DE2253683A1

DE2253683A1 - Ionengespickter widerstand und verfahren zum herstellen eines derartigen widerstands

Info

Publication number: DE2253683A1
Application number: DE2253683A
Authority: DE
Inventors: John T Kerr; Jun James A Marley; David S Perloff
Original assignee: Signetics Corp; Corning Glass Works
Current assignee: Signetics Corp; Corning Glass Works
Priority date: 1971-11-01
Filing date: 1972-11-02
Publication date: 1973-05-24
Also published as: US3829890A; JPS49132984A; FR2165865B1; NL7214669A; GB1384935A; FR2165865A1; IT970101B

Description

Ionengespickter Widerstand und Verfahren zum Herstellen eines derartigen Widerstands.

Ionengespickte Widerstände sind bereits bekannt. Die bekannten Widerstände dieser Art weisen jedoch keine niedrige Temperaturempfindlichkeit₉ d.h. kleine Änderungen des Widerstandswerts innerhalb vorbestimmter Temperaturbereiche auf, sondern weisen eine den bekannten diffundierten Widerständen vergleichbare Temperaturempfindlichkeit auf. Es besteht daher ein Bedarf an einem neuartigen ionengespjckten Widerstand und einem Verfahren zum Herstellen eines derartigen Widerstands. "

Durch die Erfindung sollen daher ein für integrierte Schaltungen geeigneter neuartiger ionengespickter Widerstand von vorbestimmten spezifischen Flächenwiderstandswerten und niedriger Temperaturveränderlichkeit und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Widerstands geschaffen werden, welches die Erzielung verhältnismäßig genauer spezifischer Flächenwiderstandswerte und eine Steigerung des spezifischen Flächenwiderstands ohne nennenswerte Veränderungen

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des Temperaturverhaltens des Widerstands gestattet.

Der zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene ionengespickte Widerstand aus einem Körper aus kristallinem Silizium-Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps und von bekanntem spezifischem Massenwiderstand und mit einer planaren Oberfläche ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet , daß in dem Halbleiterkörper wenigstens eine mit Ionen gespickte Zone, deren Leitfähigkeit der des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist, bis zu der planaren Oberfläche reicht, der spezifische Flächenwiderstand durch die Spicktechnik und eine anschließende Glühbehandlung vorgegeben ist, elektrische Leiter mit der ionengespickten Zone verbunden sind und der Widerstand im Temperaturbereich von - 50 C bis + 125 C •für eine unter 3 % betragende Temperaturveränderlichkeit ausgelegt ist. Im Temperaturbereich zwischen 0 ⁰C und 70 C liegt die Temperaturveränderlichkeit unter 0,3 %.

Das Verfahren zum Herstellen eines derartigen ionengespickten Widerstandes in einem Silizium-Halbleiterkörper, der bekannte Leitfähigkeit, bekannten spezifischen Widerstand und eine planare Oberfläche aufweist, ist entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Isoliermaterial mit einer Dicke von mehr als etwa 1 pm auf der planaren Oberfläche ausgebildet, in der Isolierschicht wenigstens eine öffnung,in der ein Bereich der Oberfläche freiliegt, hergestellt, in der öffnung eine Passivierungsschicht durchgehend genauer Dicke zwischen etwa 1000 bis 3000 Ä ausgebildet, der Halbleiterkörper durch die

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Passivierungsschicht hindurch mit lonengespickt und dadurch die Leitfähigkeit in dem unterhalb der Öffnung befindlichen Bereich des Halbleiterkörpers verändert und eine ionengespickte Zone entgegengesetzter Leitfähigkeit in diesem Bereich ausgebildet wird, wobei die Schicht aus Isoliermaterial ausreichend dick bemessen wird, um praktisch jeden Ionendurchgang durch Abbremsung derselben innerhalb der Schicht zu verhindern, wahlweise entweder die Ionenenergie oder die Dicke der Passivierungsschicht zur Erzielung eines gewünschten spezifischen Flächenwiderstands verändert, der Halbleiterkörper geglüht wird und elektrische Leiter in Berührung mit dem gespickten Bereich entgegengesetzter Leitfähigkeit auf den Halbleiterkörper aufgebracht werden. Gemäß weiteren Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Glühtemperatur und die Zeitdauer der Glühbehandlung so bemessen, daß die gewünschten Werte des spezifischen Flächenwiderstands und der Temperaturempfindlichkeit erhalten werden.

Weitere Merkmale der Erfindung bilden den Gegenstand der Ansprüche 2-7 und 9-15.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.

Figuren 1-5 sind Teilquerschnitte durch einen

Halbleiteraufbau und zeigen die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung des Widerstands nach der Erfindung.

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Fig. ß ist eine teilweise Draufsicht auf eine
Prüfanordnung.

Fig. 7 ist eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Glühtemperatur und spezifischem Flächenwiderstand für unterschiedliche Spickenergien.

Fig. 8 ist eine grafische Darstellung des normalisierten, d.h. auf eine bestimmte Temperatur bezogenen spezifischen FlächenwiderstandsVerhältnisses in Abhängigkeit von Meßtemperaturen im Bereich von - 50 ⁰C bis + 125 °C.

Fig. 9 zeigt den spezifischen Flächenwiderstand als Funktion der Glühtemperatur für Spickenergien von 50, 75 und 100 keV.

Figuren 1OA und 1OB sind grafische Darstellungen der maximalen prozentualen Änderung des normalisierten spezifischen Flächenwiderstands in
den Temperaturbereichen von - 50 C bis
+ 125 ⁰C bzw. 0 ⁰C bis 70 °C.

Figuren HA und HB sind grafische Darstellungen der Ionenverteilung im Halbleiterkörper ohne bzw. mit Verwendung einer Oxidbremsschicht.

Fig. 12 ist eine grafische Darstellung des spezifischen Flächenwiderstands als Funktion der
Glühtemperatur für unterschiedliche Oxidschi chtdi cken.

•λ o 9 H; 1 / η 7 ο ίι

FLg. 13 ist eine grafische Darstellung der maximalen prozentualen Änderung des normalisierten spezifischen Flächenwiderstands im Temperaturbereich von 0 ⁰C bis 70 ⁰C.

Fig. 14 ist eine grafische Darstellung der maximalen prozentualen Änderung des normalisierten spezifischen Flächenwiderstands im Temperaturbereich von - 50 ⁰C bis + 12 5 °C. Das Verfahren zum Herstellen von ionengespickten Widerständen in Silizium-Halbleiterkörpern entsprechend der Erfindung ist in den Figuren 1 - 4 dargestellt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird ein Halbleiterkörper 11 mit einer planaren Oberfläche 12 versehen. Der Halbleiterkörper weist Fremdstoffe eines Leitfähigkeitstyps wie z.B. n-Fremdstoffe auf und ist typischerweise plättchenförmig in einer Größe von 3 8 bis 76 mm Durchmesser ausgebildet. Die planare Oberfläche 12 ist chemisch poliert und gereinigt.

Eine verhältnismäßig dicke Maskierungsschicht 13 wird auf der planaren Oberfläche 12 ausgebildet. Da der Halbleiterkörper 11 aus Silizium besteht, wird die Maskierungsschicht 13 zweckmäßigerweise aus Siliziumdioxid ausgebildet. Die Herstellung dieser Schicht kann in an sich bekannter Weise dadurch erfolgen, daß die-Plättchen Dampf mit einer Temperatur von angenähert 1150 °C ausgesetzt und auf diese Weise mit einer Schicht gewünschter Dicke wie z.B. L μια versehen werden, Falls erforderlich, kann die Dicke der Oxid-

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schicht auch stärker aus gob i LcIu t werden.

Darm werden in der Oxidschicht i'i ve mi it te Ls an υ ich bekannter photoLLthografischer Techniken Öffnungen IU ausgubiLdet, durch welche hindurch Bereiche der pLuuaren OberfLäche 12 freiliegen. Ein p-Fremdstoff wiei z.B. Bor wird dann in bekannter Weise durch die Öffnungen IU eindiffundiert, so daß ρ Kontaktbotten oder Bere iche LB von entsprechend tier Darstellung napf förmiger Formgebung entstehen, v/e Iche durch napfförmige pn-Obergänge L7 begrenzt sind, die bis zu der unterhalb der Oxidschicht 13 befindlichen Oberfläche reichen. Die Kontaktbetten 16 werden in einer oxidierenden Atmosphäre bis zu einer gewünschten T ie te von beispielsweise 2 bis 3 um eindiffundiert. Wie weiter unten im einzelnen erläutert, dienen diese Kontaktbetten L6 zur IlersteLLung der Kontakte mit dem in den anschließenden Verfahrens sehr it ten ausgebildeten ionengespickten Widerstand. Beim Eindiffundieren des p-Fremdstoffs tritt in den öffnungen IU etwas Oxidation auf, wie durch die verhältnismäßig dünnen οiliziumdioxidschichten 13a angedeutet ist. Dann v/erden Öffnungen LiJ geeigneter und wie z.B. entsprechend Fig. 3 stabformiger Formgebung für die AusbiLdung der· Widerstände in der Oxidschicht L.5 tu der Weise ausgebildet, daß die darunterliegende planar« Oberf Lach«; L2 freiliegt. Die AusbiLdung dieser Öffnungen LB ..:vfoLgt durch an sich bekannte photo L ithograf i:;s.:h<· und A't;; · techniken. Die öffnung LÜ kann entsprechend Λ<\ι· [lan; te L Luiii¹, Ln t'ig. 3 beispielsweise rechtei.ikt f'n ini;/, sein, üc.» dal'· tier ausgebildete Widerstand s tabl iiriiiig LsL.

Line-3 chill zs chi chi 19 wird dann beispielsweise vermin els eines sehr sorgfäliig überwachten Oxidationsganges in sehr genau besiiimnter Dicke ausgebildet. Die Dicke der Oxidschutzschicht 19-kann beispielsweise 1300 Ά (Angström) bei ragen. Die Gründe, aus denen diese Oxidschutzschicht von verhältnismäßig genau bestimmter Dicke aufgebracht wird, sind weiter unten erläutert. Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, sind die Siliziumdioxidschicht 13, die dünnen Schichtbereiehe 13a und die Oxidschutzschicht unier Wärmeeinwirkung zur Ausbildung gebracht worden.

Vermittels eines in Fig. 4 dargestellten lonenspick- oder Ioneniinplantatd onsschritt.es werden dann p-Fremdstoffionen in den Halbleiterkörper 11 eingeiührt. Das Spicken kann beispielsweise mit Bor durch Hinführen eines entsprechenden Gases wie z.B. Bortrifluorid in ein Ionenspickgerät erfolgen, in dem Borionen ausgebildet und in Form eines Strahls schnell beschleunigt werden, welcher in Pfeilrichtung entsprechend Fig. 4 auf das Halbleitergebilde auftrifft. Die Borspickung erfolgt mit ausreichend hoher Energie von z.B.

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2b bis 150 keV, wobei 10 bis 5 χ 10 Borionen pro cm Halbleitermaterial erzeugt werden. Die Spickung wird im Vakuum bei Zimmert emperatui¹ ausgeführt, wobei die Senkrechte auf die Plättchen!'lache einen Winkel von angenähert 7° mit dein Ionenstrahl einschließt.

Die einzigen Bereiche der Oberfläche 12, welche von (»in liori onen durchdrungen werden können, sind die unierhalb der dünnen fii ] i -,iuindioxidsehichi 13 befindlichen Bereiche.

i 098 2 1/ 070 Π
BAP

Es entstehen p-Zonen 21, die von pn-Übergängen 22 begrenzt sind, welche bis zu der planaren Oberfläche 12 reichen. Wie aus Fig. H ersichtlich, sind die Zonen 21 durch die geometrische Formgebung der Öffnungen 18 genau begrenzt. Da die Borionen das Halbleitermaterial in dem von der Öffnung 18 vorgegebenen Bereich durchdringen, ist der Umriß der gespickten Zone 21 verhältnismäßig scharf definiert. Die Oxidschutzschicht 19 mit einer Dicke von 1300 Ä, welche die mit Ionen zu spickenden Zonen bedeckt, dient dazu, die Anzahl der Nebenkanalbildungen (channeling events) zu verringern, Verunreinigungen zu verhindern und den gespickten pn-Obergang zu passivieren. Die Dicke dieser Oxidschutzschicht 19 muß daher sehr sorgfältig eingestellt werden, um reproduzierbare Eigenschaften der gespickten Zone zu gewährleisten.

Bekanntlich wird die Fremdstoffverteilung und -konzentration in der Zone 21 durch die Ionenenergie, die Gesamtdosis und die Dicke der Oxidschutzschicht 19 bestimmt. Die Dicke der Oxidschicht an den anderen Stellen außer im Bereich der Oxidschutzschicht 19 reicht aus, um ein Eindringen der Borionen zu verhindern. Wenngleich einige wenige Borionen ggf. das die ρ Bereiche 16 überlagernde dünnere Oxid durchdringen, hat das Spicken mit Borionen kaum oder überhaupt keinen Einfluß auf die ρ Bereiche, da diese Bereiche bereits hocli mit· Bor doliert sind.

!lach der¹ lonenspickung entsprechend Γί(;. ^l\ wird da;; in diese.r Zei c ]iiiuiif,nf i gur dargestellte Hai bloit ex'f.cbi ]dt?

einem Glühvorgang unterworfen. Zu diesem Zweck werden die Halbleiterplättchen mit den in diesen ausgebildeten Bereichen in einen Glühofen mit neutraler wie z.B. Stickstoffatmosphäre eingebracht. Bei einer Temperatur, die weit unterhalb der bei bekannten Verfahren angewandten Temperaturen und beispielsweise zwischen 500 und 700 ⁰C liegt, werden die Plättchen der Wärmebehandlung unterworfen. Wie weiter unten ausgeführt, handelt es sich bei dem Glühvorgang um einen Verfahrensschritt, der kritisch ist für die Bestimmung der Parameter der erfindungsgemäß ausgebildeten ionengespickten Widerstände. Temperatur und Zeitdauer des Glühens sind beide von sehr großem Einfluß. So kann beispielsweise die Zeitdauer willkürlich festgelegt und dann zur Erzielung der gewünschten WiderstandsparaiÄer die Temperatur entsprechend eingestellt werden. Wie im nachstehenden beschrieben, werden im allgemeinen lange Glühzeiten verwendet, so daß der Glühvorgang bei niedrigeren Temperaturen erfolgen kann.

Wie auf.dem Gebiet der lonenspicktechnik bereits bekannt, wird durch den Glühvorgang ein Teil der durch die Ionenspickung hervorgerufenen Beschädigung des Halbleiterkörpers rückgängig gemacht bzw. beseitigt. Weiterhin gelangt ein Teil des gespickten Bors an elektrisch aktive Stellen, so daß das Bor als Akzeptor wirkt. Dieser Vorgang ist ähnlich dem bei einem diffundierten Widerstand, nämlich daß die Isolierung gegenüber der Unterlage erfolgt, weil aufgrund des pn-Überganges ein Raumladungsbereich erzeugt wird. Die durch Spickung eingeführten Borionen müssen zur Ausbildung

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eines richtigen pn-Überganges eine gewisse elektrische Aktivität entwickeln.

Der Endwert des spezifischen Widerstands und die Temperaturempfindlichkeit der gespickten Zone sind eine Funktion der freien Trägerkonzentration, von Breite, Länge und Tiefe der ionengespickten Zone und der anschließenden Wärmeoder Glühbehandlung, welcher das Bauelement unterworfen worden ist.

Nach Beendigung des Glühvorgangs werden vermittels herkömmlicher photolithografischer und Ätztechniken Öffnungen 26 in der Siliziumdioxidschicht 13 ausgebildet, so

die
daß/die ρ Bereiche 16 überlagernden Bereiche der Oberfläche 12 freiliegen. Dann werden in die Öffnungen 26 eingreifende, 'in Kontakt mit den ρ Bereichen stehende und fest mit der Oberfläche der Siliziumdioxidschicht 13 verbundene elektrische Leiter 27 aufgebracht. Die Ausbildung dieser Leiter kann entweder durch Verdampfung durch eine Maskierung mit der gewünschten Formgebung hindurch erfolgen, oder stattdessen kann auch eine Metallschicht auf die ganze Oberfläche aufgedampft und das Metall an den unerwünschten Stellen vermittels bekannter lithografischer Techniken unter Verwendung einer Maskierung entfernt werden.

Zur Herstellung der elektrischen Leiter 27 können zwei unterschiedliche Metalltypen Verwendung finden, nämlich entweder Metalle, weLche mit dem Halbleitermaterial legieren, oder Metalle, die keine Legierung mit dem Halbleitermaterial. eingehen. Wenn als Metall beispielsweise Aluminium verwen-

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det wird, das mit Silizium legiert, können Glühen und Legieren des Metalls in ein und demselben Verfahrensschritt ausgeführt werden. Wenn dagegen ein Metall verwendet wird, das bei niedrigen Temperaturen nicht mit Silizium legiert, so z. B-. ein feuerfestes Metall wie z.B. Molybdän_a ist mehr als ein Verfahrensschritt erforderlich. ' Wenn zur Herstellung von Widerständen eine über 575 ⁰C und beispielsweise zwischen 650 ° bis 700 °C betragende Glühtemperatur erforderlich ist, sollte ein feuerfestes Metall verwendet werden_s da die Silizium-Aluminium-Legierung bei angenähert 585 °C flüssig wird. Aluminium sollte daher nur dann verwendet werden₉ wenn die erforderlichen Glühtemperaturen unter 575 ⁰C liegen.

Vermittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens wurden Prüfplättchen hergestellt, die ein (nicht dargestelltes) Prüfmuster trugen und einen stabförmigen Widerstand Rl-R2 im Verhältnis 10:1 aufwiesen. Damit wurde der Flächenwiderstand der gespickten Zone gemessen. Ein diffundiertes Bett Tl-T2 bildete einen als Meßhilfe nach dem Glühvorgang dienenden Leiterweg zwischen Metallkontakten.

In Fig. 7 ist der spezifische Flächenwiderstand ρ

als Funktion der Glühtemperatur, gemessen bei Zimmertempera-

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tür und für eine Dosierung von 10 Borionen pro cm dargestellt. Die Kurve Ml stellt die Daten für 50 keV, die Kurve M? die Daten für 75 koV und die Kurve 4 3 die Daten iür 100 1 (ίV dar. I)(»i s.'.wnl ] ichcn drei Enorgieweri en nimmt der spezi- ii rolie F] »Mchfijuj dc?i'ntcamJ p_o von anp.enülKirt ¹IOOO Ohm/Quadrat \jt'i r'mar C₁] i'Sh I < mpvvai ur von 400 ' C. auf nngenähori 100

Ή» 9 P ? 1 / Q 7 U ü

BAD ORfGJNAL

Ohm/Quadrat für eine Glühtemperatur von 9 50 C ab. Bei angenähert 62 5 ⁰C tritt jedoch ein Maximalwert auf (p max.),

dessen Wert für niedrigere Spickenergien höher liegt. Diese Steigerung von ρ oberhalb 550 C scheint einer Konzentra-

tionsabnahme an Ersatzborionen zu entsprechen, die aufgrund einer Verlagerung derselben durch Zwischenraum-Siliziumionen erfolgt.

In Fig. 8 ist der normalisierte spezifische Flächenwidertsand als Funktion der Meßtemperatur im Bereich von - 50 bis + 12 5 ⁰C für eine Reihe mit 75 keV hergestellter Prüfchips dargestellt, die während 20 Minuten geglüh^t worden sind. Wie unmittelbar aus dieser grafischen Darstellung ersichtlich, ergibt sich ein optimaler Temperaturgang für eine zwischen 600 ⁰C und 650 °C geglühte Zone. Ein entsprechender Temperaturgang wurde an einer Reihe mit 50 keV und 100 keV hergestellter Prüfchips erhalten, die unter den gleichen Bedingungen geglüht worden waren. Diese Ergebnisse zeigen klar, daß ein optimaler Temperaturgang für eine Glühtemperatur von angenähert 62 5 C erhalten wird, die entsprechend Fig. 7 der Temperatur entspricht, bei welcher der spezifische Flächenwiderstand ρ dem Maximalwert ρ entspricht, d.h.

5 S

ρ = ρ max. Wie weiter unten erläutert, ergibt sich der s s

gleiche Zusammenhang auch dann, wenn der Spitzenwert P max. bei Glühtemperaturen liegt, welche unterhalb den in Fig. 7 dargestellten Glühtemperaturkurven liegen.

Der Einfluß der Glühdauer ist in Fig. 9 dargestellt, welche Kurven des maximalen spezifischen Flächenwiderstandes

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p als Funktion der Glühtemperatur für Spickenergien von 50, ■ 75 und 100 keV und Glühzeiten von 20, 60 und 180 Minuten zeigt, Der Temperaturbereich von 500 ⁰C bis 650 ⁰C wurde aus dem Grunde gewählt, weil der Spitzenwert ρ max. für sämtliche Glühtemperaturkurven in diesen Bereich fällt. Wie aus den Kurven ersichtlich, nimmt die Größe des Spitzenwerts ρ max. mit steigender Glühdauer zu und liegt gleichzeitig bei niedrigeren Glühtemperaturen. Die Verlagerung des Spitzenwerts ρ max. ergibt sich daraus, daß sich die ganze Glühtemperatur-

kurve mit wachsender Glühdauer verschiebt. Diese Zusammenhänge ergeben sich durch das Glühen der Strahlungsschäden und der Wechselwirkung zwischen Borionen und Kristallfehlern. Die Kurve H6 entspricht einer Glühdauer von 20 Minuten, Kurve 47 einer solchen von 60 Minuten und Kurve 48 einer solchen von 180 Minuten.

Der Temperaturgang des Spitzenwerts ρ des spezifischen Flächenwiderstands im Bereich von - 50 bis + 125 ⁰C bzw. 0 bis 70 ⁰C ist in den Figuren 1OA und 1OB dargestellt. Die maximale prozentuale Änderung des normalisierten Flächenwiderstands ( unbeachtet des Vorzeichens) ist für den Temperaturbereich von - 50 ⁰C bis + 12 5 ⁰C in Fig. 1OA, und für den gereich von 0 ⁰C bis 70 ⁰C in Fig. 1OB dargestellt. Der Temperaturbereich von Fig. 1OA entspricht den Anforderungen₃ die für militärische Anwendungen gestellt werden, während der Temperaturbereich von Fig. 1OB den Anforderungen für handelsübliche Anwendungen entspricht. Aus diesen Kurven ist ersichtlich, daß der Temperaturgang der ionengespickten Zonen im

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Vergleich zu dem in Fig. 8 dargestellten einer diffundierten Schicht außerordentlich verbessert ist. Diese Verbesserung ergibt sich in Verbindung mit einer fünf- bis zehnfachen Steigerung des Spitzenwerts ρ für den Flächenwiderstand. In den Figuren 1OA und 1OB soll insbesondere auf das Verhalten der mit 50 keV gespickten Zone nach einer Wärmebehandlung bei 62 5 ⁰C während 20 Minuten hingewiesen werden. Der Widerstandswert verändert sich gegenüber dem Wert bei Zimmertemperatur von 182 5 Ohm/Quadrat zwischen - 50 °C und + 12 5 ⁰C um nicht mehr als 3 %. Zwischen 0 ⁰C und 70 ⁰C beträgt die Widerstandsänderung nur 0,5 %. Wie ein Vergleich der Figuren 9 und 10 zeigt, ergibt sich der optimale Temperaturgang für zunehmende Glühdauer bei fortschreitend niedrigeren Glühtemperaturen. Der optimale Temperaturwert ist der Wert, bei dem der Flächenwiderstand ρ in Fig. 9 dem Maximalwert ρ max·

S S

entspricht, d.h. ρ = ρ max.

S S

Wie aus den hier dargestellten beispielhaften Ergebnissen ersichtlich, ergibt sich ein beträchtlicher Spielraum für die Erzielung bestimmter Flächenwiderstandswerte bei gleichzeitig äußerst niedriger Temperaturveränderlichkeit. Entsprechend Fig. 9 kann der Spitzenwert des Flächenwiderstands ρ max. durch geeignete Wahl der Spickenergie, der Glühtem-

peratur und der Glühdauer zwischen 870 und 2100 OHM/Quadrat verändert werden. Da die Spickenergie für integrierte Schaltungen aus praktischen Gründen im Bereich von 2 5 bis 150 keV liegt, kann der Spitzenwert ρ max. auf Werte größer als 2100

ti

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und kleiner als 870 Ohm/Quadrat gebracht werden. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, daß Widerstände mit höherem Widerstand bei vorgegebener Oxiddicke vermittels niedriger Spickenergien hergestellt werden können.

Der Flächenwiderstand kann auch dadurch verändert werden, daß die Dicke der Oxidsehutzschicht, durch welche hindurch die Spickung erfolgt, eingestellt wird. So wird beispielsweise bei Spickung mit 100 keV durch 1600 Ä dickes Siliziumdioxid ein um 20 % höherer Flächenwiderstand als bei Spickung durch ein 1300 Ά dickes Siliziumdioxid erhalten.

Der Einfluß und die Anwendung der schützenden Bremsschicht bei der Ionenspickung ist anhand der Figuren 11A und HB ersichtlich. Fig., HA ist ein Querschnitts diagramm eines ionengespickten Widerstands bei Spickung in reines Silizium, während Fig. HB ein entsprechendes Querschnitts diagramm bei Spickung durch eine halbdurchlässige Bremsschicht wie z.B. eine Oxidschicht oder eine dünne Metallschicht zeigt. Die Kurven der Figuren HA und HB stellen die Fremdstoffverteilung in beiden Fällen dar. Der schraffierte Bereich unterhalb der Konzentrationskurve entspricht der Gesamtzahl an Fremdstoffionen in der Zone, welche von der Siliziumoberfläche (X = 0) und dem pn-übergang (X = X.) begrenzt ist, wobei X. die Übergangstiefe für die Borspickung ist. Die Hintergrundsdotierungskonzentration der Unterlage beträgt C_ß = C (x.). Die Bremsschicht schwächt die Gesamtzahl der Fremdstoffatome im Silizium ab und vergrößert damit den reinen Flächenwiderstand p^ der gespickten Schicht ent-

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sprechend der Gleichung ρ = (N e /μ_.__) , in welcher N

S S dVc 5

gleich der Trägerzahl pro QuadratZentimeter, e die Elektronenladung und μ die mittlere Trägerbeweglichkeit in der ganzen Schicht ist.

In beiden Kurven von Fig. HA und HB stellt die schraffierte Fläche die tatsächlich im Siliziumhalbleiterkörper vorhandenen Ionen dar. Die Kurve der Fig. HA wurde ohne Bremsschicht erhalten, während die Kurve der Fig. HB mit einer Bremsschicht erhalten wurde, in der eine bestimmte Anzahl von Ionen zurückgehalten wird, die durch die Fläche ■+9 unter der Kurve dargestellt ist. Wie somit ersichtlich, kann durch Steigerung der Bremsschichtdicke die Anzahl von Ionen im schraffierten Bereich verringert werden. Die Bremsschicht ermöglicht somit die Erzielung höherer Widerstandswerte bei gleichzeitig niedrigerer Temperaturveränderlichkeit als die bekannter borgespickter Widerstände, wie weiter unten ausgeführt ist. Durch wahlweise Veränderung der Bremsschichtdicke lassen sich Widerstände gleicher geometrischer Formgebung, jedoch unterschiedlicher Widerstandswerte auf ein und derselben Halbleiterunterlage und unter den gleichen, vorgegebenen Spickungsbedingungen herstellen.

Bei Spickung durch Bremsschichten lassen sich höhere Flächenwiderstandswerte erhalten, wobei gleichzeitig die Temperaturveränderlichkeit und TCR niedrig gehalten werden. Aufgrund der Bremsschicht gelangen weniger Ionen zum Silizium, um dieses zu dotieren. Es ergibt sich eine Gauß¹sehe Ionen-

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verteilung, wie aus den Kurven der Figuren HA und HB ersichtlich ist. Bei Verwendung der Bremsschicht, welche aus der Oxidschutzschicht 19 besteht, werden die vorhandenen Ionen durch die Flanke der Gauß'sehen Verteilungskurve dargestellt. Die gespickte Zone weist somit weniger Ionen auf. Bei Verringerung der Energie nimmt der Flächenwiderstand zu. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Bremsschicht mehr Ionen zurückhält. Die gleichen Ergebnisse lassen sich bei vorgegebener Energie durch Steigerung der Bremsschichtdicke erhalten.

Fig. 12 zeigt eine Kurvenschar für die Spickung ■ durch unterschiedliche Bremsschichtdicken. Kurve 51 entspricht dem Fall, daß keine Oxidschicht vorhanden ist, Kurve '52 entspricht einer Bremsschicht mit einer Siliziumdioxiddicke von 1050 8, Kurve 5 3 einer Siliziumdioxiddicke von 2250 S, Kurve Sh einer Siliziumdioxiddicke von 2900 Ä und Kurve 55 einer Siliziumdioxiddicke von 1300 R, Die Spickung erfolgte in jedem Fall mit 75 keV in einer Dosierung von

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1 χ 10 Borionen pro cm . Die Glühdauer betrug 20 Minuten.

Die grafische Darstellung zeigt den Flächenwiderstand in Abhängigkeit von der Glühtemperatur in Grad Celsius. Die Kurven der Fig. 12 wurden mit einer Spickung unter 7 5 keV erhalten; ähnliche Ergebnisse wurden bei Spickung mit 50 keV erhalten.

Wie aus dieser Darstellung ersichtlich, werden für niedrigere Cpickenergien und/oder größere Bremsschichtdicken höhere Flächenwiderstandswerte erhalten. Energieschwächere lonenstrahlen dringen weniger tief in das Silizium ein, wobei

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diese verringerte Eindringtiefe durch größere •Bremsschichtdicken noch weiter herabgesetzt wird.

Wie Fig. 12 zeigt, beträgt der Spitzenwert des Flächenwiderstands ρ max. für die Kurve 51 angenähert 900 Ohm/

Quadrat, der Flächenwiderstand nimmt mit steigender Bremsschichtdicke zu und beträgt für eine ßremsschichtdicke von 2 900 8 angenähert 2800 Ohm/Quadrat. Vermittels der Bremsschult läßt sich daher der Flächenwiderstand um angenähert den Faktor 3 steigern im Vergleich zu einem Widerstand, der ohne Bremsschicht hergestellt wird. Dabei behält der Widerstand in jedem Falle eine niedrige Temperaturveränderlichkeit.

In den Figuren 13 und IU sind zwei weitere Kurvenscharen dargestellt. Fig. 13 zeigt aen Ga'ng der Temperaturempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Glühtemperatur bei Verwendung von Bremsschichten gleicher Dicke wie in Fig. 12. Die Kurven für die verschiedenen Bremsschichten sind hier mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 12 bezeichnet. Die Temperaturempfindlichkeit ist definiert als die maximale prozentuale Änderung des normalisierten Flächenwiders tands (unter Außerachtlassung des Vorzeichens) innerhaLb eines vor ,unebenen Temperaturbereichs. Fig. 13 gibt die V/er te für den Temperaturbereich von 0 °C bis 70 °C, und Fig. IH für den 'i'nmperaturbereich von - 50 ⁰C bis H 125 C an. Der Bereich in Fig. IU ist für militärische Anwendungen von Intercü;;;o. Wie aus diesen Kurvun ersichtlich, kann die Oxiddicke so bemessen werden, daß der gesamte Gang der Temperaturempfindliohkeit für .K)Oi) Ohm/Quadrat nicht mvAw aLs 3 Ί betrüj t.

J0 9 «2I/0 7 0 5

Für den in Fig. 13 dargestellten Bereich von 0 ⁰C bis 70 °C beträgt der Temperaturgang für eine Bremsschichtdicke von 2250 R und einen Flächenwiderstand von 1850 Ohm/Quadrat nicht mehr als 0,3 %. Es lassen sich daher Ergebnisse erzielen, die den mit metallischen Dünnschichtwiderständen erzielten sehr nahe kommen.

Aufgrund der Ergebnisse mit Spickung bei 50 keV durch Bremsschichten mit einer Dicke von 2900 Ä ist es möglich, gespickte Widerstände mit einem Flächenwiderstand von 11 000 Ohm/Quadrat herzustellen. Weiterhin hat sich gezeigt, daß es ohne Schwierigkeiten möglich ist, im Temperaturbereich von - 50 ⁰C bis + 125 ⁰C ohne maximale prozentuale Änderungen von 5 % zu erzielen. Die Temperaturveränderlichkeit für 50 keV ist ähnlich für 75 keV, wobei jedoch für eine vorgegebene Oxidschichtdicke ein höherer Flächenwiderstand erhalten wird.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung zu ersehen, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Präzisionsherstellung ionengespickter Widerstände, die besonders gut für integrierte Schaltungsanwendungen geeignet sind. Widerstände mit Flächenwiderständen bis zu 3000 Ohm/Quadrat und äußerst niedriger Temperaturveränderlichkeit lassen sich durch Spikken von Siliziumunterlagen mit Borionen durch entsprechende Bremsschichten hindurch herstellen. Die Spickenergie, die Glühtemperatur und die Glühdauer können entsprechend bemessen werden, um zur Herstellung dev für integrierte Schaltungen benötigton Widerstände bestimmte Flächenwiderstandswerte zu erhalten.

-Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche :

1.) Ionengespickter Widerstand aus einem Körper aus kristallinem Silizium-Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps und von bekanntem spezifischem Massenwiderstand und mit einer planaren Oberfläche, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Halbleiterkörper (11) wenig- · stens eine mit Ionen gespickte Zone (21), deren Leitfähigkeit der des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist, bis zu der planaren Oberfläche (12) reicht, der spezifische Flächenwiderstand (p ) durch die Spicktechnik und eine anschließende Glühbehandlung vorgegeben ist, elektrische Leiter (27) mit der ionengespickten Zone (21) verbunden sind und der Widerstand im Temperaturbereich von - 50 C bis + 12 5 ⁰C für eine unter 3 % betragende TemperaturVeränderlichkeit ausgelegt ist.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im Temperaturbereich von 0 C bis 70 C für eine unter 0,3 % betragende Temperaturveränderlichkeit ausgelegt ist.

3. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

2 er für einen zwischen 870 bis 3000 Ohm/cm betragenden spezifischen Flächenwiderstand ausgelegt ist.

4. Widerstand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die planare Oberfläche (12) eine Schicht (13) aus einem isolierenden Material in

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einer Dicke von angenähert 1 μπι aufgebracht ist und einen die Zone (21) entgegengesetzter Leitfähigkeit überlagernden dünneren Abschnitt (19) mit einer zwischen lOOQ bis 3000 K betragenden Dicke aufweist.

5. Widerstand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - U₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (11) hochdotierte Bereiche (16) entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist, welche die ionengespickte Zone (21) an voneinander entfernten Stellen berühren , und daß die elektrischen Leiter (27) fest mit der Oberfläche der isolierenden Schicht (13) verbunden sind, mit den hochdotierten Bereichen (16) entgegengesetzter Leitfähigkeit in Kontakt stehen und durch die isolierende Schicht durchgeführt sind.

6. Widerstand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1,2 oder 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß er für einen zwischen 3 bis 50 kOhm/Quadratzentimeter betragenden spezifischen Flächenwiderstand ausgelegt ist.

7. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Halbleitermaterial aus Silizium besteht, und die Spickionen aus Bor bestehen.

8. Verfahren zum Herstellen eines ionengespickten Widerstandes in einem Silizium-Halbleitermaterialkörper, der bekannte Leitfähigkeit, bekannten spezifischen Widerstand und eine ^ι planare Oberfläche aufweist, nach einem der Ansprüche 1-7,

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dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (13) aus Isoliermaterial in einer Dicke von mehr als etwa 1 ym auf der planaren Oberfläche (12) ausgebildet, in der Isolierschicht wenigstens eine öffnung (IO, in der ein Bereich der Oberfläche freiliegt, ausgebildet, in der Öffnung eine Passivierungsschicht (19) durchgehend genauer Dicke zwischen etwa 1000 bis 3000 S ausgebildet, der Halbleiterkörper durch die Passivierungsschicht hindurch rait Ionen gespickt und dadurch die Leitfähigkeit in dem unterhalb der Öffnung befindlichen Bereich des Halbleiterkörpers verändert und eine ionengespickte Zone (21) entgegengesetzter Leitfähigkeit in diesem Bereich ausgebildet wird, wobei die Schicht (19) aus Isoliermaterial ausreichend dick bemessen wird, um praktisch jeden Ionendurchgang durch Abbremsung der Ionen innerhalb der Schicht zu verhindern, wahlweise entweder die Ionenenergie oder die Dicke der Passivierungsschicht zur Erzielung eines gewünschten spezifischen Flächenwiderstands (p ) verändert, der Halbleiterkörper geglüht wird und elektrische Leiter (27) in Berührung mit der gespickten Zone entgegengesetzter Leitfähigkeit auf den Halbleiterkörper aufgebracht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen bei einer zwischen 550 C und 650 C betragenden Temperatur erfolgt.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühtemperatur so bemessen wird, daß sich der maximale spezifische Flächenwiderstand ergibt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spickenergie zwischen 25 und 150 keV beträgt.

12.. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Parameter so gewählt werden, daß ein
zwischen 800 und 2200 Ohm/cm betragender spezifischer Flächenwxderstand erhalten wird,

13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand für eine niedrige Temperaturveränderlichkeit ausgelegt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spickenergie entsprechend dem gewünschten spezifischen Flächenwiderstand.bemessen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Passivierungsschicht (19) entsprechend dem gewünschten spezifischen Flächenwxderstand bemessen wird.

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