DE1916969B2 - Verfahren zur herstellung eines integrierten widerstandes - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines integrierten widerstandes

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Description

30
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Widerstandes mit geringer parasitärer Kapazität, der aus einer durch Diffusion erzeugten Halbleiterzone eines bestimmten Leitungstyps besteht, die durch eine in der Übergangszone zur angrenzenden Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitungstyps •usgebildete Sperrschicht mit einem geringen Gradienten der Störstellenkonzentration begrenzt ist.
Bei bekannten Verfahren zur Herstellung eines integrierten Widerstandes wird die als Widerstand wirkende Halbleiterschicht durch eine Diffusion hergestellt. Die dabei gebildete Übergangszone weist eine parasitäre Kapazität auf. Diese Kapazität ist direkt proportional einem Drittel des Gradienten der Störstellenverteilung in der Sperrschicht der Übergangszone. Aus diesem Zusammenhang ist zu ersehen, daß durch Verringerung des Gradienten, also durch einen flachen Verlauf der Störstellenverteilung, eine Verkleinerung der parasitären Kapazität bewirkt werden kann. Da die Crenzfrequenz umgekehrt proportional der parasitären Kapazität und dem Widerstandswert des diffundierten Widerstandes ist, begrenzt die parasistäre Kapazität die Frequenz, bei der der Widerstand ohne Impedanzverlust eingesetzt werden kann. Bei Erreichen der Grenzfrequenz liefert der Widerstand nicht mehr die in <ler integrierten Schaltung geforderte Impedanz. Dar- *us ist zu ersehen, daß die Grenzfrequenz des Widerstandes erhöht werden kann, wenn es möglich ist, die parasitäre Kapazität bei einem gegebenen Widerstandswert zu vermindern, ohne dabei den Widerstandswert zu verändern.
Der Gradient der Störstellenkonzentration in der Sperrschicht kann durch Verminderung der Störstellenkonzentration im Substrat verändert werden, in das die den Widerstand bildende Halbleilerschichl eindiffundiert ist. Die Störstellenkonzentration im Substrat ist aber normalerweise durch die darin zu bildenden aktiven Halbleiterschaltungselemente bestimmt. Aus diesem Grunde kann die Störstellenkonzentration des Substrates nicht verändert werden, um die parasitäre KaDazität zu vermindern.
Entsprechendes gilt für ein in der DT-OS 19 03 870 vorgeschlagenes Verfahren zum Herstellen monolithischer Halbleiteranordnungen mit einem integrierten Widerstand, bei dem in einer gleichmäßig dotierten Epitaxieschicht durch Diffusion von Störstellen ein von der Oberfläche aus nach innen abnehmendes Dotierungsprofil erzeugt wird.
Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Widerstandes mittels einer einzigen Diffusion bekannt, wobei während der Diffusion die Temperatur verändert wird. Durch diese Maßnahme kann der Gradient der Störstellenkonzentration in der Sperrschicht verändert und damit die parasitäre Kapazität vermindert werden. Dieses bekannte Verfahren mit einer Diffusion, während der die Temperatur in ganz bestimmter Weise verändert werden muß, ist außerordentlich schwierig durchzuführen und auch verhältnismäßig aufwendig.
Der Gradient der Störstellenverteilung in der Sperrschicht und damit die parasitäre Kapazität könnten vermindert werden, indem die Störstellenkonzentration insgesamt herabgesetzt wird. In diesem Falle müßte jedoch die Diffusionstiefe erhöht werden, um den gleichen Widerstandswert zu erhalten. Durch Vergrößerung der Diffusionstiefe könnte nämlich die verminderte Störstellenkonzentration ausgeglichen werden Diese Methode weist jedoch zwei Nachteile auf. Bei Vergrößerung der Diffusionstiefe werden die Eigenschaften der gleichzeitig hergestellten aktiven Schaltungselemente verschlechtert. Außerdem könnte die Absenkung des Dotierungsprofils nur in Verbindung mit einer niedrigeren Oberflächenkonzentration erreicht werden. Eine niedrigere Oberflächenkonzentration hat aber einen schlechteren Temperaturkoeffizienten des Widerstandes zur Folge.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Widerstandes anzugeben, das die geschilderten Schwierigkeiten und Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll durch das erfindungsgemäße Verfahren ein integrierter Widerstand herstellbar sein, der bei einem möglichst günstigen Temperaturkoeffizienten eine hohe Grenzfrequenz aufweist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die den Widerstand bildende Halbleiterzone durch zwei aufeinanderfolgende Diffusionsschritte mit Störstellenmateria! gleichen Leitungstyps, aber unterschiedlicher Konzentration gebildet wird, wobei die Eindringtiefe der Diffusionsfront mit der höheren Störstellenkonzentration geringer ist als die Eindringtiefe der Diffusionsfront mit der niedrigeren Störstellenkonzentration.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Diffusionsschritl mit dem Störstellenmaterial niedrigerer Konzentration vor dem Diffusionsschritt mit dem Störstellenmaterial höherer Konzentration erfolgt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt den Verlauf der Störstellenverteilung bei einem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Widerstand im Vergleich zur Slörstellenverteilung, die erhalten wird, wenn zur Herstellung dieses Bauelementes in bekannter Weise nur eine Diffusion durchgeführt wird.
Im folgenden wird ein nach dem erfindungsgemäßen ,, fghren durch Diffusion in einer monolithischen, Meerierten Schaltung hergestellter Widerstand behrieben. Der Widerstandswert derartiger Widerstände -«rgibt sich aus dem Produkt des mittleren crhichtwiderstandes und dem Verhältnis Länge zu ο eite des diffundierten Widerstandsbereiches. Der mittlere Schichtwiderstand ist angenähert umgek hrt ortional jer mittleren Störstellenkonzentration "wischen Obergang und Oberfläche des Widerstandes Z d der Dicke der Diffusionsschichl bzw. der Entfernun" Xj des Überganges von der Oberfläche.
Daraus könnte man entnehmen, daß es zur Vergrößerung des Widerstandswertes eines diffundierten Widerstandes bei einem gegebenen Verhältnis von Länge zu Breite des diffundierten Widerslandsbereiches lediglich
forderlich wäre, die mittlere Störstellenkonzentration e j Dicke der Diffusionsschicht zu verrii.gern. Beide Maßnahmen wurden eine Erhöhung des Schichtwideritandes bedeuten. ^o
Die mittlere Störstellenkon/entration und die Oberflächenkonzentration stehen jedoch in Beziehung lueinander. Um einen niedrigen Temperaturkoeffi/ienten des Widerslandes /u erreichen, muß eine hohe Oberflächenkonzentration vorhanden sein. Das heißt llso. daß einer Herabsetzung der mittleren Störstellenkon/entration durch die erforderliche Oberflächenkon zentration Grenzen gesetzt sind.
Außerdem ist die parasitäre Kapazität des Überganges direkt proportional dem dritten Teil des Störstellen-Iradienten in der Sperrschicht des Überganges. Versucht man, da zur Erzielung eines niedrigen Temperaturkoeffizienten die Oberflächenkonzentraiion relativ hoch sein muß. eine niedrigere miniere Störstellenkonzentration zu erzielen, so muß also in Kauf genommen werden, daß der Gradient der Störstellenkonzentration in der Sperrschicht größer wird und daß sich damit auch die parasitäre Kapazität erhöht.
Eine Erhöhung des Schichtwiderstandes eines diffundienen Widerstandes kann somit nicht durch eine Verminderung der mittleren Störstellenkonzentration angestrebt werden, da eine Erhöhung der parasitären Kapazität bewirkt werden würde. Man könnte zwar durch Verminderung der mittleren Störstellenkonzentration einen höheren Widerstand erzielen, die gleichzeitig Erhöhung der parasitären Kapazität würde jedoch die Grenzfrequenz des Widerstandes herabsetzen und somit die Anwendungsmöglichkeiten begrenzen.
Auch der Versuch, die Dicke der Diffusionsschicht zu vermindern, hätte zur Folge, daß der Gradient der Störstellenkonzentration in der Sperrschicht vergrößert würde, was wiederum eine Vergrößerung der parasitären Kapazität zur Folge hätte. Die Vergrößerung des Gradienten der Störstellenkonzentration ist eine Folge der erforderlichen hohen Oberflächenkonzentration und der geringeren Dicke der Diffusionsschicht. Eine Verminderung der Dicke der Diffusionsschicht bringt zwar eine Erhöung des Schichtwiderstandes mit sich, sie hat aber auch zur Folge, daß die parasitäre Kapazität erhöht wird.
Stellt man somit einen diffundierten Widerstand mittels einer einzigen Diffusion bei einer bestimmten Temperatur her, so liegt der mittlere Schichtwiderstand innerhalb vorgegebener Grenzen. Diese Grenzen werden von der in einem bestimmten Fall zugelassenen Kapazität bestimmt. Diese Gesichtspunkte müssen mit der Größe der für den diffundierten Widerstand zur Verfügung stehenden Substratfläche in Einklang gebracht werden.
Da in der integrierten Schaltungstechnik der Schichtwiderstand eines diffundierten Widerstandes möglichst hoch sein soll, um einen möglichst geringen Platzbedarf zu erzielen, geht das Bestreben dahin, durch eine flache Diffusion mit hoher Oberflächenkonzentration eine niedrige mittlere Konzentration zu erreichen, ohne daß die parasitäre Kapazität vergrößert wird. Könnte also bei einem gegebenen Widerstandswert eines diffundierten Widerstandes die parasitäre Kapazität vermindert werden, so könnte der diffundierte Widerstand in einem höheren Frequenzbereich betrieben werden.
In der Zeichnung sind die Verläufe von Dotierungsprofilen oder Störstellenkonzentrationen bei einem diffundierten Widerstand dargestellt. Die Störstellenverteilung ist in linearem Maßstab aufgezeichnet.
Die Konzentration der P-Störstellen ist auf der vertikalen Achse vom Nullpunkt nach oben aulgetragen. Die Konzentration der N-Störstellen ist auf der vertikalen Achse vom Nullpunkt nach unten aufgetragen. Auf der horizontalen Achse sind die Entfernungen von der oberen Oberfläche des diffundierten Wiuerstan des aufgetragen.
Bei einem N-leitenden Substrat mit der Konzentration C β sind eine P-Leitfähigkeit erzeugende Störstellen zur Bildung eines Widerstandes einzudiffundieren Weist das Substrat die Konzentration Cb auf und ist die Diffusionsliefe X1, so erzeugt eine einzige Diffusion bei einer mit dem Bezugszeichen 40 angegebenen Oberflachenkon/entration einen Verlauf der Störstellenkonzentration im Substrat, wie er durch Kurve 41 angegeben ist. Verschiebt man die Kurve 41 um aen Wert der Slörstellenkonzentraiion Cb des Substrats nach unten, so erhält man den tatsächlichen Verlauf der Störstellenkonzeniration im Substrat, wie er durch die gestrichelte Kurve 42 angegeben ist.
Die Zeichnung zeigt, daß der Konzentrationsverlaul 42 die Nullinie im Punkt 43 schneidet, der den On des Überganges von der P-Leitfähigkeit zur N-Leitfähigkeit kennzeichnet. Der Gradient der Kurve 42 in der Sperrschicht ds bestimmt die parasitäre Kapazität des diffundierten Widerstandes.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines diffundierten Widerstandes werden zwei Diffusionen durchgeführt. Die Konzentration der einen Diffusion ist wesentlich höher als die der anderen Diffusion. Die Diffusion von Störstellen mit sehr hoher Konzentration ist durch den Konzentrationsverlauf angegeben, während die Diffusion von Störstellen geringerer Konzentration aus dem Konzentralionsverlaur 45 zu ersehen ist. Es ist zu bemerken, daß die Kurve 44 bereits vor Beginn der Sperrschicht dt endet. Dies ist eine notwendige Voraussetzung dafür, daß in der Nahe des Übergangs keine hochdotierte Zone vorhanden ist, durch die die Sperrschicht verschmälert werden würde. Mit einer Verschmälerung der Sperrschicht wäre eine V°rgrößerung der parasitären Kapazität verbunden, da die Kapazität umgekehrt proportional der Dicke der
Sperrschicht ist. .
Die Oberflächenkonzentraiion der Diffusion höherer Konzentration (Kurve 44) ergibt sich aus dem Punkt 46, der höher liegt als die durch Punkt 40 gekennzeichnete Oberflächenkonzentration bei Anwendung nur einer Diffusion. Somit ergibt die von einer hohen Störstellenkonzentration gelieferte Oberflächenkonzentration einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten, als dies bei
S * 6
nur einer Diffusion der Fall ist. sionsschriU beträgt der Diffusiionskoeffizient
• Die Oberflächenkonzentration der Diffusion niedri- 3 χ 10-|4cm2/Sekunden.
.gerer Konzentralion (Kurve 45) ist durch den Punkt 47 * Der bei dieser Diffusion erzeugte mittlere Schichtgekennzeichnet. Diese Oberflächenkonzentration is't widerstand beträgt 517 ,Ohm/Flächeneinheit bei einer viel geringer als die, welche durch die;Punkle 40 oder=46 5 Diffusionsliefe Xj von 2,2 μίτι. Während^des weiteren bezeichnet ist. Addiert man die Oberflächenkonzentra- Hc-stellungsverfahren vergrößert sich die Diffusionstie-' tion 47 der Diffusion geringerer Konzentration .zu der Te auf 2,33[irri; Ohnejdäß eine Änäerungdes mittleren Oberflachcnkonzeniratiön 46, so .ergibt sich eine SchichtwiBerstandesstattfihdeL \
wesentlich höhere Gesamtkonzentration, so daß der Es ist darauf Hinzuweisen, daß der zweite Diffusiohs-Temperalurkoeffizient des Widerstandes wesentlich io schritt gewöhnlich gleichzeitig mit anderen, zur niedriger ist. Das durch die beiden Diffusionen mit Herstellung der integrierten Schaltung erforderlichen wesentlich unterschiedlicher Konzentration, unter Be- Diffusionen stattfindet. Aus diesem Grunde ist es rücksichtigung der Konzentration Cb des Substrats erforderlich, vor Durchführung des zweiten Diffusionserzeugte Dotierungsprofil ergibt sich aus Kurve 48. Schrittes erneut eine Maskierung des Substrats durchzu-Diese Kurve verläuft im Schnittpunkt 43, der den Ort 15 fü!:ren.
des Überganges bezeichnet, und in der Sperrschicht d2 im ersten Diffusionsschriit der zweiten Diffusion hat
mit einem wesentlich geringeren Gradienten als die das dor eine Konzentration von 1.6 χ 10i0Atomen/cm!.
Kurve 42. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß durch den Die Dauer des ersten Diffusionsschrittes der zweiten
Konzentrationsverlauf 48 eine Sperrschicht d2 erzeugt Diffusion beträgt insgesamt 65 Minuten, wobei 10
wird, die bei einer bestimmten in Sperrichtung 20 Minuten für die Erhitzung benötigt werden. Die
angelegten Spannung breiter ist als die Sperrschicht d\. Diffusionstemperatur beträgt 10000C.
Daraus ist zu ersehen, daß die parasitäre Kapazität Die Konzentration des Bors wird während des
eines diffundierten Widerstandes bei Anwendung zweiten Diffusionsschrittes der zweiten Diffusion auf |
zweier Diffusionen mit wesentlich unterschiedlicher 2,1 χ ΙΟ19 Atome/cm3 reduziert. Der Wasserdampf wird j
Konzentration weit geringer ist, als die Kapazität, die 25 während einer Dauer von 15 Minuten auf 1100"C f
entsteht, wenn nur eine einzige Diffusion bei einer gehalten, wobei 5 Minuten für die Erhitzung vorgesehen |
einzigen Temperatur durchgeführt wird. Der nach dem sind. Bei diesem Vorgehen entsteht ein Sehichtwider- ί
erfindungsgemäßen Verfahren diffundierte Widerstand stand von etwa 140.4 Ohm/Flächeneinheit. \
kann bei höheren Frequenzen verwendet werden als der Der Diffusionskoeffizient während der ersten Diffu- |
mit einer einzigen Diffusion hergestellte Widerstand. 30 sionsstufe ist 2,8 χ 10-'3cm2/Sekunden. Während der j
der einen gleich großen mittleren Schichtwiderstand zweiten Diffusionsstufe beträgt der Diffusionskoeffi- \
und gleiche Diffusionstiefe aufweist und an dieselbe zient 1,4 χ 1O-'3cm2/Sekunden. Durch die zweite ί
Sperrspannung angelegt ist. Außerdem kann der nach Diffusion wird eine gemeinsame Diffusionsschichi |
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wider- erzeugt, deren Diffusionstiefe 2,33 μπι beträgt. Der \
stand im Vergleich zum bekannten Widerstand in 35 mittlere Schichtwiderstand ist etwa 110 Ohm/Flächen- j
Schallungen verwendet werden, die für einen wesentlich einheit. ί
größeren Temperaturbereich ausgelegt sind, da er Nach der Durchführung beider Diffusionen werden in
infolge der höheren Oberflächenkonzentration einen bekannter Weise zum Zwecke der Kontaktierung des
geringeren Temperaturkoeffizient aufweist. Widerslandes auf der Oberfläche des Substrats Metall-
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel zur Herstel- 40 kontakte angebracht.
lung eines derart doppelt diffundierten Widerstandes 'Knstelle der 2 Diffusionen, die jeweils in zwei Stufen
beschrieben. Auf der Oberfläche des Substrats wird erfolgen, können auch zwei einstufige Diffusionen zur
zunächst durch thermische Oxydation beispielsweise Herstellung eines Widerstandes durchgeführt werden,
eine Silizium-Dioxydschicht erzeugt. Anschließend wird Auch dabei werden geeignete Störstellen durch ein
in dieser Silizium-Dioxydschicht durch Anwendung der 45 Fenster diffundiert, das in bekannter Weise in einer das
Photoätztechnik ein Fenster geeigneter Abmessungen Substrat bedeckenden Silizium-Dioxydschicht herge-
geöffnet. Durch dieses Fenster werden in einem stellt ist. Das Borkann eine Konzentration von 1 χ ΙΟ'8
zweistufigen Diffusionsprozeß beispielsweise eine Atomen/cm3 aufweisen. Die Störstellenkonzentration
P-Leitfähigkeit erzeugende Störstellen in das Substrat Cs des Substrats beträgt beispielsweise 3x10""
eindiffundiert. Werden als Störstellen Bor verwendet, so 50 Atome/cm3. Die erste tiefe Diffusion erfolgt während
können diese eine Konzentration von 1,8 χ 1018 einer Dauer von etwa 147 Minuten und bei einer
Atomen/cm3 aufweisen. Temperatur von 1200°C. Der Diffusionskoeffizient
Der erste Diffusionsschritt erfolgt beispielsweise beträgt 1.05 χ 10- I2cm2/Sekunden.
während einer Dauer von 85 Minuten bei einer Es entsteht bei dieser Diffusion ein mittlerer
Temperatur von 1200°C Die ersten 10 Minuten werden 55 Schichtwiderstand von 507 Ohm/Flächeneinheit,
für die Erhitzung des Substrats benötigt. Während der zweiten, flachen Diffusion hat das Bor
Im zweiten Diffusionsschritt wird das Substrat auf eine Konzentralion von 2 χ 10lq Atomen/cm3. Die
eine Temperatur von 970° C gebracht. Während dieses Temperatur wird auf 1100° C gehalten. Die gesamte
Diffusionsschrittes wird das im ersten Diffusionsschritt Dauer beträgt 80 Minuten, wobei 10 Minuten für die
eindiffundierte Bor neu verteilt Dabei wird während der 60 Erhitzung aufgewendet werden. Der Diffusionskoeifi-
ersten 5 Minuten Sauerstoff, dann während 40 Minuten zient beträgt 1.05 χ 10-'3cm2/Sekunden. Während
Wasserdampf und anschließend während 5 Minuten dieser zweiten Diffusion bildet sich ein mittlerer wiederum Sauerstoff über das Substrat geleitet Der Schichtwiderstand im Substrat von 145 Ohm/FIächen-Wasserdampf bewirkt, daß auf der Oberfläche des einheit.
Substrats, in welche Bor eindiffundiert ist eine 65 Im betrachteten Beispiel wird ein Widerstand
Oxydschicht entsteht hergestellt durch Diffusion einer P-dotierten Schicht in
Der Diffusionskoeffizient im ersten Diffusionsschriti ein N-dotiertes Substrat Selbstverständlich kann auch
beträsrt 1.05 χ 10-'2cm2/Sekunden. Im zweiten Diffu- ein komplementärer Aufbau des Widerstandes erfolgen.
. Bei der Durchführung der beiden Diffusionen unterschiedlicher Konzentration erfolgt vorzugsweise die Diffusion mit niedrigerer Konzentration an erster Stelle. Diese Reihenfolge ist jedoch keine Bedingung für einwandfreie diffundierte Widerstände.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines integrierten Widerstandes mit geringer parasitärer Kapazität, der aus einer durch Diffusion erzeugten Halbleiterzone eines bestimmten Leitungstyps besteht, die durch eine in der Obergangszone zur angrenzenden Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitungstyps ausgebildete Sperrschicht mit einem geringen Gradienten der Störstellenkonzentration oegrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Widerstand bildende Halbleiterzone durch zwei aufeinanderfolgende Diffusionsschritte mit Störstellenmaterial gleichen Leitungstyps, aber unterschiedlicher Konzentration gebildet wird, wobei die Eindringtiefe der Diffusionsfront mit der höheren Störstellenkonzentration geringer ist als die Eindringtiefe der Diffusionsfront mit der niedrigeren Störstellenkonzentration.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionsschritt mit dem Störstellenmaterial niedrigerer Konzentration vor dem Diffusionsschritt mit dem Störstellenmaierial höherer Konzentration erfolgt.
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