DE2040012A1

DE2040012A1 - Integrierter Schaltungswiderstand und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE2040012A1
Application number: DE19702040012
Authority: DE
Inventors: Madden Lee P
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1969-10-08
Filing date: 1970-08-12
Publication date: 1971-04-15
Also published as: FR2064191A1; US3593069A; FR2064191B1; JPS4918589B1

Description

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DIPL.-ING. FRANZ WERDERNIANN _{2 HAMBURG 13}

PATENTANWALT INNOCENTIASTRASSE 30 TELEFON 452139

N. 7ΟΟ74 Fl.

National Semiconductor Corporation, Santa Clara, Kalif. (V. St. A.)

Integrierter Schaltungswiderstand und Verfahren zur Herstellung desselben.

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Serial No. 864 812 vom 8. Oktober I969 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Widerstände für integrierte Schaltungen und insbesondere auf einen neuartigen monolithischen diffundierten Widerstand und ein Verfahren zur Herstellung von Widerständen hohen Widerstandswerts in planaren monolithischen integrierten Schaltungen.

Diffundierte Widerstände werden als genormte passive Elemente in planaren monolithischen integrierten Schaltungen verwendet und haben normalerweise einen Flächenwiderstand, gemessen in Ohm/sqare von etwa 100 bis 150 0hm. Diese diffundierten Widerstände bestehen typischerweise aus·langgestreckten p-Schichten, die in η-Unterlagen ausgebildet sind, oder aus n-Schiehten, die in p-Unterlagen ausgebildet sind. Der Widerstandswert einer aus einem Leitfahigkeitsmaterial bestehenden Schicht in einer aus dem entgegengesetzten Leity fähigkeitsmaterial bestehenden Unterlage kann ausgedrückt werden durch p„tt > wobei p_ der Plächenwiderstand, 1 die

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Länge der Schicht und w die Breite der Schicht ist. Aus diesem Ausdruck läßt sich die Schlußfolgerung ziehen, daß

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der Widerstandswert entweder durch Vergrößerung der Schichtlänge oder durch Verringerung der Schichtbreite vergrößert werden könnte.

In der Praxis ist jedoch die Mindestbreite des Widerstandes infolge der für die Photolithographieverfahren gegebenen Grenzen auf etwa 0,0075 mm beschränkt, so daß eine Vergrößerung der Länge der Widerstandsschicht seither das einzige Mittel darstellte, um den Widerstandswert eines vorgegebenen Widerstands dieser Ausführung zu steigern. Wenngleich sich die Länge des Widerstandes in einer integrie ten Schaltung vermittels eines entsprechenden Widerstandsverlaufs über die Oberfläche des Plättchens ohne weiteres steigern läßt, sind die praktisch anwendbare Länge und damit der zur Verfügung stehende Gesamtwiderstand durch die zur Verfügung stehende Fläche des Siliziumplättchens effektiv begrenzt. Für die meisten heutzutage erhältlichen integrierten Schaltung liegt daher der obere Grenzwert für diffundierte Widerstände in der Praxis bei etwa 50 000 0hm.

Ein weiterer Faktor, der ebenfalls berücksichtigt werden muß, ist, daß der diffundierte Widerstand aus praktischen Gründen während eines VerfahrensSchrittes bei der Herstellung des übrigen Teils der integrierten Schaltung ausgebildet werden muß. Die Widerstände werden daher typischerweise gleichzeitig mit den Basen der npn-Transistorschaltungen, oder bei integrierten Metall-Oxid-Halbleiter-Schaltungen (MOS-Schaltungen) während der Quellen-Senken-Diffusionsstufe ausgebildet. Aus diesem Grunde sind die Oberflächenkonzentration

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und die Fremdstoffkonzentration festgelegt und stellen eine Konstante für den Fläehenwiderstand in Ohm pro .sqare dar. Wenn es diese Beschränkung nicht gäbe, könnte der Widerstandswert des auf einer vorgegebenen Plattchenflache auszubildenden diffundierten Widerstandes einfach in der Weise gesteigert werden, daß der Wert Q der Vorablagerung verringert oder die Diffusionszeit gesteigert werden würde.

Durch die Erfindung soll daher ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines diffundierten Widerstands von erhöhtem Widerstandswert, bezogen auf eine vorgegebene Unterlagenfläche, auf einer Plattchenflache vorgegebener Größe während der Herstellung einer monolithischen integrierten Schaltung geschaffen werden, wobei die gleiche Fremdstoffkonzentration aufgebracht werden soll und die gleichen Diffusionszeiten wie bei bekannten Widerständen verwendet werden sollen.

Zu diesem Zweck wird der Widerstandswert einer vorgegebenen diffundierten integrierten Schaltungswiderstandsanordnung durch Anwendung einer segmentierten Maskierungstechnik anstelle der bei Widerständen dieser Art typischer- . weise verwendeten kontinuierlichen Maskierungsöffnung erhöht. Das vorgeschlagene Verfahren besteht erfindungsgemäß im wesentlichen darin, daß Fremdstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps in diskreten,, zueinander ausgerichteten und in vorbestimmten gegenseitigen Abständen angeordneten Flächen auf der Oberfläche einer Unterlage eines zweiten Leitfähigkeitstyps zur Vorablagerung gebracht werden, dann die vorabgelagerten Fremdstoffe über einen wenigstens dem halben

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Abstand zwischen benachbarten diskreten Flächen entsprechenden Abstand so in die Unterlage eindiffundiert werden, daß sich die benachbarten diffundierten Zonen gegenseitig überlagern, und schließlich wenigstens zwei diffundierte Zonen mit ohmschen Kontakten versehen werden.

Nach der Erfindung läßt sich eine fünffache bis zehnfache Steigerung des Widerstandswerts eines monolithischen diffundierten Widerstands für eine vorgegebene Plättchenfläche erzielen, indem vor der Vorablagerung Oxidbrücken in dem den Widerstand abgrenzenden Schema belassen werden, und anschließend der Fremdstoff durch die auf diese Weise erhaltene segmeraleiste öffnung in die Unterlage eindiffundiert wird, um den planar^ pn-übergangsaufbau zu bilden. Da die Oxidbrücken eine Maskx<>rung für den Fremdstoff bilden, hängt die Ausbildung eines kontine-'örtlichen Widerstands von der von den benachbarten Zonen ausgehendem _und diese miteinander verbindenden Seitendiffusion ab. Dahex «nüssen die Breiten der Brücken so bemessen sein, daß gewährleisυ^t ist, daß sich die von benachbarten öffnungen ausgehenden Dirr_usi_onen überlagern, wenn die Fremdstoffe unter diese Öffnungen diffundieren. Da die Fremdstoffkonzentration in den seitendiffundierten Bereichen wesentlich geringer ist als die unmittelbar unterhalb der Maskierungsoffnungen, entstehen Brückensegmente hohen Widerstandswerts, durch die der Gesamtwiderstand des diffundierten Widerstands wesentlich gesteigert wird.

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Ein bedeutender Vorteil bei der Anwendung der Erfindung besteht darin, daß sich auf einer Fläche vorgegebener Größe in einer integrierten Schaltung ein wesentlich größerer Widerstandswert erhalten läßt, als es mit bekannten Verfahren der Diffusion durch eine kontinuierliche Maskierungsöffnung möglich ist. Außerdem wird durch die Erfindung ermöglicht, einen bestimmten Widerstandswert auf einem kleinen Prozentwert der seither benötigten Plattchenflache auszubilden. Die einzelnen Merkmale der Erfindung werden anhand eines bevorzugten, Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

Figuren IA und IB zeigen jeweils eine Draufsicht bzw. ein Profil eines nach einem bekannten Verfahren hergestellten integrierten Schaltungswiderstands.

Figuren 2A und 2B zeigen jeweils eine Draufsicht bzw. ein Profil eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten integrierten Schaltungswider stands.

Figur 3 ist eine graphische Darstellung des Verlaufs des Widerstandswerts für den in Fig. 2 dargestellten Widerstand.

Figur 4 ist eine verallgemeinerte elektrische Ersatzschaltung des in Fig. 2 dargestellten Wider-' stands.

Figur IA der Zeichnung zeigt eine Draufsicht auf einen nach einem bekannten Verfahren hergestellten diffundierten

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Widerstand, und Pig. IB ist ein Längsquerschnitt durch die Mitte des in Fig. IA dargestellten Widerstandes. Entsprechend dem bekannten Verfahren wird zunächst ein Oxid auf der Oberfläche einer Unterlage wie beispielsweise einer n-Unterlage 12 zur Ausbildung gebracht und dann in dieser eine Öffnung Ik ausgeschnitten, um die Unterlage 12 freizulegen. Anschließend wird ein p-Fremdstoff auf dieser Vorrichtung zur Vorablagerung gebracht und durch die Öffnung in die Unterlage 12 eindiffundiert, um die p-Schicht 16 auszubilden. Schließlich wird darüber ein Feldoxid 18 zur Ausbildung gebracht, und metallische Anschlüsse 20 und 22 werden durch in dem Oxid ausgeschnittene Öffnungen mit den Enden 2k und 26 der p-Schicht 16 verbunden.

Der Widerstandswert R eines derartigen Bauelements läßt sich ausdrücken durch

(D R = P₃ -i-

worin ρ der Flächenwiderstand der p-Schicht 16, 1 die Länge der Schicht 16 zwischen den Anschlüssen 20 und 22 und w die angegebene Schichtbreite ist. In der Praxis wird die Mindestbreite w der Öffnung 14 durch den Stand der photolithographischen Technik auf angenähert 0,0075 nun beschränkt. p_o wird ebenfalls durch die Vorablagerungs- und Diffusionseigenschaften in der Herstellungsstufe für die integrierte Schaltung vorgegeben, in welcher der Widerstand ausgebildet wird. Die einzig verbleibende Veränderliche ist daher die Länge 1, und auch diese Veränderliche ist durch die in einer

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vorgegebenen integrierten Schaltung zur Verfügung stehende Plättchenfläche praktisch begrenzt.

Bei den meisten derzeit erhältlichen integrierten Schaltungen liegt daher der obere Grenzwert für diffundierte Widerstände infolge der vorgenannten Beschränkungen bei etwa 50 000 Ohm. Erfindungsgemäß wird jedoch die Tatsache ausgenutzt, daß die Fremdstoffkonzentration in den seitendiffundierten Zonen in Abhängigkeit von dem Vorgehen bei der Fremdstoffvorablagerung und der Diffusion angenähert exponentiell abnimmt, während der spezifische Widerstand der p-Schicht über den Bereich der ursprünglichen Vorablagerung verhältnismäßig niedrig ist, da die ursprüngliche Fremdstoffkonzentration in diesem Bereich den höchsten Wert hatte. Das bedeutet, daß zwar der spezifische Widerstand der Unterlage nobe rf lä ehe unmittelbar unterhalb der ursprünglichen Oxidöffnung einen bestimmten Wert hat, der Widerstandsanteil jedes außerhalb des ursprünglichen Bereiches liegenden Abschnittes der p-Schicht jedoch wesentlich höher ist, da die Fremdstoffkonzentration wesentlich geringer ist.

In den Figuren 2A und 2B ist ein Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung hergestellten Widerstandes dargestellt. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anstelle einer einzigen Öffnung zwischen den beiden Enden des auszubildenden Widerstandes eine Vielzahl von Öffnungen 30 durch das Oxid 32 geschnitten, so daß Oxidbrücken 3^ ausgebildet werden, welche diese Öffnungen voneinander trennen. Anschließend werden Fremdstoffe über die

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Öffnungen 30 vorabgelagert und zur Ausbildung einer Reihe sich überlagernder p-Schichten 36 in die Unterlage eindiffundiert.

Die Breite der Oxidbrücken 34, d.h. der Abstand zwischen den Öffnungen 30 wird sehr sorgfältig so bemessen, daß er geringer ist als der doppelte erwartete seitliche Diffusionsabstand jeder einzelnen p-Schicht. Damit wird gewährleistet, daß sich die Diffusionen der benachbarten Schichten wie bei 38 dargestellt überlagern, so daß von dem Kontakt 40 zu dem Kontakt 42 ein kontinuierlicher Weg durch das p-Material gebildet wird. Da jedoch die Überlagerungsabschnitte 38 der p-Schichten 36 wesentlich geringere Fremdstoffkonzentrationen als die ursprünglichen Vorablagerungsbereiche 44 aufweisen, ändert sich der Widerstands Zuwachs des Bauelementes entlang des Weges zwischen den beiden Kontakten 40 und 42 in der all ge mein i η Fig. 3 d e r Z e i c h η u η g d a !'gestellten Weise.

Figur 3 ist eine graphische Darstellung und zeigt den Verlauf des Widerstandswertes für den gesamten, entsprechend der Erfindung diffundierten Widerstand entlang einer Mittellinie zwischen den Enden 40 und 42. Im Bereich 4 4 bleibt die Fremdstoffkonzentration verhältnismäßig hoch, nimmt jedoch außerhalb dieses Bereiches angenähert exponentiell mit dem durch die Unterlage 32 eindiffundierten Abstand ab. Da sich der spezifische Widerstand umgekehrt zur Fremdstoffkonzentration ändert, ist der Widerstand der sich an die ursprünglichen Vorablagerungsbereiche 44 anschließenden seitendiffundierten Zonen höher als der der Bereiche 44. Da jedoch der

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Gesamtwiderstand des Bauelementes durch den spezifischen Widerstand des den geringsten Widerstand zwischen den Kontakten 40 und 42 aufweisenden Weges bestimmt wird, ist der Widerstand über die Länge des Bauelementes in der bei 50 in Fig. 3 dargestellten Weise verhältnismäßig niedrig über den Bereichen 44 und in der bei 52 dargestellten Weise wesentlich höher in den seitendiffundierten Zonen. An den Überlagerungsstellen tritt jedoch in der bei 54 angedeuteten Weise eine geringe Verringerung des Widerstandswertes auf, die auf die Konzentrationsverdopplung in den Überlagerungsbereichen 38 zurückzuführen ist.

Da alle p-Schichten 36 mit Ausnahme der Endschichten 35 und 37 im wesentlichen identisch und zwischen den Kontakten 40 und 42 in gleichen gegenseitigen Abständen· angeordnet sind, wiederholen sich die Widerstandsänderungen von verhältnismäßig niedrigen zu verhältnismäßig hohen Werten über die ganze Länge des Bauelementes.

Zur weiteren Vereinfachung der Darstellung kann die elektrische Ersatzschaltung der Pig. 4 herangezogen werden, in welcher die Widerstände der ursprünglichen Vorablagerungsbereiche 44 als verhältnismäßig kleine Widerstände 60 und die Widerstände zwischen den benachbarten Bereichen 44 als größere Widerstände 62 dargestellt sind, wobei sich der Gesamtwiderstand zwischen den Kontaktpunkten 40 und 42 als die Summe der verschiedenen Widerstände 60 und 62 darstellen läßt.

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Entsprechend einer Ausführungsform kann die Breite der Brücken 3^» d.h. der Abstand zwischen den öffnungen 30 den Wert 0,0075 nun aufweisen, und die Seitendiffusion jeder Zone kann angenähert 0,0075 nun breit sein, so daß eine über- lagerung der Diffusionen zweier benachbarter p-Schichten mit einem Sicherheitsgrad von 100? gewährleistet ist. Im Vergleich dazu hat ein nach bekannten Verfahren hergestellter Widerstand von 0,0075 mm Breite und 1,016 mm Länge einen mittleren Widerstandswert von 50 000 0hm. Somit wird eine Steigerung des Widerstandswerts um eine Größenordnung erzie". ohne daß dazu zusätzliche Siliziumfläche benötigt wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich auf einer vorgegebenen Plättchenfläche ein wesentlich höherer Widerstand vermittels der gleichen Herstellungsschritte ausbilden, die auch zur Herstellung einer integrierten Schaltung mit einem kleineren Widerstand bekannter Ausführung dienen, indem in der für den Widerstand bestimmten Zone anstelle der bei bekannten Verfahren verwendeten langen, kontinuierlichen Öffnung in der Oxidmaske eine Reihe von in gegenseitigen Abständen angeordneten öffnungen ausgebildet wird.

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Claims

Patentansprüche :

l.J Verfahren zur Herstellung eines diffundierten Widerstandes in einer monolithischen integrierten Schaltung., dadurch gekennzeichnet, daß Fremdstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps in diskreten, zueinander ausgerichteten und in vorbestimmten gegenseitigen Abständen angeordneten Flächen (30) auf der Oberfläche einer Unterlage (32) eines

zweiten Leitfähigkeitstyps zur Vorablagerung gebracht werden, dann die vorabgelagerten Fremdstoffe über einen wenigstens dem halben Abstand zwischen benachbarten diskreten Flächen entsprechenden Abstand so in die Unterlage eindiffundiert werden, daß sich die benachbarten diffundierten Zonen (36) gegenseitig überlagern (38),, und schließlich wenigstens zwei diffundierte Zonen (35, 37) mit ohmschen Kontakten (4O₅ k2) versehen werden«

2» Verfahren nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorablagerung des Fremdstoffs auf die Flächen der Unterlage eine Oxidmaske (32) mit einer Vielzahl in gegenseitigen Abständen angeordneter Öffnungen (30) verwendet wird.

3· Verfahren nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß auf die Halbleiterunterlage eines ersten Leitfähigkeitstyps eine Diffusionsmaske aufgebracht wird und in dieser Maske zwischen einem ersten und einem zweiten Punkt (35 bzw. 37)

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der Unterlage eine Vielzahl in gegenseitigen Abständen angeordneter öffnungen (30) ausgeschnitten werden, so daß einander benachbarte öffnungen einen vorbestimmten gegenseitigen Abstand aufweisen, eine vorbestimmte Fremdstoffkonzentration eines zweiten Leitfähigkeitstyps in den öffnungen zur Vorablagerung gebracht und der Fremdstoff über einen wenigstens dem halben vorbestimmten Abstand entsprechenden Abstand so in die Unterlage eindiffundiert wird, daß sich die benachbarten Diffusionszonen überlagern (38), und dann mit dem ersten und dem zweiten Punkt des auf diese Weise ausgebildeten Widerstands jeweils ohmsche Kontakte (40, 42) verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps in diskrete, entlang einer Linie angeordnete Zonen der Unterlage des zweiten Leitfähigkeitstyps in der Weise eindiffundiert werden, daß Abschnitte der benachbarten Zonen in gemeinsame Abschnitte der Unterlage eindiffundiert werden, und daß die ohmschen Kontakte (40, 42), welche zum Durchgang eines elektrischen Stroms durch sämtliche Zonen dienen, mit den beiden am weitesten voneinander entfernten Zonen (35, 37) verbunden werden.

5. Monolithischer, diffundierter Widerstand in einer integrierten Schaltung, der nach dem Verfahren nach einem der

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Ansprüche 1-4 hergestellt ist, gekennzeichnet durch ein Halbleiterplattchen eines ersten Leitfähigkeitstyps und mehrere Zonen (36) mit Fremdstoff eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die in einer solchen Weise in das Plättchen eindiffundiert sind, daß sich die einander benachbarten Zonen überlagern, wobei die Fremdstoffkonzentration in den Überlagerungszonen wesentlich geringer ist als in den mittigen Abschnitten dieser Zonen.

6. Widerstand nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoffzonen (36) entlang eines zwischen zwei Endzonen (35i 37), die mit in ohmschem Kontakt mit den Endzonen stehenden elektrischen Anschlüssen (40, 42) versehen sind, verlaufenden Weges zueinander ausgerichtet sind.

7. Widerstand nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der sich überlagernden Abschnitte der einen Fremdstoff enthaltenden Zonen wesentlich kleiner ist als der der anderen Abschnitte dieser Zonen.

8. Monolithischer, diffundierter integrierter Schaltungswiderstand, der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4 hergestellt ist, gekennzeichnet durch eine Reihe miteinander verbundener Zonen (36) eines Leitfähigkeitstyps, die sich einer Unterlage (32) eines anderen Leitfähigkeitstyps befinden und eine erste und eine zweite Seite aufweisen,

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wobei sich der spezifische Widerstand jeder Zone von einem hohen Wert auf der ersten Seite zu einem wesentlich niedrigeren Wert in der Mitte der Zone und wieder zu einem hohen Wert auf der zweiten Seite ändert und die erste Seite jeder Zone jeweils die zweite Seite einer benachbarten Zone überlagert, sowie durch elektrische Anschlüsse (40, 42), die so in ohmsehern Kontakt mit voneinander entfernten Zonen (35» 37) stehen, daß ein elektrischer Strom durch die Reihe " miteinander verbundener Zonen durchleitbar ist.

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