DE69734456T2

DE69734456T2 - Ein stabilisierter polysiliziumwiderstand und seine herstellungsmethode

Info

Publication number: DE69734456T2
Application number: DE69734456T
Authority: DE
Inventors: Ulf Smith; Matts Rydberg
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1996-06-17
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2017-06-18
Also published as: JP2000512807A; DE69734456D1; US6140910A; TW491411U; CN1134792C; KR100363667B1; CA2258506A1; CN1227659A; SE9602395D0; SE9602395L; SE511816C3; WO1997049103A1; US6313728B1; EP0932907A1; KR20000016756A; EP0932907B1; SE511816C2; AU3281697A

Description

TECHNISCHES GEBIET:
Die Erfindung betrifft allgemein elektronische Komponenten und vorwiegend elektronische Komponenten, die in elektronischen integrierten Schaltkreisen verwendet werden oder die mittels der Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, die zur Herstellung integrierter elektronischer Schaltkreise angewandt werden, und insbesondere elektrische Widerstände aus polykristallinem Silicium, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Widerstände.
HINTERGRUND DER ERFINUNG UND STAND DER TECHNIK:
Widerstände aus polykristallinem Silicium, das auch als Polysilicium bezeichnet wird, werden seit mehr als 30 Jahren im Bereich der Elektronik verwendet. Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium sind ebenso bekannt wie Verfahren zur Herstellung von Widerständen aus polykristallinem Silicium. Es ist ferner bekannt, wie der Widerstand des Polysiliciummaterials durch Zugabe von Dotiermitteln zu dem Material unter Erhalt eines gewünschten Wertes gesteuert werden kann. Die allgemeine Technik ist in dem Buch "Polycrystalline Silicon for integrated Circuit Application" von T. Kamins, ISBN 0-89838-259-9, Kluver Academic Publishers, 1988, dargestellt.
In analogen elektronischen Schaltkreisen sind die Anforderungen an die Stabilität der Widerstände, die in den Schaltkreisen eingeschlossen sind, extrem hoch: die Spezifizierungen bezüglich der maximal zulässigen Veränderungen des absoluten Widerstandswerts müssen für einen Widerstand in einem solchen Schaltkreis immer erfüllt sein, wenn der Schaltkreis verwendet wird, und die Widerstandsveränderungen von Widerständen, die aneinander angepasst sind, müssen so sein, dass das Verhältnis der Widerstände zueinander bei der Verwendung des Schaltkreises stets aufrechterhalten wird. Diese Anforderungen beinhalten daher, dass die Widerstände zu jeder Zeit während der Verwendung des Schaltkreises ausreichend stabil sein müssen.
Bei Anwendungen, in denen Polysiliciumwiderstände in kritischen Bauteilen elektronischer Schaltkreise verwendet werden, ist die unzureichende Stabilität solcher Widerstände ein in der Praxis bekanntes Problem. Es ist eine Tatsache, dass sich die Widerstandswerte der Widerstände während ihrer Benutzung in unvorhersehbarer Weise verändern können. Solche Abweichungen von dem durch den Entwickler vorherbestimmten Wert sowie Abweichungen der Widerstandswerte von aufeinander angepassten Widerständen können den Betrieb des elektronischen Schaltkeises, in dem solche Widerstände eingeschlossen sind, gefährden. Der Grund für die Instabilität wird in ungesättigten Bindungen gesehen, die in den Korngrenzen des Polysiliciummaterials vorhanden sind. Die ungesättigten Bindungen werden in den Grenzbereichen zwischen den einzelnen monokristallinen Körnern des polykristallinen Siliciummaterials aufgrund der Tatsache gebildet, dass die periodische Anordnung der Siliciumatome in ihrem Kristallgitter innerhalb der Körner in den Grenzflächen nicht vorhanden ist. Die äussersten Siliciumatome in einem Kristallkorn weisen daher nicht ausreichend Siliciumatome als nächste Nachbarn auf, die zur Erzeugung der vier Bindungen erforderlich sind, die für das Gitter von Siliciumkristallen charakteristisch sind. Die resultierenden ungesättigten Bindungen in den Korngrenzen wirken als Fallen für Ladungsträger und binden dadurch elektrische Ladungen an die Korngrenzen, was die Fähigkeit des Materials, Ladungsträger zu transportieren, und dadurch den Widerstand des Materials beeinflusst.
Sofern die Anzahl der gebundenen Ladungen von dem Moment, in dem die Herstellung der Widerstände beendet war, und während der gesamten Zeit, in der der Widerstand verwendet wird, konstant bliebe, gäbe es keine Probleme bezüglich der Stabilität der Widerstände. Die Anzahl der Fallen kann jedoch abnehmen, wenn einzelne Atome aus den Körnern in die Korngrenzen wandern können, wo sie an ungesättigte Bindungen gebunden werden, wodurch verhindert wird, dass letztere ihre Funktion als Fallen für Ladungsträger fortsetzen können. In gleicher Weise kann die Anzahl an Fallen zunehmen, wenn Atome ihre Positionen in der Korngrenze verlassen und dadurch eine ungesättigte Bindung zurücklassen.
Es ist bekannt, dass ungesättigte Bindungen durch Zugabe von Wasserstoffatomen in die Korngrenzen blockiert werden können. Wasserstoff kann in einer grossen Menge in Schichten vorliegen, die auf einem integrierten Schaltkreis, der einen Polysiliciumwiderstand enthält, abgeschieden sind, z.B. in Passivierungsschichten aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid, typischerweise 20–25% in Passivierungsschichten aus Siliciumnitrid, die erzeugt werden durch Plasma-CVD und die üblicherweise als Schutz für fertiggestellte integrierte Schaltkreise und Komponenten verwendet werden.
Die Wasserstoffatome reagieren mit den ungesättigten Bindungen und blockieren diese, so dass sie nicht mehr als Fallen fungieren können. Es ist jedoch ein mit Wasserstoffatomen, die an ungesättigte Bindungen gebunden sind, in Verbindung stehendes Problem, dass die Bindungsfestigkeit zwischen Wasserstoff und Silicium im Vergleich zu z.B. der Bindung von Silicium zu Silicium gering ist. Die Bindungen können daher leicht aufgebrochen werden, und dann diffundiert der Wasserstoff aus seiner Position in den Korngrenzen weg, und die ungesättigten Bindungen liegen erneut frei. Da ungesättigte Bindungen Ladungsträger einfangen, führt das zu einer Veränderung des Widerstandswerts. Die Gründe für die Tatsache, dass die Bindungen aufgebrochen werden, sind nicht vollständig bekannt, sie können jedoch mit einer allgemeinen Zunahme der Temperatur oder lokalen Temperaturschwankungen, die durch erhöhte Leistungserzeugung in kritischen Punkten des Widerstands hervorgerufen werden, in Verbindung gebracht werden. Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass die Bindungen auch durch rein kinetische Effekte aufgebrochen werden können, die durch fliessende Ladungsträger hervorgerufen werden.
Auch wenn die Fähigkeit der Wasserstoffatome, ungesättigte Bindungen zu blockieren, das ist, was vorwiegend in der Literatur diskutiert wird, kann nicht ausgeschlossen werden, dass andere Atome, die in einer Korngrenze plaziert sind oder diese verlassen, ähnliche Wirkungen hervorrufen, wenn sie nicht ausreichend stark an die Siliciumatome in der Korngrenze gebunden werden. Ohne hier eine Stärke des Einflusses anzugeben, ist zu erwähnen, dass es auch möglich ist, dass Dotierungsatome, die während der Verwendung des Widerstands mit den Korngrenzen in einer dynamischen Weise Wechselwirken, den gleichen Einfluss auf den Widerstandswert aufweisen können wie die Wasserstoffatome. In der gleichen Weise kann nicht ausgeschlossen werden, dass auch andere Atomarten, die in den Widerstand eingeschlossen sind, und unbeabsichtigt zugegebene Verunreinigungen, die gleichen Einflüsse aufweisen können.
Ein aus Polysilicium aufgebauter, stabilisierter Widerstand ist in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung WO 97/10606 offenbart. Das Material des Widerstandskörpers ist mit sowohl Akzeptoren als auch Donoren dotiert. Zur Blockierung von Ladungsträgerfallen in den Korngrenzen in ausreichendem Masse, wodurch dem Widerstand eine gute Stabilität vermittelt wird, wenn er in der Folge der technischen Verarbeitungsschritte in dem Herstellungsverfahren verschiedenen Substanzen ausgesetzt wird, und zur Bereitstellung einer guten Langzeitstabilität, wird die Dotierung mit Donoratomen in einer so hohen Konzentration durchgeführt, dass, wenn nur die Donoratome in dem Material vorhanden wären und im wesentlichen keine Akzeptoratome, das Material mehr oder weniger als hart dotiert anzusehen wäre. Das bedeutet eher hohe Konzentrationen an Dotierungsatomen, und wie oben erwähnt, können diese Atome in einem gewissen Ausmass in die Korngrenzen hinein und daraus herauswandern. Es ist die Folge dieser Tatsache, dass der Segregationsmechanismus, der die Plazierung von Dotierungsatomen in den Korngrenzen bei Wärmebehandlungen oder Temperungsprozessen hervorruft, auch bei niedrigen Temperaturen aktiv ist, wenn auch zu einem sehr viel geringeren Ausmass. Solche Widerstände, die durch Kompensationsdotierung stabilisiert sind, können daher weniger stabil sein.
Die Kompensationsdotierung erfordert die Zugabe von mindestens zwei Dotiermitteln, d.h. mindestens einem Donor und mindestens einem Akzeptor, in genau ausgewogenen hohen Konzentrationen, und es kann schwierig sein, dies bei der Verarbeitung zu erzielen.
Eine effizientere und stabilere Blockierung ungesättigter Bindungen, als sie durch Wasserstoffatome erzielt werden kann, kann erzeugt werden durch Zugabe von Atomen anderer geeigneter Art, die eine ausreichend starke Bindung mit Siliciumatomen in den Siliciumkorngrenzen eingehen. Dementsprechend ist in US-PS 5 212 108 von Lieu et al. ein Verfahren zur Herstellung von Polysiliciumwiderständen offenbart, worin die Widerstände zur Verwendung in Speicherzellen vorgesehen sind. Zur Definierung des Widerstandswerts des Materials werden Arsenionen in eine Polysiliciumschicht implantiert. Eine anschliessend vorgenommene Implantierung von Fluorionen stabilisiert die Korngrenzen. Dadurch werden die Schwankungen der Barrierehöhe der Ladungsträger zwischen unterschiedlichen Einzelansätzen hergestellter Schaltkreischips verringert. Nach der Implantierung von Fluor kann eine Temperung bei 900°C durchgeführt werden.
Polysiliciumwiderstände, die auf diese Weise hergestellt werden, haben jedoch anscheinend eine unzureichende Langzeitstabilität.
Der Einfluss von Wasserstoff und Fluor auf die Korngrenzen in Polysiliciumschichten wurde in Verbindung mit elektrischen Eigenschaften von Dünnschichttransistoren und Solarzellen untersucht, siehe z.B. S. Maegawa, T. Ipposhi, S. Maeda, H. Nishimura, T. Ichiki, M. Ashida, O. Tanina, Y. Inoue, T. Nishimura und N. Tsubouchi, "Performance and Reliability Improvements in Poly-Si TFT's by Fluorine Implantation into Gate Poly-Si", IEE Trans. Electron Devices, Bd. 42, Seiten 1106–1112 (1995) und A. Yoshida, M. Kitagawa, F. Tojo, N. Egashira, K. Nakagawa, T. Izumi und T. Hirao, "Hydrogen, fluorine ion implantation effects on polycrystalline silicon grain boundaries", Solar Energy Materials and Solar Cells, Bd. 34, Seiten 211–217 (1994).
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG:
Ein erfindungsgemässes Ziel ist die Bereitstellung von Polysiliciumwiderständen mit einer guten Langzeitstabilität, die insbesondere in empfindlichen elektronischen Schaltkreisen, wie beispielsweise Schaltkreisen vom analogen Typ, die beispielsweise für Messungen oder als Schaltkreise, die mit Sensoren assoziiert sind, vorgesehen sind, bei denen die Widerstandswerte der Widerstände, die beispielsweise in Verstärkerschaltkreisen eingeschlossen sind, direkt das einen Messwert angebende Ausgangssignal beeinflussen, in sicherer Weise verwendet werden können.
Der erfindungsgemässe Widerstand ist durch die Merkmale gemäss Anspruch 1 definiert, und das Verfahren zur Herstellung desselben ist durch die Merkmale von Anspruch 3 definiert.
Die Lösung des oben dargelegten Problems bezüglich der Stabilität von Polysiliciumwiderständen, die in vielen Fällen unzureichend oder zumindest unzuverlässig oder unvorhersehbar ist, ist, wie bereits erwähnt, dergestalt, dass erreicht werden sollte, dass die ungesättigten Bindungen in den Korngrenzen des Polysiliciummaterials blockiert werden, und dass ferner die Blockierung in einer solchen Weise erzielt wird, dass unter Berücksichtigung der vorliegenden Bedingungen bei der Verwendung des Schaltkreises die Blockierung als weitgehend permanent angesehen werden kann. Eine solche Blockierung kann dadurch erzielt werden, dass sichergestellt wird, dass eine Mindestanzahl von ungesättigten Bindungen durch Atome geeigneter Art blockiert werden und dass die Atome dieser Art ausreichend fest an die Siliciumatome in den Korngrenzen des Polysiliciummaterials gebunden werden. Die zugegebenen Atome sollten mit den übrigen Herstellungsschritten, die zur Herstellung des elektronischen Schaltkreises erforderlich sind, kompatibel sein und nicht damit interferieren. Wie oben erwähnt, bindet Fluor stärker an Silicium als Wasserstoff, und Fluor ist daher die bevorzugte Art von Atomen zur Erzielung einer Blockierung der ungesättigten Bindungen. Es muss ferner sichergestellt werden, dass eine zumindest ausreichende Menge Fluoratome in den Korngrenzen während der Herstellung der Widerstände bereitgestellt wird, und dass die Fluoratome, die in dieser Mindestmenge inkorporiert werden, tatsächlich dort verbleiben oder dass zumindest ein ausreichender Anteil der inkorporierten Fluoratome während der anschliessenden Herstellungsschritte bis zum fertigen elektronischen Schaltkreis in ihren Positionen in den Korngrenzen verbleiben.
Daher muss die Konzentration der zugegebenen Fluoratome ein bestimmtes Mindestniveau übersteigen, damit die optimale Stabilisierung der Widerstände erzielt wird. Dieses Mindestniveau sollte das Konzentrationsniveau von Fluoratomen, die gelegentlich zu mit Bor dotierten Polysiliciumschichten zugegeben werden, wenn die Implantierung von Bor in die Schichten mittels Bordifluoridionen durchgeführt wird, übersteigen. Es werden jedoch nur marginale Effekte erzielt, wenn die Wärmebehandlung oder Temperung nach der Implantierung von Fluor bei hohen Temperaturen durchgeführt wird, wie sie normalerweise in z.B. den Schritten zur Antreibung der Diffusion von beispielsweise zur Aktivierung zugegebenen, z.B. implantierten Atomen, bei der Herstellung solcher Schaltkreise angewandt werden. Diese hohen Temperaturen werden zur Heilung von Kristallgitterschäden, die während des Implantierungsbetriebs erzeugt werden, als notwendig angesehen. Sie führen jedoch dazu, dass die Bindung zwischen Fluor und Silicium aufgebrochen wird und die Fluoratome aus dem Material herausdiffundieren.
Es werden jedoch überraschend gute Ergebnisse erzielt, wenn die Temperungstemperatur nach dem Implantieren von Fluor so eingestellt wird, dass sie nicht zu niedrig zur Ermöglichung einer ausreichenden Heilung der Störungen und nicht so hoch ist, dass den Fluoratomen die Möglichkeit zum Verlassen der Korngrenzen gegeben wird. Das wird am einfachsten erreicht, wenn die Temperung nach dem Implantieren von Fluor in einem getrennten Schritt durchgeführt wird und daher nicht mit beispielsweise den Temperungsvorgängen kombiniert wird, die zur Heilung von Schäden des Kristallgitters, die in den Herstellungsschritten vor dem Implantieren von Fluor entwickelt werden, und zur Aktivierung von Dotiermitteln aus vorhergehenden Implantierungen von erforderlichen Akzeptor- und Donoratomen erforderlich sind.
Eine solche Verarbeitung, die eine Zugabe von Fluoratomen zu dem Material zur Erzielung stabilisierter Widerstände umfasst, kann gegenüber dem oben diskutierten Kompensationsdotierverfahren bevorzugt sein, da es lediglich erfordert, dass als Minimum ein einzelner Donor oder Akzeptor zu dem Material in einer genau gesteuerten Konzentration zugegeben wird, damit ein gewünschter Widerstand der Widerstände erhalten wird, sowie eine darauffolgende Zugabe von Fluor, die nicht so genau gesteuert werden muss, solange eine ausreichende Menge an Fluoratomen in dem Polysiliciummaterial verbleibt. Der Schritt der Zugabe von Fluor kann in bestimmten Fällen einfacher einem Prozessfluss zugefügt werden, der zur Herstellung eines mehr oder weniger komplizierten Schaltkreises erforderlich ist, in den der Widerstand eingeschlossen ist.
Im allgemeinen umfasst daher ein Widerstand üblicherweise einen Widerstandskörper aus polykristallinem Silicium, der als eine dünne Platte mit einer rechtwinkligen, z.B. länglichen Form vorliegen kann. Elektrische Anschlüsse sind auf und/oder in dem Widerstandskörper angebracht, so dass ein Widerstandsbereich zwischen den Anschlüssen erhalten wird, der den Widerstandswert des Widerstands bestimmt. Das Material des Widerstandsbereichs wird mit Dotiermitteln, Akzeptoren und/oder Donoren dotiert, so dass der Widerstand den gewünschten Widerstandswert erhält. Dieses Material enthält auch Blockierungsatome und Fluoratome. Zur Erzielung einer ausreichenden Stabilität sollte das Material eine geheilte Struktur aufweisen, die erhalten wird durch eine geeignete Temperung, wenn die Zugabe von Dotiermitteln und Fluoratomen mittels Ionenimplantation durchgeführt wird. Bei anderen Verfahren zur Zugabe von Atomen zu Polysilicium mag jedoch keine solche spezielle Temperung erforderlich sein. Die Fluoratome in dem Material sollten in jedem Fall in einer so hohen Konzentration vorliegen, dass eine grosse Anzahl, eine maximale Anzahl, der ansonsten ungesättigten Bindungen in den Korngrenzen des polykristallinen Siliciums blockiert sind, wodurch der Widerstandswert des Widerstandsbereichs zeitlich weitgehend konstant wird, wenn der Widerstand in einem elektrischen Schaltkreis verwendet wird. Dies kann auch so ausgedrückt werden, dass weitgehend alle ansonsten ungesättigten Bindungen von Siliciumatomen in dem Polysilicium durch Fluoratome blockiert oder mit diesen gekoppelt sind.
In vielen Fällen sind diese Bedingungen erfüllt, wenn die Konzentration an Fluoratomen in dem Material mindestens so hoch ist wie die Konzentration, die in dem Material mit dem entsprechenden Widerstandswert erzielt werden sollte, das lediglich unter Verwendung von Bortrifluoridionen ohne andere Arten von Donoren oder Akzeptoren dotiert wurde. In vielen praktischen Fällen sind die Bedingungen auch dann erfüllt, wenn die Konzentration an Fluoratomen mindestens 2 × 10¹⁹/cm^–3 beträgt.
Bei der Herstellung eines solchen Widerstands wird zunächst ein Körper hergestellt, wie beispielsweise ein dünner Film oder eine dünne Schicht, mit einem geeigneten Aussenprofil, der aus polykristallinem Silicium hergestellt ist. Das Material des Körpers wird bei der Herstellung des Körpers und/oder danach in einem besonderen Schritt mit einem oder mehreren Dotiermitteln dotiert, so dass dem Widerstand der gewünschte Widerstandswert vermittelt wird. Irgendwie wird das Körpermaterial auch mit Fluoratomen ausgerüstet, und ferner werden elektrische Anschlüsse an dem Körper angeordnet, so dass ein vollständiges Widerstandselement erhalten wird. Die Fluoratome müssen dann in einer hohen Konzentration zugegeben werden, d.h. einer ausreichend hohen Konzentration, wie oben diskutiert. Nach der Zugabe von Fluoratomen wird das Material nur Temperaturen ausgesetzt, die so gering sind, dass keine signifikante Diffusion von Fluoratomen aus dem Körper heraus erzeugt wird, und dadurch wird die Konzentration an Fluoratomen in dem Material auf weitgehend dem gleichen hohen Wert gehalten, der bei der tatsächlichen Zugabe der Fluoratome erzielt wurde. Diese Temperaturen sollten maximal 800°C betragen und insbesondere weniger als 750°C.
Wenn die Dotierung mit einem Dotiermittel durch Ionenimplantation durchgeführt wird und wenn die Fluoratome anschliessend ebenfalls durch Ionenimplantation zugegeben werden, wird eine Temperung zur Erzielung der oben erwähnten Heilung bei einer ersten Temperatur nach dem Implantieren des Dotiermittels und vor dem Implantieren von Fluoratomen durchgeführt. Eine getrennte Temperung wird dann bei einer zweiten Temperatur nach dem Implantieren von Fluoratomen durchgeführt, und die zweite Temperatur sollte signifikant niedriger sein als die erste, damit keine signifikante Diffusion von Fluoratomen aus dem Widerstandskörper hervorgerufen wird. Die zweite Temperatur kann gemäss der obigen Diskussion maximal 800°C oder weniger betragen, insbesondere maximal 750°C oder weniger. Zur Erzeugung einer ausreichenden Heilung von Implantationsschäden sollte sie in vielen Fällen mindestens 650°C oder mehr betragen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
Die Erfindung wird nachfolgend detailliert anhand von nichtbeschränkenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin
1 ein schematisches Bild eines Querschnitts eines aus polykristallinem Silicium hergestellten Widerstands darstellt, worin mögliche äussere Schichten, die z.B. andere integrierten Komponenten enthalten, und Passivierungsschichten weggelassen sind,
2 eine Ansicht eines Widerstands in Aufsicht zeigt, wobei ein Teil einer mit Fluor dotierten Fläche stark vergrössert dargestellt ist,
3 ein Graph ist, der den relativen Widerstand während eines Langzeittests bei 98°C von Widerständen zeigt, die aus polykristallinem Silicium mit Bordotierung und ohne und mit einer Zugabe von Fluor und mit einer einzigen Temperung hergestellt wurden,
4 ein Graph ist, der zeigt, wie der Widerstandswert der Polysiliciumwiderstände von der Zugabe von Fluor und den Temperungstemperaturen abhängt,
5a und 5b Graphen sind, die die Verteilung von Boratomen und Fluoratomen in einer Polysiliciumschicht darstellen, die unter Zugabe von Fluor und durch Temperung in verschiedener Weise hergestellt wurden,
6 ein Graph ist, der zeigt, wie der Widerstand von Polysiliciumschichten mit unterschiedlichen Fluorzugabemengen, die einer einzelnen Temperung bei der üblichen hohen Verarbeitungstemperaturen unterworfen wurde, von in das Material diffundiertem Wasserstoff abhängt,
7 ein Graph ist, der zeigt, wie der Widerstand von Polysiliciumschichten mit unterschiedlichen Fluorzugabemengen, die zwei getrennten Temperungsschritten unterworfen wurden, von in das Material diffundiertem Wasserstoff abhängt,
8 ein Graph ist, der den relativen Widerstand während eines Langzeittests bei 98°C von Widerständen zeigt, die aus polykristallinem Silicium mit Bordotierung und ohne und mit Zugabe von Fluor hergestellt wurden, wobei die Widerstände mit Zugabe von Fluor zwei Temperungsbehandlungen unterworfen wurden, einer bei 1.000°C für 30 Minuten direkt nach der Implantierung von Bor und einer bei 700°C für 30 Minuten direkt nach dem Implantieren von Fluor,
9 ein Graph ist, der den relativen Widerstand während eines Langzeittests bei 98°C von Widerständen zeigt, an die eine elektrische Spannung angelegt ist, die hergestellt wurden aus polykristallinem Silicium mit Bordotierung und ohne und mit Zugabe von Fluor, wobei die Widerstände mit Fluorzugabe zwei Temperungsschritten unterworfen wurden, einem bei 1.000°C für 30 Minuten direkt nach dem Implantieren von Bor und einem bei 700°C für 30 Minuten direkt nach dem Implantieren von Fluor,
10 ein Graph ist, der den relativen Widerstand während eines Langzeittests bei 150°C von Widerständen zeigt, die aus polykristallinem Silicium mit Bordotierung und ohne und mit Zugabe von Fluor hergestellt wurden, wobei die Widerstände mit Zugabe von Fluor zwei Temperungsbehandlungen unterworfen wurden, einer bei 1.000°C für 30 Minuten direkt nach der Implantierung von Bor und einer bei 700°C für 30 Minuten direkt nach dem Implantieren von Fluor,
11 ein Graph ist, der den relativen Widerstand während eines Langzeittests bei 150°C von Widerständen zeigt, an die eine elektrische Spannung angelegt ist, die hergestellt wurden aus polykristallinem Silicium mit Bordotierung und ohne und mit Zugabe von Fluor, wobei die Widerstände mit Fluorzugabe zwei Temperungsschritten unterworfen wurden, einem bei 1.000°C für 30 Minuten direkt nach dem Implantieren von Bor und einem bei 700°C für 30 Minuten direkt nach dem Implantieren von Fluor.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN:
In 1 ist ein Beispiel für einen Querschnitt durch einen Polysiliciumwiderstand gezeigt. Er wurde gebildet aus einer Trägerstruktur (1), die integrierte Komponenten enthalten kann, und auf ihrer Oberseite eine Isolierschicht (3) aus Siliciumoxid aufweist, die beispielsweise ein Oxid ist, das durch thermisches Wachstum erzeugt werden kann, aber das natürlich auch abgeschiedenes Oxid sein kann. In der dargestellten Ausführungsform ist auf der Unterseite der Trägerstruktur (1) ein Siliciumsubstrat (5), z.B. ein monokristalliner Siliciumchip, bereitgestellt, auf der Oberseite des Substrats (5) eine Siliciumsubstratzone (7) mit unterschiedlichen Bereichen, in denen verschiedene Substanzen in das Material diffundiert sind, auf der Oberseite der Substratzone eine Schichtstruktur (9), die dielektrische Materialien und Polysilicium umfasst, und als oberste Struktur die Oxidschicht (3). Auf der Oxidschicht (3) ist die Plattform oder "Mesa" (11) lokalisiert, die den Widerstandskörper darstellt und die in der Aufsicht beispielsweise eine rechtwinklige Form aufweist, siehe auch die Aufsicht auf den Widerstandskörper in 2. Der Widerstandskörper (11) umfasst einen inneren oder intermediären Bereich (13), was der Bereich ist, der den Widerstandswert des Widerstands liefert oder bestimmt, und Aussenbereiche (15) zur elektrischen Kontaktbildung, die sehr hoch dotiert sein können und dadurch einen ziemlich niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen.
Die obere Oberfläche des Agglomerats aus der Trägerstruktur (1) und dem Widerstandskörper (11) ist durch eine Siliciumoxidschicht (17) und darüber einer Siliciumnitridschicht (19) bedeckt, es ist jedoch auch möglich, auf der Oberseite des Agglomerats weitere Schichten anzuordnen, die passive oder aktive elektrische und elektronische Bauteile umfassen. Eine nicht gezeigte Passivierungsschicht, die aus entweder Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid oder beidem besteht, kann in jedem Fall auf der Oberseite angeordnet sein. Durch die Oxidschicht (17) und die Siliciumnitridschicht (19) werden Löcher (21) bis auf die obere Oberfläche der Kontaktbereiche (15) erzeugt. Auf der Oberfläche der Kontaktflächen (15) innerhalb der Bereiche (23) der Löcher (21) werden zur weiteren Verbesserung des elektrischen Kontakts mit den elektrischen Leitungen Aluminiumleitungen (25) zur elektrischen Verbindung des Widerstands bereitgestellt. Die Bereiche (23) können elektrisch leitende Diffusionsbarriereschichten umfassen, einschliesslich z.B. Titan oder irgendeiner Titanverbindung, die aus einer aufgebrachten Schicht in das Material eindiffundiert ist.
Die Herstellung von Polysiliciumwideständen in einer herkömmlichen Weise wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein detailliertes Beispiel beschrieben, siehe das oben genannte US-Patentdokument. Der Widerstandswert des Widerstands wird durch Dotierung mit Bor bestimmt.
BEISPIEL 1
Polykristalline Siliciumschichten mit einer Dicke von 5.500 Å wurden nach dem bekannten CVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidung) auf thermisches Siliciumdioxid mit einer Dicke von 9.000 Å abgeschieden. Auf der Polysiliciumschicht wurde Siliciumdioxid in einer Dicke von etwa 5.500 Å mittels CVD abgeschieden. Danach wurde unter anderem zur Definierung der Korngrösse des Polysiliciums für 30 Minuten eine Temperung bei 1.050°C durchgeführt. Die Polysiliciumoberfläche wurde zur Entfernung von Sauerstoff geätzt, wonach Bor bei einer Energie von 80 keV in einer Konzentration in der Schicht von 9,4 × 10¹⁸/cm^–3 implantiert wurde. Daraufhin wurde eine lithografisch definierte Maske auf das Polysilicium aufgebracht, und die Widerstände durch Ätzen hergestellt. Anschliessend wurde Siliciumdioxid in einer Dicke von 6.500 Å bei 400°C mittels CVD abgeschieden, gefolgt von einer Temperung bei 1.000°C für etwa 45 Minuten. Diesem folgte ein Verarbeitungsschema, das im technischen Bereich der Herstellung von integrierten Schaltkreisen üblich ist, umfassend das Ätzen von Kontaktlöchern, die Metallisierung, die lithografische Definierung von Leiterbahnen, Legierungsbildung in Wasserstoff bei 420°C für 20 Minuten und Passivierung mit einer Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von 9.000 Å. Das Nitrid wurde mittels plasmaaktivierter CVD (PECVD) hergestellt. Die polykristalline Schicht in den Widerständen wies einen Widerstandswert von 605 Ohm/rechtwinkligem Körper auf.
Die Widerstände wurden in hermetisch geschlossenen Keramikkapseln montiert und anschliessend beschleunigten Tests bei 98°C und 150°C für einen Zeitraum von 1.000 Stunden unterworfen, beide sowohl ohne als auch mit angelegter Spannung von 30 V, wobei die Widerstandswerte bei Umgebungstemperatur nach 0, 168, 500 und 1.000 Stunden gemessen wurden. Die Ergebnisse sind als relative Widerstandswertkurve für X = 0 in den Diagrammen der 3 und 8–10 dargestellt. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, kann der Widerstandswert der Widerstände im Vergleich zu dem Widerstandswert zum Testbeginn um bis zu 2% zunehmen. Eine Veränderung in dieser Grössenordnung übersteigt die maximale Veränderung, die für analoge Widerstände in kritischen Anwendungen zulässig ist. Das Beispiel illustriert daher das oben beschriebene Problem, dass polykristallines Silicium, das nur mit Bor dotiert wurde, keine ausreichend stabilen Widerstände liefert.
Wie oben diskutiert, ist der Grund für die Veränderung des Widerstandswerts in einem Zusammenhang mit den ungesättigten Bindungen zu suchen, die in den Korngrenzen des polykristallinen Materials vorhanden sind. Zur Verringerung dieser Veränderungen müssen die ungesättigten Bindungen in den Korngrenzen in mehr oder weniger dauerhafter Weise blockiert werden, beispielsweise indem dafür gesorgt wird, dass die ungesättigten Bindungen in ausreichend hohem Ausmass durch Atome geeigneter Art, wie beispielsweise Fluoratome, blockiert werden, die ausreichend stark an die Siliciumatome in den Korngrenzen gebunden werden und dieses in jedem Fall in stärkerem Masse tun als Wasserstoffatome.
In 2 ist daher eine stark vergrösserte Teilansicht eines sehr schematischen Bildes eines kleinen Bereichs eines Polysiliciumwiderstands dargestellt, dem Fluoratome zugegeben wurden. Daraus ist ersichtlich, wie Akzeptoratome (A), Fluoratome (F), Ladungsübertragungsfallen (T) und mögliche Wasserstoffatome (H) innerhalb der Körner (31) und in den Korngrenzen (33) verteilt sind. Fluoratome und Wasserstoffatome sind also vorzugsweise in den Korngrenzen lokalisiert.
Nachfolgend wird ein detailliertes Beispiel bezüglich eines Polysiliciumwiderstands geliefert, dem Fluoratome zugegeben wurden.
BEISPIEL 2
In polykristalline Siliciumschichten, die gemäss Beispiel 1 hergestellt wurden, wurde Bor bei 80 keV in einer Konzentration in der Schicht von 9,4 × 10¹⁸ cm^–3 implantiert, und dann bei einer ersten Gruppe von Schichten Fluor in einer Konzentration von 1,9 × 10¹⁹ cm^–3 und bei einer zweiten Gruppe von Schichten in einer Konzentration von 1,9 × 10²⁰ cm^–3 bei 120 keV. Nach den Implantierungen wurden die Schichten in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 verarbeitet. Die Temperung bei 1.000°C wurde daher so durchgeführt, dass sie sowohl die Implantierungen mit Bor als auch mit Fluor beeinflussten. Aus den erhaltenen Polysiliciumschichten wurden gemäss Beispiel 1 Widerstände hergestellt. Die polykristalline Schicht in den Widerständen war vom P-Typ und wies einen Widerstandswert von 610 bzw. 565 Ohm/rechtwinkligem Widerstandskörper auf.
Die Widerstände wurden in keramischen Kapseln montiert und anschliessend beschleunigten Belastungstests bei 98°C und 150°C über einen Zeitraum von 1.000 Stunden unterworfen, wobei die Widerstandswerte bei Umgebungstemperatur nach 0, 168, 500 und 1.000 Stunden gemessen wurden. Das Ergebnis für 98°C ist in den beiden unteren Kurven in 3 gezeigt. Die Figur ist ein Graph, der den relativen Widerstandswert bei beschleunigten Belastungstests bei 98°C für eine elektrische Spannung von 30 V über 200 μm lange und 20 μm breite Widerstände zeigt, die aus polykristallinem Silicium gemäss Beispiel 1 (obere Kurve) und Beispiel 2 (untere Kurven) hergestellt wurden. Aus 3 ist ersichtlich, dass der Widerstandswert der mit Fluor dotierten Widerstände weitgehend in gleicher Weise zunahm wie der Widerstandswert der Widerstände, die nicht mit Fluor dotiert wurden, wobei nur eine geringe Verringerung der Veränderung des Widerstandswerts auftrat. Diese Tatsache ist auf die hohe Temperungstemperatur von 1.000°C zurückzuführen, und die Kurven zeigen die Bedeutung der Art und Weise, in der die Temperung durchgeführt wird. Zur Erzielung einer erhöhten Stabilität müssen die Fluoratome in ihren Positionen in den Korngrenzen verbleiben und dürfen nicht in wesentlichem Ausmass während der Herstellungsschritte, die ihrer Zugabe zu dem Material folgen, verdrängt werden. Die in den obigen Beispielen verwendete hohe Temperatur, die auch üblicherweise in Herstellungsschritten nach der Implantierung verwendet wird, wird im allgemeinen als notwendig angesehen, damit Störungen des Kristallgitters, die bei der Ionenimplantierung auftreten, beseitigt werden. Eine zu hohe Temperatur führt jedoch dazu, dass die Bindung zwischen Fluor und Silicium aufgebrochen wird und die Fluoratome aus dem Material hinaus und davon weg diffundieren.
Die Temperungstemperaturen nach der Zugabe von Fluor müssen daher so angepasst werden, dass sie zur Erzielung einer ausreichenden Heilung möglicher Schädigungen, die bei dem Implantierungsbetrieb auftreten, erreicht werden kann, aber nicht so hoch, dass die Fluoratome die Korngrenzen verlassen können. Ein Verfahren, wie dieses erreicht werden kann, ist, dass die Temperung nach der Implantierung von Fluor in einem getrennten Schritt bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt wird und daher nicht mit z.B. den vorhergehenden Temperungsschritten kombiniert wird, die zur Heilung von Kristallgitterschädigungen, die bei der Zugabe von Dotiermitteln zur Erzielung der beabsichtigten Widerstandswerte und zur Aktivierung der Dotiermittel erforderlich sind, hervorgerufen werden.
Ein Beispiel des Herstellungsverfahrens, das niedrigere Verarbeitungstemperaturen nach der Zugabe von Fluor umfasst, wird nachfolgend detailliert beschrieben.
BEISPIEL 3
Auf polykristallinen Kristallschichten, die gemäss Beispiel 1 hergestellt wurden, wurde bei 80 keV Bor in einer Konzentration in der Schicht von 9,4 × 10¹⁸ cm^–3 implantiert. Auf den Polysiliciumschichten wurde Siliciumdioxid in einer Dicke von etwa 5.500 Å mittels CVD abgeschieden. Die Schichten wurden dann für 30 Minuten bei 1.000°C getempert. Die Polysiliciumoberfläche wurde zur Entfernung von Oxid geätzt, woraufhin Fluor bei einer Energie von 120 keV in einem Bereich von (0 – 9,4)·10¹⁹ cm^–3 in die Schichten implantiert wurde. Danach wurde eine lithografisch definierte Maske auf das Polysilicium aufgebracht und es wurden Widerstände geätzt. Danach wurde Siliciumdioxid mit einer Dicke von 6.500 Å mittels CVD bei 400°C abgeschieden, gefolgt von einer Temperung von 30 Minuten bei 700°C. Diesem folgte ein in dem vorliegenden technischen Bereich normaler Prozessablauf, umfassend das Ätzen von Kontaktlöchern, Metallisierung, lithografische Definierung der Leiterbahnen, Legierung in Wasserstoffgas bei 420°C für 20 Minuten und Passivierung mit einer Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von 9.000 Å. Das Nitrid wurde mittels plasmaaktivierter CVD hergestellt. Die polykristalline Schicht in den Widerständen wies einen Widerstandswert von 650–700 Ohm/rechtwinkligem Widerstandskörper auf.
Die Widerstände wurden in keramischen Kapseln montiert und anschliessend Alterungstests und beschleunigten Belastungstests bei 98 und 150°C über einen Zeitraum von 1.000 Stunden unterworfen, wobei die Widerstandswerte bei Umgebungstemperatur nach 0, 168, 500 und 1.000 Stunden gemessen wurden. Die Widerstandswerte sind aus den Graphen der 8 bis 11 ersichtlich, worin die als durchgehende Linie gezeigte Kurve den Widerstandswert einer Probe ohne zugegebenes Fluor zeigt, d.h. einer Probe, die gemäss Beispiel 1 hergestellt wurde. Die Widerstände waren wie oben 200 μm lang und 20 μm breit. Die Werte in den 8 und 10 wurden ohne jegliche elektrische Vorspannung der Widerstände und bei 98 bzw. 150°C erhalten, wohingegen die Werte der 9 und 11 bei 98 bzw. 150°C erhalten wurden, jedoch mit einer an die Widerstände angelegten elektrischen Spannung von 30 V. Wie aus den Kurven der 8 bis 11 ersichtlich ist, nahm der Widerstandswert der Widerstände, die mit Fluor dotiert waren, in denen die Fluorkonzentration zweimal so gross war wie die Borkonzentration, um etwa die halbe Widerstandsveränderung derjenigen Widerstände zu, die nicht mit Fluor dotiert wurden. Wenn die Fluorkonzentration auf mehr als das 5-fache der Borkonzentration angehoben wurde, wurde eine weitere starke Verbesserung erzielt. Das zeigt die Stabilisierungswirkung, die erzielt wird, wenn die Widerstände nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Da Wasserstoff beispielsweise in Passivierungsschichten aus Siliciumnitrid eingeschlossen ist, die nicht mittels Plasma-CVD hergestellt werden, ist es ferner wichtig, dass die hergestellten Schichten ihren Widerstandswert nicht verändern, wenn sie direkt einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt werden. Eine Anzahl von Schichten, die gemäss den obigen unterschiedlichen Beispielen hergestellt wurden, wurden daher zur Durchführung eines beschleunigten Wasserstofftests für 20 Minuten bei 420°C einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt, die aus mit 90% Stickstoffgas vermischten 10 Vol.%-igem Wasserstoffgas bestand. Der elektrische Widerstand wurde vor und nach der Behandlung mit dem Wasserstoffgas gemessen, und die gemessene Veränderung des Widerstands im Verhältnis zu dem Widerstandswert zu Beginn des Tests wurde berechnet. Die Umkehrbarkeit der Wasserstoffbindung wurde durch anschliessende Behandlung in reinem Stickstoffgas bei 510°C verifiziert.
Die gemessenen Widerstandswerte sind in 7 gezeigt, die einen Graphen darstellt, in dem entlang der vertikalen Achse der relative Widerstand aufgetragen ist, während entlang der horizontalen Achse verschiedene Fälle aufgetragen sind. Auf der linken Seite sind Werte angegeben, die ohne jede Behandlung mit Wasserstoffgas erhalten wurden, in der Mitte sind Werte für Widerstände gezeigt, die einer Behandlung mit einer Mischung aus Wasserstoffgas und Stickstoffgas unterworfen wurden und auf der rechten Seite sind Werte gezeigt, die für Widerstände erhalten wurden, die zunächst einer Behandlung mit einer solchen Gasmischung und schliesslich mit reinem Stickstoffgas unterworfen wurden. Die Widerstände wurden gemäss den Beispielen 1 und 3 hergestellt. Die grösste Veränderung wurde in den Schichten gefunden, die gemäss Beispiel 1 hergestellt wurden, d.h. ohne Zugabe von Fluor. Das ist in 7 durch die gepunktete Linie "nur Bor" dargestellt. Die anderen Kurven zeigen die relativen Widerstandswerte für Schichten, die mit Fluor bis zu einer Konzentration von 1,9 × 10¹⁹ cm^–3 dotiert und anschliessend getrennt bei unterschiedlichen Temperaturen gemäss Beispiel 3 getempert wurden. Es kann beobachtet werden, wie die Wasserstoffempfindlichkeit kontinuierlich mit der Temperungstemperatur abnimmt. Der untere Grenzwert für die Temperungstemperatur wird durch andere Gründe bestimmt, die mit dem Erfordernis einer mehr oder weniger perfekten oder weitgehend perfekten Kristallstruktur in Verbindung stehen, wie in 4 dargestellt, siehe ferner die nachfolgende Diskussion.
In 6 sind relative Widerstandswerte für eine Polysiliciumschicht gemäss Beispiel 1 und für Schichten gemäss Beispiel 2 gezeigt, die mit Fluor dotiert wurden, bei denen jedoch die Temperungstemperaturen nach dem Dotieren mit Fluor mit 1.000–1.100°C hoch waren. Die Schichten wurden alternierenden Behandlungen mit einer Mischung aus Wasserstoffgas und Stickstoffgas und nur Stickstoffgas ausgesetzt. Jede Kurve in der Figur stellt eine Fluorkonzentration im Intervall von 0 – 1,9 × 10²⁰ cm^–3 dar. Die Wasserstoffempfindlichkeit des Materials in diesem Fall ist etwa die gleiche für sowohl niedrige als auch sehr hohe Fluorkonzentrationen. Aus den Messungen und den nachfolgenden Diskussionen ist ersichtlich, dass dieser Effekt von der Tatsache abhängt, dass die hohen Temperaturen, die im Temperungsschritt angewandt werden, dazu führen, dass die Fluoratome aus den Korngrenzen ausgetrieben werden.
4 zeigt in Form eines Graphen den Einfluss der Temperung auf den Widerstandswert der Polysiliciumwiderstände, wobei die vertikale Achse den Widerstandswert des hergestellten Rechtecks oder Plättchens darstellt. Die Widerstandswerte sind als vertikale Linien dargestellt, deren Zentralpunkte den Durchschnittswert der Widerstandswerte der hergestellten Widerstände angeben und deren Längen die Verteilung der Widerstandswerte zeigen. Die oberen und unteren Enden der vertikalen Linien geben somit maximale bzw. minimale Werte an. Die Widerstände wurden gemäss den Beispielen für verschiedene Temperungsprozeduren hergestellt, die als getrennte Schritte (durch "&"-Zeichen gekennzeichnet) bzw. kombinierte Schritte (durch "+" gekennzeichnet) bei Temperaturen entsprechend der Beschreibung auf der unteren Seite des Graphen durchgeführt wurden. Bor wurde in einer Konzentration von 9,4 × 10¹⁸ cm^–3 zugegeben.
Der erste Punkt bei einem Widerstand von etwa 700 Ohm wurde erhalten durch zunächst Implantieren von Bor, dann Implantieren von Fluor und anschliessende Temperung bei 1.000°C. Der zweite Punkt, für den der Widerstandswert etwa 900 Ohm beträgt wurde erhalten durch Implantierung von nur Bor und anschliessende Temperung bei 1.000°C. Der dritte Punkt mit einem Widerstandswert von etwas oberhalb von 1.300 Ohm wurde erhalten durch zunächst Implantieren von Bor, anschliessende Temperung bei 1.000°C, nachfolgende Implantierung von Fluor und schliesslich Temperung bei einer niedrigen Temperatur von 600°C. Der vierte Punkt mit einem Widerstandswert von etwas unterhalb von 1.000 Ohm wurde in der gleichen Weise wie beim dritten Punkt erhalten, ausser dass die letzte Temperung bei einer höheren Temperatur von 700°C durchgeführt wurde. Der fünfte Punkt schliesslich zeigt einen Widerstandswert von etwas unterhalb 1.000 Ohm und wurde erhalten durch Implantieren von nur Bor und anschliessend erste Temperung bei 1.000°C und dann Temperung bei 700°C. Die Temperungsschritte wurden wie in den obigen Beispielen für einen Zeitraum von 30 Minuten durchgeführt.
Folglich ist aus dem dritten Punkt ersichtlich, dass getrennte Temperungsprozessschritte direkt nach der Implantierung von Bor bzw. Fluor, die eine niedrige Temperatur des Temperungsbetriebs nach der Implantierung von Fluor umfassen, zu sowohl einer starken Zunahme des Widerstands als auch einer starken Streuung der Widerstandswerte führt. Das hängt möglicherweise von Schädigungen der Struktur des Polysiliciums ab, die während der Implantierung erzeugt werden. Für eine etwas höhere Temperatur des Temperungsschrittes wird jedoch eine sehr gute Heilung der Schäden erzielt und umfasst eine geringe Streuung der Widerstandswerte, wie aus Punkt 4 ersichtlich ist. Ein Vergleich der Punkte 4 und 5 zeigt ferner, dass die Zugabe von Fluor den Widerstandswert nicht beeinträchtigt, da für diese beiden Punkte identische Temperungsschritte durchgeführt wurden. Ein bevorzugtes Intervall für die Temperung zur Heilung von Schäden nach der Implantierung von Fluor liegt zwischen 650 und 800°C, insbesondere zwischen 650 und 750°C.
Die 5a und 5b zeigen in der durchgezogenen Kurve die Verteilung der Konzentration der Boratome und in der gepunkteten Kurve die Konzentration der Fluoratome als Funktion des Abstands (d) von der grossen Oberfläche eines Widerstandskörpers, d.h. in Dickenrichtung, aus einer Polysiliciumschicht, die weitgehend gemäss den Beispielen 2 bzw. 3 hergestellt wurden, für bestimmte Werte für die Implantierung und die Temperung der Fluoratome, wie aus dem Text des Graphen ersichtlich ist. Die Kurven wurden durch Sekundärionen-massenspektrometrische Analyse (SIMS) der Schicht erhalten. Ein Vergleich der Figuren gibt an, wie gemäss 5a Fluor die Polysiliciumschicht verlässt, wenn die Temperung bei 1.000°C nach Durchführung der Implantierung von sowohl Bor als auch Fluor durchgeführt wird und wie gemäss 5b das Fluor in der Schicht verbleibt, wenn die Temperung nach der Implantierung von Bor und vor der Implantierung von Fluor bei 1.000°C und nach der Implantierung von Fluor bei 700°C durchgeführt wird. Im erstgenannten Fall nimmt die Fluorkonzentration von einer hohen Konzentration von 1,9 × 10²⁰ cm^–3 auf höchstens etwas mehr als 1 × 10¹⁸ cm^–3 nach der Temperung ab, wobei dieser Wert nur für das Zentrum des Widerstands in seiner Dickenrichtung gültig ist. An der oberen und unteren Oberfläche des Widerstands liegen noch geringere Konzentrationen vor. Im zweiten Fall wird die hohe Fluorkonzentration im Zentralbereich des Materials beibehalten, wie in der Dickenrichtung gesehen werden kann. An der oberen und unteren Oberfläche hat eine gewisse Diffusion von Fluoratomen aus dem Material stattgefunden. Die obere Oberfläche der Polysiliciumschicht in den Figuren wird als bei d = 0 lokalisiert angenommen, und die Grenzoberfläche zwischen der Polysiliciumschicht und dem unter der Schicht lokalisierten Oxid bei d = 530 nm.
Die oben beschriebenen Verfahren sind nicht auf die Dotiermittel beschränkt, die in dem obigen Beispiel angegeben wurden, d.h. den Akzeptor Bor. Tatsache ist, dass anscheinend ähnliche Ergebnisse für Dotiermittel herkömmlich verwendeter Art erhalten werden, wie beispielsweise für alle Akzeptoren Bor, Aluminium, Gallium und Indium, wenn sie alleine oder in Kombination miteinander verwendet werden, und für alle Donoren Phosphor, Arsen bzw. Antimon, wenn sie alleine oder in Kombination miteinander verwendet werden. Entsprechend können einer oder mehrere der genannten Akzeptoren mit einem oder mehreren der genannten Donoren kombiniert werden. Dabei ist es nicht kritisch, in welcher Reihenfolge die Donor- und die Akzeptoratome zu dem Material zugegeben werden. Ferner ist es auch nicht kritisch, in welchem Verarbeitungsschritt die Fluoratome zu dem polykristallinen Material zugegeben werden, solange die anschliessenden Verarbeitungstemperaturen so niedrig gehalten werden, dass die Fluorkonzentration, die für die Stabilität optimal ist, in dem fertigen Widerstand aufrechterhalten wird.
Es ist wichtig, dass die minimale Fluorkonzentration ausreichend hoch gehalten wird. Die exakte Konzentration, ausgedrückt als ein Durchschnittswert über eine grosse Anzahl von Körnern, hängt unter anderem von der Korngrösse des Polysiliciummaterials ab. Als eine Daumenregel für alle Akzeptor- und Donortypen kann angegeben werden, dass die Fluorkonzentration mindestens der Konzentration entsprechen sollte, die in einem Material mit dem entsprechenden Widerstandswert erhalten würde, wenn es nur unter Verwendung von Bortrifluoridionen dotiert worden wäre. Für das gemäss Beispiel 3 erzeugte Material entspricht das beispielsweise einer Fluorkonzentration von etwa 2 × 10¹⁹ cm^–3.
Es ist nicht erforderlich, dass die verschiedenen genannten Atomarten in Form reiner Elemente verwendet werden, sondern diese können auch in Form von Verbindungen eingeschlossen werden, solange sie die Eigenschaft besitzen, dass die Moleküle dieser Verbindungen in einer solchen Weise zersetzt werden, dass die Dotiermittelatome während des Prozesses, der zur Zuführung von Dotiermittelatomen zu dem polykristallinen Siliciummaterial vorgesehen ist, in das Material eindringen können.
Die oben diskutierten Verfahren sind nicht nur mit dünnen polykristallinen Schichten in Verbindung zu bringen, sondern umfassen alle Typen von Widerständen aus polykristallinem Silicium mit einem beliebigem Widerstandswert, in denen das polykristalline Silicium mit der Absicht, eine Langzeitstabilität zu erzielen, mit Fluor dotiert wurde.
Ferner können andere Verfahren zur Durchführung des Temperungsprozesses angewandt werden als die in den Beispielen genannten. Folglich kann die bedeutsame hohe Fluorkonzentration in dem fertigen Widerstand auch in dem Fall aufrechterhalten werden, dass der Erwärmungsschritt unter Anwendung einer raschen thermischen Temperung oder eines sogenannten "Rapid Thermal Processing (RTP)"-Verfahrens durchgeführt wird.
Der Begriff Polysiliciumwiderstand ist so zu verstehen, dass er die Verwendung von polykristallinem Siliciummaterial für alle Anwendungen einschliesst, bei denen die Fähigkeit des Materials, elektrischen Strom zu leiten, signifikant durch den Widerstand des Materials gegenüber dem elektrischen Strom beeinflusst wird.
Fluor, Donor- und/oder Akzeptoratome können zu dem polykristallinen Siliciummaterial nicht nur mittels Ionenimplantation wie in den beschriebenen Beispielen zugegeben werden. Die Atome können dem Material auch durch Diffusion von Dotiermitteln in das polykristalline Material zugeführt werden. Das letztgenannte Verfahren kann durchgeführt werden durch Erwärmen des polykristallinen Siliciummaterials in einem oder mehreren Schritt(en) in Atmosphären, die ein oder mehrere Gas(e) enthalten, in deren Molekülen die gewünschten Atome eingeschlossen sind. Ein weiteres Verfahren zur Diffusion von Dotiermitteln in das Material ist die Beschichtung der Oberfläche des polykristallinen Materials mit einem Material, das die gewünschten Atome in einer solchen Konzentration enthält, dass diese Atome in einem simultanen oder anschliessenden Eintreibungs- oder Temperungsprozess in das polykristalline Material diffundieren können. In diesem Zusammenhang ist es lediglich von Bedeutung, dass die Verarbeitungstemperaturen nicht so hoch sein dürfen, das die zurückbleibende Fluorkonzentration in dem Material das minimale Niveau unterschreitet, die für die Langzeitstabilität des fertigen Widerstands optimal ist.

Claims

Widerstand, der einen Widerstandskörper (11) aus polykristallinem Silicium und auf und/oder in dem Widerstandskörper (11) angeordnete elektrische Anschlüsse (15) umfasst, und der einen Widerstandsbereich (13) zwischen den elektrischen Anschlüssen (15) umfasst, der dem Widerstand seinen Widerstandswert liefert, das polykristalline Siliciummaterial in dem Widerstandsbereich (13) ist zur Erzielung eines gewünschten Widerstandswerts des Widerstands dotiert, und das polykristalline Siliciummaterial in dem Widerstandsbereich (13) enthält Fluoratome zur Stabilisierung der Korngrenzen, mit der Massgabe, dass die Konzentration so hoch ist, dass die ansonsten ungesättigten Bindungen in den Korngrenzen in dem polykristallinen Siliciummaterial in einem so hohen Ausmass blockiert sind, dass der Widerstandswert des Widerstandsbereichs zeitlich weitgehend konstant ist, dass die Konzentration der Fluoratome in dem Material mindesten so hoch ist, wie sie in einem Material erhalten würde, das den gleichen Widerstandswert aufweist und das nur unter Verwendung von Ionen aus Bordifluorid dotiert wurde, und dass die Konzentration der Fluoratome in dem polykristallinen Material in dem Widerstandsbereich (13) mindestens 2 × 10¹⁹ cm^–3 beträgt.
Widerstand gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polykristalline Siliciummaterial des Widerstandskörpers (11) eine geheilte Struktur aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Widerstands gemäss Anspruch 1, der einen Widerstandskörper aus polykristallinem Silicium umfasst, das die folgenden Schritte umfasst: Herstellung eines Körpers, insbesondere einer Schicht, aus polykristallinem Silicium, Dotieren des Materials des Körpers bei dessen Herstellung oder danach mit mindestens einem Dotiermittel zur Erzielung eines gewünschten Widerstandswerts des Widerstands, Zugabe von Fluoratomen zu dem Körpermaterial zur Stabilisierung der Korngrenzen und Anordnung elektrischer Anschlüsse an den Körper, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoratome in einer hohen Konzentration zugegeben werden, und nach der Zugabe der Fluoratome das Körpermaterial nur Temperaturen ausgesetzt wird, die so niedrig sind, dass die Konzentration der Fluoratome in dem Material auf weitgehend dem Wert gehalten wird, der während des Zugabevorgangs erzielt wird, wobei die Temperaturen, denen das Körpermaterial nach der Zugabe der Fluoratome ausgesetzt wird, maximal 800°C, insbesondere maximal 750°C, beträgt.
Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung mit mindestens einem der Dotiermittel mittels Ionenimplantation durchgeführt wird und dass die Fluoratome danach mittels Ionenimplantation zugegeben werden, und ein Temperungsvorgang bei einer ersten Temperatur nach der Implantierung eines Dotiermittels oder von Dotiermitteln und vor der Implantierung von Fluoratomen durchgeführt, wird und dass ein getrennter Temperungsvorgang bei einer zweiten Temperatur nach der Implantierung von Fluoratomen durchgeführt wird, und die zweite Temperatur signifikant niedriger ist als die erste.
Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur maximal 800°C beträgt, insbesondere maximal 750°C, und insbesondere minimal 650°C.