DE2927003A1

DE2927003A1 - Siliziumwiderstand mit sehr geringem temperaturkoeffizient

Info

Publication number: DE2927003A1
Application number: DE19792927003
Authority: DE
Inventors: Michel Calligaro
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1978-07-04
Filing date: 1979-07-04
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2927003C2; FR2430653B1; US4329774A; FR2430653A1; GB2025147A; GB2025147B

Description

Dipl-Ing. Dipl.-Cbem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

4. Juli 1979

THOMSON - CSP

173, Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 3256

Siliziumwiderstand mit sehr geringem Temperaturkoeffizient

Die Erfindung betrifft einen Siliziumwiderstand mit sehr geringem Temperaturkoeffizient, Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit ohmschen Widerständen, und zwar sogenannten "Bahnwiderständen" (in der angelsächsischen Literatur als "bulk resistance" bezeichnet), mit einem massiven Volumen aus Halterleitermaterial. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung derartiger Widerstände, insbesondere aus Silizium*

Es werden derzeit Siliziumstangen hergestellt, die im Kernbereich, also innerlich, mit einer ^-Verunreinigung dotiert sind und einen ohmschen Widerstand aufweisen, der stark temperaturabhängig ist» Der spezifische Widerstand eines solchen Materials nimmt innerhalb eines Temperaturbereichs von 2O°C bis 2OO°C um etwa einen Faktor 3 zu. Es ist nämlich bekannt, daß der spezifische Widerstand des Siliziums umgekehrt proportional der Anzahl von Leitungslöchern, also der Anzahl

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von freien Akzeptoratomen, und deren Beweglichkeit ist, gemäß der Formel:

darin sind:

q die Elektronenladung

μ die Beweglichkeit der Löcher; N die Anzahl der Leitungslöcher.

In einem Bereich von -5O bis 2OO°C kann angenommen werden, daß die Anzahl der Leitungslöcher im wesentlichen konstant ist; ihre Beweglichkeit ändert sich jedoch nach der Formel:

μ_ρ = αΤ~²'²; (2)

darin ist T die absolute Temperatur in Grad Kelvin, und α ist ein geeigneter Koeffizient.

Aus den Formeln (1) und (2) wird abgeleitet, daß der spezifische Widerstand in dem angegebenen Temperaturbereich ungefähr proportional der absoluten Temperatur mit dem Exponent 2,2 ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands eines Halbleitermaterials zu reduzieren und die Verwirklichung von Widerständen zu ermöglichen, deren Widerstandswert innerhalb eines Temperaturbereichs, der im Gebiet der praktischen industriellen Anwendung liegt, konstant bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Widerstand dadurch gekennzeichnet, daß er gebildet ist aus einem Halbleiterkörper, der im Kernbereich mit einer ersten Verunreinigung dotiert ist, welche die Akzeptor-Energieniveaus

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liefert, und zwar am Rande des verbotenen Bandes auf der Seite der niedrigen Energien, und mit einer zweiten Verunreinigung dotiert ist, welche die Donator-Energieniveaus liefert, die in dem unteren Teil des verbotenen Bandes liegen, jedoch näher an der Mitte dieses Bandes als das Energieniveau der ersten Verunreinigung.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 bis 6 Darstellungen zur Erläuterung der Verfahrensschritte bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Widerstands; und

Fig. 7 Kurven zum Vergleich des spezifischen Widerstands bei einem bekannten Widerstand und bei einem erfindungsgemäßen Widerstand.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Widerstand in Form eines quaderförmigen Stäbchens aus halbleitendem Silizium mit zwei quadratischen metallisierten Oberflächen 61, 62 (Fig. 6), die als öhmsche Kontakte dienen, gebildet. Für einen Widerstandswert von 10 bis einigen 10 Ohm haben z.B. die metallisierten Oberflächen eine Seite 1 der Länge 1 bis 3 mm, und die Dicke h beträgt 250 bis 1OOO Mikron.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird z.B. ausgegangen von einem mit Bor dotierten Siliziumsubstrat. Ein Vorteil eines derartigen P-dotierten Halbleitermaterials liegt in der Tatsache, daß sein spezifischer Widerstand, der allerdings bei Veränderung der Spannung an den Anschlüssen nicht vollkommen konstant ist, sich nach einer im wesentlichen linearen Gesetzmäßigkeit verändert, und zwar bis zu -hohen

Feldstärkenwerten des elektrischen Feldes (10 V/cm) .

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In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines mit Bor dotierten SiIiziumplättchens gezeigt, dessen spez. Widerstand z.B. 5 Ohm.cm beträgt. Seine Dicke beträgt 75O Mikron. Seine Seitenabmessungen liegen in der Größenordnung von 15 bis 3O mm, wodurch die Sammelherstellung von wenigstens 1OO erfindungsgemäßen Widerständen ermöglicht wird.

Das Bor ist zwar die für Silizium am häufigsten angewandte P-Verunreinigung, es ist jedoch bei dem Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Widerstände auch möglich, von Silizium auszugehen, das mit einer anderen P-Verunreinigung dotiert ist {Aluminium, Gallium).

In einem ersten Verfahrensschritt wird eine komplementäre P-Verunreinigungsdiffusion, z.B. mit Bor, vorgenommen, begrenzt auf zwei Oberflächenschichten auf beiden Seiten des Plättchens. Die Hauptseiten des Plättchens werden mit einer möglichst gleichmäßigen Borablagerung versehen, und dann wird das Plättchen in einen Ofen eingebracht, der auf einer Temperatur zwischen 1100 und 125O°C gehalten wird. In etwa zwei Stunden werden dann die Schichten 21 und 22 (Fig. 2) aus P -dotiertem

2O
Silizium gewonnen (etwa 10 Akzeptor-Verunreinigungsatome pro cm), und zwar mit einer Dicke von einigen Mikron, die ausreicht, um das Vorhandensein parasitärer Eingangs- und Ausgangswiderstände des Widerstandsstäbchens zu verhindern.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine Dotierung des Siliziumplättchens im Kernbereich ausgehend von gleichmäßigen Goldablagerungen 31, 32 (Fig. 3) vorgenommen, die auf die ■Hauptseiten des Plättchens aufgebracht sind. Hierzu wird eine Wärmbehandlung analog derjenigen bei dem vorhergehenden Verfahrensschritt durchgeführt, jedoch bei einer niedrigeren Temperatur (8OO bis 1OOO°C), bei einer über zwei Stunden hinaus verlängerten Dauer. Auf diese Weise wird eine Kerndotierung mit 1O ,bis 10 Goldatomen pro cm³ erreicht. Nach dieser Be-

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handlung wird das Plättchen geätzt, um in herkömmlicher Weise den Goldüberschuß und die gebildete Gold-Silizium-Legierung zu entfernen.

In einem dritten Verfahrensschritt werden die Metallisierungen der Hauptoberflächen vorgenommen, indem in herkömmlicher Weise erst eine Nickelschicht 41 und dann eine Goldschicht 42 auf der Oberfläche aufgebracht wird, die auf der Seite der Schicht 21 liegt. In gleicher Weise wird auf der Hauptoberfläche der entgegengesetzten Seite vorgegangen, wenngleich dies in Fig. nicht gezeigt ist.

In einem vierten Verfahrensschritt wird das auf seinen beiden Hauptseiten (Schichten 41, 42, 51, 52) metallisierte Plättchen längs den Linien eines Quadratlinienmusters zerschnitten, entweder mittels einer Diamantsäge oder durch irgendein anderes herkömmliches Zerschneidungsverfahren. Als Endergebnis liegt eine Vielzahl von rechtwinkeligen Quadern vor. In"Fig. 5 sind zwei Schnittlinien 501, 502 angedeutet. In Fig. 6 ist einer der rechtwinkeligen Quader gezeigt, dessen Metallschichten zur Vereinfachung als einfache Schichten 61, 62 gezeigt sind. Der ohmsche Widerstand wurde bei verschiedenen Temperaturen an einem ersten Muster gemessen, das nur mit Bor dotiert wurde, und dann an einem zweiten Muster, das mit Bor und mit Gold dotiert wurde und nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Die beiden Proben, die ausgehend von mit Bor dotiertem Silizium mit einem spezifischen Widerstnad von 5 Ohm.cm hergestellt wurden, hatten folgende Abmessungen:

1=1,4 mm
h = 0,75 mm.

In Fig. 7 sind auf der Abszisse die Temperaturen zwischen etwa -50 und +25O⁰C aufgetragen; auf der Ordinate sind die Widerstände in Ohm aufgetragen. Kurve 71 zeigt die Ergebnisse bei der ersten Kurve; der Widerstand variiert von 7,5 bis 63 0hm

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— Q mm

innerhalb eines Temperaturbereichs von -50 bis +20O⁰C. Kurve 72 betrifft die zweite Probe; deren Abweichung von dem Wert 50 Ohm (Wert bei 15¹
Temperaturbereichs.

50 Ohm (Wert bei 15°C) beträgt nur etwa 20% innerhalb dieses

Derartige Widerstände können zur Verwirklichung von miniaturisierten ohmschen Lasten in Geräten verwendet werden, die Spitzenleistungen in der Größenordnung von einem bis zu mehreren Kilowatt mit Impulsen in der Größenordnung von mehreren hundert Volt abgeben. Auf diese Weise werden unerwünschte Entladungen verhindert, die bei Verwendung von Kohlewiderständen auftreten würden.

Eine mögliche Erklärung des Phänomens der Kompensation der temperaturabhängigen Widerstandsänderung ist folgende:

Während eine Akzeptorverunreinigung, z.B. aus Bor, Energieniveaus liefert, die im allgemeinen am Rand des verbotenen Bandes verteilt sind, und zwar auf der Seite der niedrigen Energien, liefert eine Verunreinigung z.B. aus Gold, Platin, Molybdän, Wolfram oder Eisen Energieniveaus, die näher am Fermi-Niveau liegen. Es ist zu beachten, daß das Gold amphoter ist und zum einen ein Donatorniveau bei 0,35 eV im Valenzband und zum anderen ein Akzeptorniveau bei 0,54 eV im Leitungsband liefert. Es scheint jedoch, daß bei der Kompensation des Temperatureffektes nur die Donatorηiveaus eine Rolle spielen.

Unterhalb einer bestimmten Temperaturschwelle fängt das Donatorniveau einen Teil der .Leitungslöcher ein.

Eine Temperaturerhöhung bis zu einem Wert, der jedoch noch unterhalb dieser Schwelle liegt, führt zu einer Zunahme der Anzahl von Leitungslöchern durch den normalen Effekt der Anhebung des Fermi-Niveaus und zu einer Kompensation des Effektes der Abnahme der Beweglichkeit dieser Löcher.

Fig. 7 ist zu entnehmen, daß die Kompensation unterhalb 1OO°C sehr gut und oberhalb dieser Temperatur gering ist.

Die Kompensation kann in einem gegebenen Temperaturbereich verbessert werden, indem eine dritte Dotierung mit einer Verunreinigung vorgenommen wird, deren Donatorniveau verschieden von demjenigen der zweiten Dotierung ist (bei dem genannten Beispiel das Gold). Mit Cäsium oder Mangan, deren Donatorniveau etwa bei 0,5 eV liegt, kann z.B. die Kurve im Gebiet um 100° verbessert werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann ferner das Gold durch Platin, Molbdän, Wolfram oder Eisen ersetzt werden,

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Claims

Patentanwälte * ^ *

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

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8 München 60

4. Juli 1979

THOMSON - CSF

173, Bd. Haussmann

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PATENTANSPRÜCHE

( 1.jSilxziumwiderstand mit sehr geringem Temperaturkoeffizient, dadurch gekennzeichnet, daß er gebildet ist aus einem Halbleiterkörper, der im Kernbereich mit einer ersten Verunreinigung dotiert ist, welche die Akzeptor-Energieniveaus liefert, und zwar am Rande des verbotenen Bandes auf der Seite der niedrigen Energien, und mit einer zweiten Verunreinigung dotiert ist, welche die Donator-Energieniveaus liefert, die in dem unteren Teil des verbotenen Bandes liegen, jedoch näher an der Mitte dieses Bandes als das Energieniveau der ersten Verunreinigung.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper die Form von Plättchen mit parallelen Oberflächen aufweist und auf den beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen des Plättchens Oberflächenschichten, die mit den Atomen der ersten Verunreinigung bzw. Substanz

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stärker dotiert sind als der Kernbereich, und ferner Metallisierungen aufweist, welche einen ohmschen Kontakt mit diesen Schichten bilden.

3. Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Substanz Bor, die zweite Substanz Gold, Platin, Molybdän, Wolfram oder Eiaen ist.

4. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper im Kernbereich mit einer dritten Substanz dotiert ist, welche Donator-Atome mit einem Energieniveau liefert, das verschieden von demjenigen der zweiten Substanz ist.

5. Widerstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Substanz Cäsium oder Mangan ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Widerstands nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:

a) ausgehend von einem P-Halbleiterkörper quaderförmiger Gestalt werden die Atome der ersten Substanz bzw. Verunreinigung ausgehend von Ablagerungen auf den beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen des Quaders eindiffundiert;

b) der Halbleiterkörper wird ausgehend von Ablagerungen der zweiten Substanz auf denselben Oberflächen im Kernbereich dotiert;

c) die beiden Oberflächen werden metallisiert, um öhmsche Kontakte zu bilden;

d) der Halbleiterkörper wird längs eines quadratischen Linienmusters, das auf einer der metallisierten Oberflächen aufgezeichnet ist, zerschnitten.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im

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Verfahrensschritt a) von einem P-dotierten Siliziumplättchen ausgegangen wird, das auf seinen beiden Hauptseiten mit Borablagerungen bedeckt ist/ und daß dieses Plättchen während zwei Stunden auf einer Temperatur zwischen 1100 und 125O°C gehalten wird;

daß im Verfahrensschritt b) das Plättchen, das auf seinen Hauptseiten mit Goldablagerungen bedeckt ist, einer Wärmebehandlung unterzogen wird, die während mehr als zwei Stunden bei einer Temperatur zwischen 800 und 1000°C durchgeführt wird; und

daß im Verfahrensschritt c) die Metallisierung unter aufeinanderfolgender Anwendung von Nickel und anschließend Gold durchgeführt wird.

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