und bei dem die störenden Kopplungskapazitäten weitgehend vermieden werden. Die hohe Elementendichte ergibt sich nicht nur durch den erreichbaren hohen Widerstandswert, sondern auch dadurch, daß die metallischen Anschlüsse die zu kontaktierenden Halbleitergebiete überlappen können. Bei den bekannten eindiffundierten Widerständen müssen die Anschlüsse innerhalb des den Widerstand bildenden Halbleitergebietes liegen, da·sonst Kurzschlüsse zwischen verschieden dotierten Gebieten auftreten können und

Fi 971 144 30 984 7/0730

_ ₇ _ 23H747

dadurch beispielsweise die PN-Isolation des Widerstandes wirkungslos wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des beanspruchten Halbleiterwiderstandes zeigt die Fig. 7. Hierbei besitzen das Substrat 10 sowie die epitaktisch aufgewachsene Schicht 18 den gleichen Leitungstyp. Um den in der epitaxialen Schicht ausgebildeten Widerstand nach unten hin zu isolieren, wird vor dem Aufbringen der epitaxialen Schicht 18 in das Substrat 10 ein Gebiet 5O vom entgegengesetzten Leitungstyp eindiffundiert, das während des Aufbringens der Schicht 18 so weit in diese eindiffundiert, daß es das nachträglich gebildete Gebiet 30 aus thermisch oxydiertem Silicium erreicht. Man erhält somit eine geschlossene Isolation für den Halbleiterwiderstand. Der Bereich 52 aus thermisch oxydiertem Silicium oberhalb des Widerstandsgebietes erstreckt sich nicht so tief in die Schicht 18 wie das Gebiet 30. Es sind somit zur Bildung des Gebietes 30 und des Bereiches 52 getrennte Maskierungsschritte erforderlich. Es läßt sich ein sehr geringer Querschnitt des Widerstandsgebietes 40 und damit ein sehr hoher Widerstandswert erreichen.

In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform eines Widerstandes dargestellt, die im wesentlichen der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform entspricht. Unterhalb des Widerstandsgebietes 40 befindet sich ein zusätzliches Diffusionsgebiet 60 vom entgegengesetzten Leitungstyp, wodurch der Querschnitt des Gebietes 40 weiter eingeengt ist. Bei der Bildung des Diffusionsgebietes 60 im Substrat muß darauf geachtet werden, daß dieses beim Aufwachsen der epitaxialen Schicht 18 nicht so schnell ausdiffundiert wie der ringförmige Isolationsbereich 16. Vorzugsweise wird daher für das Gebiet 60 ein langsamer diffundierendes Dotierungsmittel verrwendet als für den Bereich 16. Um einen guten ohmschen Kontakt zwischen dem schwach dotierten Widerstandsgebiet und der Anschlußmetallisierung herzustellen, ist es vorteilhaft, die Dotierungskonzentration unterhalb der Anschlüsse 36 und 38 in den Gebieten 62 zu erhöhen. Die hierfür erforderliche Diffusion kann beispielsweise gleichzeitig mit der Emitterdiffusion für die in der

Fi 971 144 30 98 4 7 /0730

integrierten Schaltung befindlichen Transistoren durchgeführt werden.

Fi 971 144 .30 98 47/07 30

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Halbleiterwiderstand, der in einer epitaktisch, auf ein einkristallines Halbleitersubstrat aufgewachsenen Schicht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand unterhalb einer in die epitaktisch aufgewachsene Schicht ragenden, zwischen seinen Anschlußstellen angeordneten Schicht aus Isoliermaterial verläuft.

2. Halbleiterwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus Silicium und das Isoliermaterial aus thermisch oxydiertem Silicium bestehen.

3. Halbleiterwiderstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er an der dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite durch einen PN-Übergang isoliert ist.

4. Halbleiterwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er seitlich mindestens teilweise durch eine ringförmige Zone aus Isoliermaterial isoliert ist.

5. Halbleiterwiderstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der ringförmigen Zone aus Isoliermaterial eine entsprechend geformte Isolationszone aus Halbleitermaterial angeordnet ist.

6. Halbleiterwiderstand nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht über dem Widerstand und die ringförmige Zone aus Isoliermaterial die gleiche Tiefe in der epitaktisch aufgewachsenen Schicht aufweisen.

7. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterwiderstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des in die epitaktische Schicht ragenden

F_1971144 3098 47/0730

Isoliermaterials durch thermische Oxydation des HaIbleitermaterials an durch eine Maske aus Siliciumnitrid freigegebenen Stellen erfolgt. ,

Fi 971 144 30 98 47/073