JP2008515215A - SiGeRF−BiCMOS技術用の集積型SiCr金属薄膜抵抗 - Google Patents
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Abstract
本発明はSiGe RF BiCMOS技術用の集積型SiCr金属薄膜抵抗(10)を提供する。集積型SiCr薄膜抵抗(10)を使用すると実装密度が増加し、高周波で表面実装構成から引き起こされる寄生効果が低減される。本発明によれば、SiCr薄膜抵抗のシート抵抗(Rs)は、SiCr堆積条件を選択的に制御することによって、2%未満の均一性で広範囲の約400〜2500オーム/□で変えることができる。さらに、本発明に従って形成されたSiCr薄膜抵抗は、それぞれ約100ppm/℃未満及び約−0.9ppm/℃2未満のTCRの1次係数及び2次係数を有する。
Description
本発明は一般に半導体デバイスに関する。より詳細には、本発明は、SiGe RF−BiCMOS(無線周波バイポーラ相補型金属酸化膜半導体)技術用の集積型SiCr金属薄膜抵抗の形成を対象とする。
無線通信の出現及び対応する高周波のミリメートル波領域への使用の驚異的な成長は、性能を増大することだけでなく同時にパッケージ及びモジュールの大きさを減少させることへの新たな要求をもたらした。これらの要求は高周波用途用の高度に集積化されたパッケージ及びモジュール技術を必要とする。
薄膜抵抗などの集積型パッシブ要素を使用すると、高周波での表面実装寄生効果を著しく低減し、実装密度を増大し、製造性を改善することができる。これは、無線用途のシステムレベルでの集積化に必要なパッシブ要素のRF及びアナログ性能の改善を余儀なく必要とする。
将来の技術世代は、注入シリコン又はポリシリコン抵抗と比較して、高精度の固有抵抗、低いTCR(抵抗温度係数)、高い直線性、低ノイズ、及び改善された整合性をもつ集積型RF薄膜抵抗を必要とする。しかし、TaN、NiCr、及びTaSiなどの集積型金属薄膜抵抗を生成するために通常使用される材料は、シート抵抗値が150〜200オーム/□未満に制限されるという重大な欠点を有する。
本発明はSiGe RF BiCMOS技術用の集積型SiCr金属薄膜抵抗を提供する。集積型SiCr薄膜抵抗を使用すると実装密度が増加し、高周波で表面実装構造から引き起こされる寄生効果が低減される。本発明によれば、SiCr薄膜抵抗のシート抵抗はSiCr堆積条件を選択的に制御することにより2%未満の均一性で広範囲の約400〜2500オーム/□に変えることができる。さらに、本発明により形成されたSiCr薄膜抵抗は、それぞれ約100ppm/℃未満及び約−0.9ppm/℃2未満のTCRの1次係数及び2次係数を有する。
本発明の第1の態様は、SiCr金属薄膜抵抗を形成する方法であって、誘電体基板の平坦化された表面にSiCrの膜を堆積させ、前記SiCr膜をアニールし、前記SiCr膜にフォトレジストを塗布し、SiCr薄膜抵抗を画定するために単一のマスクを用いて前記フォトレジストをパターン化し、前記SiCr金属薄膜抵抗を形成するために前記SiCr膜をエッチングすることを備え、約400オーム/□よりも大きいシート抵抗を与えるように、前記SiCr膜の堆積条件及びアニール条件が選択的に制御される方法を対象とする。
本発明の第2の態様は約400オーム/□よりも大きいシート抵抗を有するSiCr金属薄膜抵抗を備える半導体構造体を対象とする。
本発明の第3の態様は、SiCr金属薄膜抵抗を形成する方法であって、誘電体基板の平坦化された表面にSiCrの膜を堆積させ、前記SiCr膜をアニールし、前記SiCr膜にフォトレジストを塗布し、SiCr薄膜抵抗を画定するために単一のマスクを用いて前記フォトレジストをパターン化し、前記SiCr金属薄膜抵抗を形成するために前記SiCr膜をエッチングすることを備え、約400〜2500オーム/□よりも大きいシート抵抗、それぞれ約100ppm/℃未満及び約−0.9ppm/℃2未満の抵抗温度係数(TCR)の1次係数及び2次係数、並びに約3、588〜13、000μΩ−cmの範囲の固有抵抗を与えるように、前記SiCr膜の堆積条件及びアニール条件が選択的に制御される方法を対象とする。
本発明のこれら特徴及び他の特徴は、添付図面とともになされた本発明の様々な態様についての以降の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
図面は単なる概略的な説明であり、本発明の特定のパラメータを表現するように意図されていないことに留意すべきである。図面は、本発明の一般的な態様だけを示すように意図されており、従って、本発明の範囲を制限するものと見なされるべきでない。
図1を参照すると、本発明の実施形態に従って生成されたSiCr金属薄膜抵抗10のSEM(走査電子顕微鏡)断面が示される。SiCr薄膜抵抗10は、例えば二酸化シリコン(SiO2)を備える高密度平坦化誘電体基板12上に形成される。SiCr薄膜抵抗10はバイア16によって上部金属レベル14に直接接続される。
本発明の実施形態に従ってSiCr薄膜抵抗10を形成する方法が図2〜図8を参照しながら示される。
図2に、バイア16によって相互接続された様々な金属層14(例えば、M2、M3)を含む高密度誘電体基板12が示される。金属層14及びバイア16は従来のフォトリソグラフィ技法を用いて形成される。誘電体基板12は、例えば高密度プラズマ(HDP)化学蒸着法(CVD)プロセスを用いて形成することができる。例えばプラズマ強化テトラエチルオルソシリケート(PETEOS)及び領域選化学蒸着法(SACVD)を含む他の適切な技法も使用することができる。
誘電体基板12はSiCr膜の堆積の前に平坦化される(図3)。平坦化は例えば既知のCMP(化学機械研磨)技法を用いて行われてもよい。その後、SiCrの膜18が誘電体基板12の平坦化された表面20に堆積される。SiCrが誘電体基板12の平坦化された表面20に堆積されるので、後のステップのSiCr RlE(反応性イオン・エッチング)プロセス・ウィンドウが改善される。
SiCr膜18は、アルゴン/酸素ガス中でSiCrターゲット21(擬似的に示される)のPVD(物理蒸着法)を用いて誘電体基板12の平坦化された表面20に堆積される。高い固有抵抗及び低いTCRを得るために、Si含有量がターゲット21中で高くされ、Crとともに使用され、例えば72重量%のSiと28重量%のCrである。SiCr膜18の堆積速度は、堆積中に使用されるRF電力、ガス流量、及びチャンバ圧力に応じて変えることができる。SiCr膜18の厚さを変えて、SiCr膜18の所望のシート抵抗値を達成することができる。次に、堆積後アニールが380〜500℃の温度範囲で行われる。
次に、図4に示されるように、SiCr薄膜抵抗を画定するために単一のマスク・ステップ使用される。これは、2つ以上のマスキング・レベルを必要とする、TaN、NiCr、及びTaSiを含む集積型金属薄膜抵抗を製作するために一般に使用される他の材料と比較して利点を提供する。フォトレジスト22の層がSiCr膜18に塗布され、単一のマスク23(擬似的に示される)を用いてパターン化される。フォトレジスト22は、例えばスピン・コーティング又は他の適切な技法を用いて塗布することができる。その結果の構造体が図4に示される。
次に、SiCr薄膜18のプラズマ・ドライ・エッチングがC12/BCl3/SF6の組み合わさった化学作用を用いて行われ、SiCr薄膜抵抗10が形成される。例えばCF4/CHF3を含む他の適切なエッチング剤化学作用も使用することができる。フォトレジスト22を取り除いた後の結果として生じた構造体が図5に示される。本発明によれば、SiCr薄膜抵抗10のシート抵抗は、SiCr堆積条件を選択的に制御することによって2%未満の均一性で広範囲の約400〜2500オーム/□で変えることができる。さらに、本発明に従って形成されたSiCr薄膜抵抗10は、それぞれ約100ppm/℃未満及び約−0.9ppm/℃2未満のTCRの1次係数及び2次係数を有する。
図6に示されるように、次に、誘電体基板12の平坦化された表面20及びSiCr薄膜抵抗10の上に(例えばHDP−CVDプロセスを用いて)更なる誘電体層24が堆積される。次に、誘電体層24は平坦化され、既知の技法を用いてパターン化される。その後、図7及び図8に示されるように、金属プラグ16が、SiCr薄膜抵抗10を、後に形成される最上部金属相互接続14に接続するために既知の対応で形成される。
実施例
SiCr堆積のDOE(実験計画)が行われた。DOEの目的は、製造可能なプロセスを確立するためにSiCrの堆積及びアニールのプロセス条件を判断することであった。SiCr膜厚は所望のシート抵抗を達成するために必要に応じて変更された。DOEは、RF電力、ガス流量、及び堆積圧力などの様々なSiCr堆積プロセス・パラメータと、それに続く様々なアニール温度を含んでいた。表1は、SiCr堆積のDOEのプロセス・ウィンドウ及び各プロセス・パラメータがどのようにSiCr膜の堆積に影響したかを表にしている。安定したSiCr堆積プロセスを維持するために、低電力、低圧力、及び適切なAr/O比が必要であることが見出された。
SiCr堆積のDOE(実験計画)が行われた。DOEの目的は、製造可能なプロセスを確立するためにSiCrの堆積及びアニールのプロセス条件を判断することであった。SiCr膜厚は所望のシート抵抗を達成するために必要に応じて変更された。DOEは、RF電力、ガス流量、及び堆積圧力などの様々なSiCr堆積プロセス・パラメータと、それに続く様々なアニール温度を含んでいた。表1は、SiCr堆積のDOEのプロセス・ウィンドウ及び各プロセス・パラメータがどのようにSiCr膜の堆積に影響したかを表にしている。安定したSiCr堆積プロセスを維持するために、低電力、低圧力、及び適切なAr/O比が必要であることが見出された。
図9及び図10は、堆積したままの及び様々な温度でアニールした後のSiCr膜のシート抵抗(Rs)のデータを示す。両方のプロセスについて、Rsはアニール温度とともに変化した。この変化は、SiCrの結晶化が熱アニールによって進められたことを示す。この結果は、堆積したままのSiCr膜は非結晶/結晶の複合体であることを実証している。熱アニール温度は、集積型パッシブ構成体で使用するための抵抗を変化させ、従って、適合性を変化させる。ハロー発生器なしで堆積されたSiCr膜では、固有抵抗は5、000〜13、000μΩ−cmの範囲で変化した。
低電力及び低圧力において、適切なAr/O流量比が安定したSiCr堆積プロセス・ウィンドウを維持するのに必要であることが見出された。酸素流量のプロセス・ウィンドウは狭いが、酸素含有量は、TCR値が低く、安定したSiCr堆積を達成するために重要なパラメータである。酸素含有量が高くなると、SiCr膜を変化させるために必要なアニール温度が高くなり、固有抵抗変化をより困難にする。SiCr堆積は高い酸素流量又は10%よりも大きい高酸素比で不安定であった。図9に示されるようなRs値と異なり、Rsは図10に示されるように熱アニールとともに増加したことに留意すべきである。2つの結果の間の違いは、低RF電力のSiCr堆積プロセスでのハロー発生器の使用に起因する。両方のSiCr堆積プロセスについて、ウェハ内の均一性がアニール後に改善された。ハロー発生器では、ウェハごとのSiCrの厚さ変化が非常に改善され、ウェハ内の均一性が4〜5%から2%未満(1シグマ)に低減された。ハロー発生器の使用が4つの点でSiCr膜に影響を及ぼし、(1)SiCr膜の均一性を改善し、(2)TCRを改善し、(3)堆積プロセスを安定にし、(4)固有抵抗を変化させたことが明らかになった。
図11は、他のすべてのSiCr堆積パラメータを変えずにそのままにして(60分間420℃でアニールされたSiCr膜)、SiCr膜堆積へのアルゴン流量の影響を要約している。図示されるように、SiCr膜のRs及び厚さはアルゴン流量とともに直線的に変化した。アルゴン流量に応じたRsと厚さとの間の相関関係は、アルゴン流量がSiCr膜の組成に影響しないことを示す。
図12は堆積RF電力に応じたRsを示す。RF電力が増加するとともに、SiCr膜のRsは1000〜2000オーム/□の範囲で減少した。このように、RF電力はSiCr膜のRsに影響する。この相関関係が、SiCrターゲットの組成を変更せずに(すなわち堆積RF電力を変えることによって)広範囲のSiCr薄膜抵抗の製作を可能にする。
SiCr膜特性へのRF堆積電力の影響を明らかにするために、堆積時間が変更され、SiCr膜厚が変えられた。図13に示されるように、SiCr膜のRsは、(ハロー発生器による堆積からのデータを用いて)様々なRF堆積電力に対して相対厚みに応じた変化した。SiCr膜の外挿された固有抵抗は、約3、588〜13、000μΩ−cmにわたっていた。低RF電力のSiCr堆積は高RF電力の堆積よりも高い固有抵抗を示した。このデータは、RF電力がSiCr膜の組成(例えば固有抵抗)に影響することを示す。
図14は、本発明に従って製作された様々なSiCr薄膜抵抗(1.7×4μm2から9.8×400μm2の範囲)の測定された抵抗を示す。SiCr薄膜抵抗は100キロオームまでの広い範囲で幅及び長さに応じた良好な線形の抵抗変化を示す。SiCr薄膜抵抗は、注入型シリコン又はポリシリコン抵抗と比較して、低いTCR値、高い固有抵抗、非常に改善された整合性も示す。本発明に従って製作されたSiCr薄膜抵抗の電気的特性は、20ppm/Vよりも良好な電圧直線性及び100ppm/℃未満のTCRを実証した。
当技術分野で知られているように、TCRは、
で定義される。TCRは、公称抵抗値が温度でどれだけ変化しうるかに関する情報を与える。図15はアニール温度に応じたTC1とTC2を示す。図15で分かるように、アニール温度が高くなるとともにその範囲にわたってTC1は直線的に増加し、TC2は減少する。アニール処理を400℃から450℃に増加させると、TC1は400℃の103ppm/℃2から450℃の126ppm/℃に変化し、TC2は−0.99から−1.04ppm/℃2に変化した。従って、アニール温度が低いほどTCR値が良好である。最適のTCRは約400℃の温度で達成された。Rsもアニール温度に応じた増加する。SiCr膜の電気的特性の変化に寄与すると考えられる要因には膜の酸化及び及び複合物が含まれる。アニール処理は膜を酸化させ、非結晶及び結晶の複合物を変化させる。400℃のアニール処理はSiCr抵抗を4%未満だけ増加させた。温度変化に関するSiCr膜の安定性が無線用途には望ましい。
図16は、温度(−50℃から150℃)に応じた正規化されたSiCr TCRをポリシリコン抵抗と比較する。SiCr膜のデータは9.8×400μmSiCr薄膜抵抗から取られ、SiCr薄膜抵抗は最適化PVD堆積条件で本発明に従って製作された。図16に示されるように、アニール温度は、TCRを制御し、SiCr薄膜抵抗を安定化させるための重要な要因である。SiCr薄膜抵抗は正の線形係数TC1を有するが、ポリシリコン抵抗は負の係数TC1を有する。
図17は、バイアスに応じたSiCr抵抗とポリシリコン抵抗の正規化抵抗を示す。バイアス電圧は−10〜10Vの範囲で変えられ、SiCrデータはまた9.8×400μmSiCr薄膜抵抗から取られた。電気的特性が表2に要約され、本発明に従って生成されたSiCr薄膜抵抗はポリシリコン抵抗に対して電気的特性が非常に改善されたことを実証していることが明確に示されている。
要約すると、本発明を用いて、以下の特性を有するSiCr薄膜抵抗を生成することができることを見出した。
1)400〜2500オーム/□の広いRs範囲及び3、588〜13、000μΩ−cmの高い固有抵抗範囲
2)低いTCR値、<100ppm/℃のTC1及び−0.9ppm/℃2のTC2
3)堆積/アニール条件を制御することによって所望の固有抵抗及びTCRを得ることができる/調節することができる。
1)400〜2500オーム/□の広いRs範囲及び3、588〜13、000μΩ−cmの高い固有抵抗範囲
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本発明の様々な態様についての上記の説明は例示及び説明の目的のために提示された。網羅的であること又は本発明を開示された厳密な形態に限定することは意図されておらず、明らかに多くの変更及び変形が可能である。当業者に明白かもしれないそのような変更及び変形は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲内に含まれることが意図される。
Claims (18)
- SiCr金属薄膜抵抗を形成する方法であって、
誘電体基板の平坦化された表面にSiCrの膜を堆積させ、
前記SiCr膜をアニールし、
前記SiCr膜にフォトレジストを塗布し、
SiCr薄膜抵抗を画定するために単一のマスクを用いて前記フォトレジストをパターン化し、
前記SiCr金属薄膜抵抗を形成するために前記SiCr膜をエッチングすることを備え、
約400オーム/□よりも大きいシート抵抗を与えるように、前記SiCr膜の堆積条件及びアニール条件が選択的に制御される方法。 - 前記SiCr金属薄膜抵抗上に更なる誘電体層を堆積させ、
前記更なる誘電体層の表面を平坦化させ、
前記SiCr金属薄膜抵抗から前記更なる誘電体層の表面まで導電性バイアを形成することをさらに備える、請求項1に記載の方法。 - 約400〜2500オーム/□の範囲のシート抵抗を与えるように前記SiCr膜の前記堆積条件及び前記アニール条件を選択的に制御することをさらに備える、請求項1に記載の方法。
- それぞれ約100ppm/℃未満及び約−0.9ppm/℃2未満の抵抗温度係数(TCR)の1次係数及び2次係数を与えるように前記SiCr膜の前記堆積条件及び前記アニール条件を選択的に制御することをさらに備える、請求項1に記載の方法。
- 約3、588〜13、000μΩ−cmの範囲の固有抵抗を与えるように前記SiCr膜の前記堆積条件及び前記アニール条件を選択的に制御することをさらに備える、請求項1に記載の方法。
- 前記堆積条件が堆積中の堆積電力、チャンバ圧力、及びガス流量を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記アニール条件がアニール温度を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記SiCr膜の厚さを変えるように堆積条件を選択的に制御することをさらに備える、請求項1に記載の方法。
- 前記SiCrの膜がアルゴン/酸素ガス中でSiCrターゲットを用いて前記誘電体基板の前記平坦化された表面に堆積させられ、前記SiCrターゲットが約72重量%のSi及び28重量%のCrを備える、請求項1に記載の方法。
- 約400オーム/□よりも大きいシート抵抗を有するSiCr金属薄膜抵抗を備える半導体構造体。
- 前記SiCr金属薄膜抵抗が、それぞれ約100ppm/℃未満及び約−0.9ppm/℃2未満の抵抗温度係数(TCR)の1次係数及び2次係数を有する、請求項10に記載の半導体構造体。
- 前記SiCr金属薄膜抵抗が約400〜2500オーム/□の範囲のシート抵抗を有する、請求項10に記載の半導体構造体。
- 前記SiCr金属薄膜抵抗が約3、588〜13、000μΩ−cmの範囲の固有抵抗を有する、請求項10に記載の半導体構造体。
- SiCr金属薄膜抵抗を形成する方法であって、
誘電体基板の平坦化された表面にSiCrの膜を堆積させ、
前記SiCr膜をアニールし、
前記SiCr膜にフォトレジストを塗布し、
SiCr薄膜抵抗を画定するために単一のマスクを用いて前記フォトレジストをパターン化し、
前記SiCr金属薄膜抵抗を形成するために前記SiCr膜をエッチングすることを備え、
約400〜2500オーム/□よりも大きいシート抵抗、それぞれ約100ppm/℃未満及び約−0.9ppm/℃2未満の抵抗温度係数(TCR)の1次係数及び2次係数、並びに約3、588〜13、000μΩ−cmの範囲の固有抵抗を与えるように、前記SiCr膜の堆積条件及びアニール条件が選択的に制御される方法。 - 前記堆積条件が堆積中の堆積電力、チャンバ圧力、及びガス流量を備える、請求項14に記載の方法。
- 前記アニール条件がアニール温度を備える、請求項14に記載の方法。
- 前記SiCr膜の厚さを変えるように堆積条件を選択的に制御することをさらに備える、請求項14に記載の方法。
- 前記SiCrの膜がアルゴン/酸素ガス中でSiCrターゲットを用いて前記誘電体基板の前記平坦化された表面に堆積させられ、前記SiCrターゲットが約72重量%のSi及び28重量%のCrを備える、請求項14に記載の方法。
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