JP7433094B2 - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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本開示は、半導体装置およびその製造方法に関する。 The present disclosure relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.

半導体集積回路(IC)は、例えばパソコン、スマートフォン、自動車、エアコンなど多くの種類の電気機器に内蔵されており、その機能に応じて様々な素子(例えばトランジスタ、コンデンサ、インダクタンス、抵抗素子など)を組み合わせて構成されている。抵抗素子としては金属抵抗や拡散抵抗などがあるが、特に拡散抵抗は、半導体ICに広く用いられている。 Semiconductor integrated circuits (ICs) are built into many types of electrical equipment, such as computers, smartphones, automobiles, and air conditioners, and are equipped with various elements (such as transistors, capacitors, inductance, and resistance elements) depending on their functions. It is composed of a combination of Resistance elements include metal resistors, diffused resistors, etc., and diffused resistors in particular are widely used in semiconductor ICs.

一般的に、拡散抵抗は、半導体内に形成されたP型またはN型の拡散層と、当該拡散層の互いに異なる部分(例えば両端部)上に形成され電極またはパッドとして用いられる金属層とを備えている。拡散層は、半導体にイオン種を注入して熱処理を行うことで形成され、拡散抵抗の抵抗値は、イオン注入や熱処理の条件によって調整できる。しかし、拡散層と金属層との界面の接触抵抗を低く抑えたり、拡散層と金属層とをオーミック接合させたりするために、半導体に注入するイオン種、拡散層と金属層との界面における不純物濃度、金属層の材料など、様々なパラメータを適切に設定する必要がある。このため、拡散抵抗の抵抗値のばらつきを抑えて、拡散抵抗の抵抗値を所望の値に調整するための技術は非常に重要である。 Generally, a diffused resistance consists of a P-type or N-type diffusion layer formed in a semiconductor, and a metal layer formed on different parts (for example, both ends) of the diffusion layer and used as an electrode or a pad. We are prepared. The diffusion layer is formed by implanting ion species into the semiconductor and performing heat treatment, and the resistance value of the diffusion resistor can be adjusted by adjusting the conditions of the ion implantation and heat treatment. However, in order to suppress the contact resistance at the interface between the diffusion layer and the metal layer or to form an ohmic contact between the diffusion layer and the metal layer, ion species implanted into the semiconductor and impurities at the interface between the diffusion layer and the metal layer are Various parameters such as concentration and material of the metal layer need to be appropriately set. Therefore, a technique for suppressing variations in the resistance value of the diffused resistor and adjusting the resistance value of the diffused resistor to a desired value is very important.

また、半導体と金属とでは仕事関数が異なるため、拡散層の導電型(P型かN型か)や不純物濃度、金属層の膜質や膜厚などの条件によっては、拡散抵抗に電圧を印加したときの電流の変化が線形でなくなる。さらに、拡散層と金属層との界面には、熱処理によって半導体と金属との反応層が形成される。例えばSiからなる半導体の拡散層上に、Tiからなる電極を形成して熱処理を行うと、反応膜としてチタンシリサイド(TiSi)が形成される。このため、拡散層の導電型および不純物濃度、金属の膜質および膜厚、ならびに、金属膜形成後の熱処理の温度および時間は、拡散抵抗の抵抗値が所望の値になるように調整する必要がある。 In addition, since the work functions of semiconductors and metals are different, depending on conditions such as the conductivity type (P-type or N-type) of the diffusion layer, impurity concentration, and film quality and thickness of the metal layer, the voltage applied to the diffusion resistor may vary. When the change in current is no longer linear. Furthermore, a reaction layer between the semiconductor and the metal is formed at the interface between the diffusion layer and the metal layer by heat treatment. For example, when an electrode made of Ti is formed on a semiconductor diffusion layer made of Si and heat treatment is performed, titanium silicide (TiSi 2 ) is formed as a reaction film. Therefore, the conductivity type and impurity concentration of the diffusion layer, the quality and thickness of the metal film, and the temperature and time of the heat treatment after metal film formation must be adjusted so that the resistance value of the diffusion resistor becomes the desired value. be.

拡散層上に金属層の電極等を形成する方法には様々な工夫がなされており、例えば特許文献1には、拡散層上に薄いシリコン膜を介してアルミニウムの電極を形成し、その後の熱処理でシリコン膜とアルミニウムとを反応させることで、アルミニウムが拡散層の半導体層に突き出るアルミスパイクを防止しつつ、低抵抗なシリサイドを形成して拡散層と電極との接触抵抗を低減させる技術が開示されている。 Various methods have been devised for forming metal layer electrodes on the diffusion layer. For example, in Patent Document 1, an aluminum electrode is formed on the diffusion layer via a thin silicon film, and then heat treatment is performed. Discloses a technology that reduces the contact resistance between the diffusion layer and the electrode by causing a silicon film to react with aluminum to form a low-resistance silicide while preventing aluminum spikes from protruding into the semiconductor layer of the diffusion layer. has been done.

また、下記の非特許文献1には、チタンシリサイドを形成するための熱処理の温度を400℃程度の低温とするとチタンシリサイドの結晶構造がC49構造となり、800℃程度の高温とするとチタンシリサイドの結晶構造がC54構造となることが示されている。 Furthermore, in the following non-patent document 1, it is stated that when the heat treatment temperature for forming titanium silicide is set to a low temperature of about 400°C, the crystal structure of titanium silicide becomes a C49 structure, and when the temperature is set to a high temperature of about 800°C, the crystal structure of titanium silicide becomes a C49 structure. It is shown that the structure is C54 structure.

特許第2730458号公報Patent No. 2730458

「チタン・シリサイドプロセスにおける構造相転移の問題について」表面科学 Vo1.16, No. 4, pp.233-237, 1995“On the problem of structural phase transition in titanium silicide process” Surface Science Vo1.16, No. 4, pp.233-237, 1995

上述したように、拡散抵抗の抵抗値のばらつきを抑えて抵抗値を所望の値に調整するための技術は非常に重要である。 As described above, a technique for suppressing variations in the resistance value of a diffused resistor and adjusting the resistance value to a desired value is very important.

本開示はこのような課題を解決するためになされたものであり、拡散抵抗の抵抗値のばらつきを抑えることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can suppress variations in the resistance value of a diffused resistor.

本開示に係る半導体装置は、半導体基板の表層部に形成された第1導電型の第1拡散層と、前記第1拡散層上の互いに異なる個所のそれぞれに接続した金属膜と、前記第1拡散層の半導体と前記金属膜とが反応して形成された反応層と、を有する拡散抵抗を備え、前記反応層の厚さをL、前記第1拡散層における前記反応層下の領域の厚さをMとすると、L<M<4Lの関係が満たされている。
A semiconductor device according to the present disclosure includes: a first diffusion layer of a first conductivity type formed in a surface layer portion of a semiconductor substrate; a metal film connected to each of different locations on the first diffusion layer; a diffusion resistor having a reaction layer formed by a reaction between the semiconductor of the diffusion layer and the metal film, wherein the thickness of the reaction layer is L, and the thickness of the region under the reaction layer in the first diffusion layer. When the length is M, the relationship L<M<4L is satisfied.

本開示に係る拡散抵抗によれば、反応層の厚さLと拡散層における反応層下の領域の厚さMとがL<Mの関係を満たすことで、電流の経路を広く確保することができ、拡散抵抗の抵抗値が高くなりすぎることが防止される。また、M<4Lの関係が満たされることで拡散抵抗の抵抗値が低くなりすぎることが防止される。よって、拡散抵抗の抵抗値のばらつきが抑制され、拡散抵抗の抵抗値を精度よく制御することができる。 According to the diffused resistance according to the present disclosure, the thickness L of the reaction layer and the thickness M of the region under the reaction layer in the diffusion layer satisfy the relationship L<M, so that a wide current path can be secured. This prevents the resistance value of the diffused resistor from becoming too high. Furthermore, by satisfying the relationship M<4L, the resistance value of the diffused resistor is prevented from becoming too low. Therefore, variations in the resistance value of the diffused resistor are suppressed, and the resistance value of the diffused resistor can be controlled with high precision.

実施の形態1に係る拡散抵抗の平面図である。1 is a plan view of a diffused resistor according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る拡散抵抗の断面図である。1 is a cross-sectional view of a diffused resistor according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る拡散抵抗における拡散層と金属膜との接続部分の拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a connection portion between a diffusion layer and a metal film in the diffused resistor according to the first embodiment. シリサイド層およびその下の拡散層の厚さを説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the thickness of a silicide layer and a diffusion layer thereunder. 実施の形態1に係る拡散抵抗おける拡散層と金属層との間のコンタクト抵抗のIV曲線を示す図である。3 is a diagram showing an IV curve of contact resistance between a diffusion layer and a metal layer in the diffused resistor according to the first embodiment. FIG. 比較例の拡散抵抗における拡散層と金属層との間のコンタクト抵抗のIV曲線を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an IV curve of contact resistance between a diffused layer and a metal layer in a diffused resistor of a comparative example. 実施の形態1に係る拡散抵抗の形成工程を説明するための平面図である。FIG. 3 is a plan view for explaining a process of forming a diffused resistor according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る拡散抵抗の形成工程を説明するための断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a process of forming a diffused resistor according to the first embodiment. 実施の形態1に係る拡散抵抗の形成工程を説明するための断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a process of forming a diffused resistor according to the first embodiment. 実施の形態2に係る拡散抵抗の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a diffused resistor according to a second embodiment. 熱処理の温度と拡散抵抗の抵抗値のばらつきとの関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between heat treatment temperature and variation in resistance value of diffused resistors. 680℃以上740℃以下の熱処理で形成したTiSiにおける同じ断面の3点のナノビーム電子回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the nanobeam electron diffraction pattern of three points of the same cross section in TiSi2 formed by the heat treatment of 680 degreeC or more and 740 degreeC or less. 800℃より高い温度の熱処理で形成したTiSiにおける同じ断面の3点のナノビーム電子回折パターンを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing three-point nanobeam electron diffraction patterns of the same cross section in TiSi 2 formed by heat treatment at a temperature higher than 800°C.

<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る半導体装置が備える拡散抵抗100の平面図である。拡散抵抗100は、直列に接続された複数の単位拡散抵抗10により構成されており、単位拡散抵抗10のそれぞれは、半導体基板1に形成された第1導電型の第1拡散層である拡散層2と、拡散層2上の互いに異なる箇所(ここでは両端部)に接続する一対の金属膜3とを備えている。金属膜3のそれぞれは、隣り合う2つの拡散層2に跨がって形成され、それにより、複数の単位拡散抵抗10の拡散層2が金属膜3を介して直列に接続される。ただし、両端の拡散層2の外側の端部に設けられた金属膜3は、それぞれワイヤ等を接続するためのパッド3a,3bを構成している。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a plan view of a diffused resistor 100 included in the semiconductor device according to the first embodiment. The diffused resistor 100 is composed of a plurality of unit diffused resistors 10 connected in series, and each of the unit diffused resistors 10 is a diffusion layer that is a first diffusion layer of a first conductivity type formed in the semiconductor substrate 1. 2, and a pair of metal films 3 connected to mutually different locations on the diffusion layer 2 (here, both ends). Each of the metal films 3 is formed spanning two adjacent diffusion layers 2, whereby the diffusion layers 2 of the plurality of unit diffused resistors 10 are connected in series via the metal film 3. However, the metal films 3 provided at the outer ends of the diffusion layer 2 at both ends constitute pads 3a and 3b for connecting wires and the like, respectively.

なお、拡散層2の導電型(第1導電型)は、P型でもN型でもよい。ここでは半導体基板1の材料をシリコン(Si)とするが、半導体基板1の材料は他の半導体、例えばSiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体などでもよい。半導体基板1の材料としてワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、シリコンを用いた場合と比較して、高電圧、大電流、高温での特性に優れた拡散抵抗100が得られる。また、拡散抵抗100は、必ずしも単位拡散抵抗10を複数備えなくてもよく、1つの単位拡散抵抗10から成っていてもよい。 Note that the conductivity type (first conductivity type) of the diffusion layer 2 may be P type or N type. Here, the material of the semiconductor substrate 1 is silicon (Si), but the material of the semiconductor substrate 1 may be another semiconductor, such as a wide bandgap semiconductor such as SiC or GaN. When a wide bandgap semiconductor is used as the material for the semiconductor substrate 1, a diffused resistor 100 with excellent characteristics at high voltage, large current, and high temperature can be obtained compared to when silicon is used. Further, the diffused resistor 100 does not necessarily have to include a plurality of unit diffused resistors 10, and may be composed of one unit diffused resistor 10.

図2は、実施の形態1に係る拡散抵抗100の断面図であり、図1に示すA1-A2線に沿った断面に対応している。すなわち、図2は、1つの単位拡散抵抗10の長さ方向の断面構造を示している。 FIG. 2 is a cross-sectional view of the diffused resistor 100 according to the first embodiment, and corresponds to a cross section taken along the line A1-A2 shown in FIG. That is, FIG. 2 shows the cross-sectional structure of one unit diffused resistor 10 in the length direction.

図2のように、単位拡散抵抗10の拡散層2は、半導体基板1の表層部に形成されている。また、図1での図示は省略したが、半導体基板1上には絶縁層6が形成されている。絶縁層6には拡散層2の上面に達する開口が形成されており、金属膜3は当該開口に埋め込まれている。金属膜3は、その下面に、金属膜3の金属が半導体基板1内に拡散することを防止するバリアメタル層3cを有している。拡散層2における金属膜3との接続部分には、拡散層2の半導体と金属膜3(バリアメタル層3c)とが反応して形成された反応層であるシリサイド層5が形成されている。 As shown in FIG. 2, the diffusion layer 2 of the unit diffused resistor 10 is formed on the surface layer of the semiconductor substrate 1. Further, although not shown in FIG. 1, an insulating layer 6 is formed on the semiconductor substrate 1. An opening reaching the upper surface of the diffusion layer 2 is formed in the insulating layer 6, and the metal film 3 is embedded in the opening. The metal film 3 has a barrier metal layer 3c on its lower surface that prevents the metal of the metal film 3 from diffusing into the semiconductor substrate 1. A silicide layer 5, which is a reaction layer formed by reaction between the semiconductor of the diffusion layer 2 and the metal film 3 (barrier metal layer 3c), is formed at the connection portion of the diffusion layer 2 with the metal film 3.

実施の形態1では、バリアメタル層3cとして、Ti膜上にTiNを積層して成るTi/TiN膜が用いられるものとする。ただし、バリアメタル層3cは、Ti/TiN膜に限られず、例えば、Co、Ni、Pt、Ta、Wなど、シリコンの半導体基板1と反応してシリサイド層5を形成する金属であればよい。 In the first embodiment, a Ti/TiN film formed by stacking TiN on a Ti film is used as the barrier metal layer 3c. However, the barrier metal layer 3c is not limited to the Ti/TiN film, and may be any metal that reacts with the silicon semiconductor substrate 1 to form the silicide layer 5, such as Co, Ni, Pt, Ta, or W, for example.

例えば図1に示すパッド3aにパッド3bよりも高い電圧を印加すると、A1-A2線に沿う図2の単位拡散抵抗10には、A1側の金属膜3からA2側の金属膜3へ向かって拡散層2内を電流が流れる。 For example, when a higher voltage is applied to the pad 3a shown in FIG. 1 than to the pad 3b, the unit diffused resistor 10 shown in FIG. A current flows within the diffusion layer 2.

単位拡散抵抗10の抵抗成分について説明する。単位拡散抵抗10の抵抗値Rは、金属膜3(バリアメタル層3cを含む)の抵抗をR、拡散層2の抵抗をR、金属膜3と拡散層2との間のコンタクト抵抗(シリサイド層5の抵抗など)をRとすると、R=2R+R+2Rと表される(単位拡散抵抗10は金属膜3を2つ有するため、RとRはそれぞれ2倍されている)。通常、R、R、Rのうち、Rは最も大きく支配的であり、Rは最も小さく単位拡散抵抗10の抵抗値Rに殆ど影響しない。Rは金属膜3と拡散層2との反応の影響を受けるための抵抗値の制御が難しく、これが単位拡散抵抗10の抵抗値Rがばらつく原因となる。 The resistance component of the unit diffused resistor 10 will be explained. The resistance value R of the unit diffused resistor 10 is determined by R M representing the resistance of the metal film 3 (including the barrier metal layer 3c), R D representing the resistance of the diffusion layer 2, and contact resistance between the metal film 3 and the diffusion layer 2 ( (resistance of silicide layer 5, etc.) is expressed as R = 2R M + R D + 2R C (Since the unit diffused resistor 10 has two metal films 3, R M and R C are each doubled. ing). Usually, among R M , R D , and R C , R D is the largest and dominant, and R M is the smallest and hardly affects the resistance value R of the unit diffused resistor 10 . Since R C is affected by the reaction between the metal film 3 and the diffusion layer 2, it is difficult to control the resistance value, which causes the resistance value R of the unit diffused resistor 10 to vary.

図3は、拡散層2と金属膜3との接続部分の拡大図である。以下、図3を参照しつつ、金属膜3と拡散層2との間のコンタクト抵抗Rについてさらに分析する。コンタクト抵抗Rは、シリサイド層5の抵抗をRC1、シリサイド層5と拡散層2との界面の抵抗をRC2、拡散層2におけるシリサイド層5下の領域2a(図3において点線で囲まれた領域)の抵抗をRC3とすると、R=RC1+RC2+RC3と表される。以下、拡散層2におけるシリサイド層5下の領域2aを、単に「領域2a」ということもある。 FIG. 3 is an enlarged view of the connecting portion between the diffusion layer 2 and the metal film 3. Hereinafter, with reference to FIG. 3, the contact resistance R C between the metal film 3 and the diffusion layer 2 will be further analyzed. The contact resistance R C is determined by R C1 representing the resistance of the silicide layer 5, R C2 representing the resistance at the interface between the silicide layer 5 and the diffusion layer 2, and a region 2a under the silicide layer 5 in the diffusion layer 2 (encircled by a dotted line in FIG. 3). When the resistance of the region) is R C3 , it is expressed as R C =R C1 +R C2 +R C3 . Hereinafter, the region 2a under the silicide layer 5 in the diffusion layer 2 may be simply referred to as "region 2a."

電流は、図3の矢印で示した方向に流れ、領域2aの厚さMが小さくなるほど電流の経路(金属膜3中の伝導キャリアの経路)は狭くなるため、領域2aの抵抗RC3は領域2aの厚さMに反比例する。つまり、領域2aの抵抗RC3と領域2aの厚さMとの間には、RC3∝1/Mの関係がある。よって、領域2aの厚さMが小さくなると領域2aの抵抗RC3が大きくなり、仮にM=0となれば、領域2aの抵抗RC3は無限大となり、電流を流す機能がなくなる。 The current flows in the direction shown by the arrow in FIG. 3, and the smaller the thickness M of the region 2a, the narrower the current path (path of conduction carriers in the metal film 3). Therefore, the resistance R C3 of the region 2a is It is inversely proportional to the thickness M of 2a. In other words, there is a relationship of R C3 ∝1/M between the resistance R C3 of the region 2a and the thickness M of the region 2a. Therefore, as the thickness M of the region 2a decreases, the resistance RC3 of the region 2a increases, and if M=0, the resistance RC3 of the region 2a becomes infinite and loses its ability to flow current.

シリサイド層5の厚さLおよび領域2aの厚さMの値は、拡散抵抗100の製造過程のイオン注入やその後の熱処理などのプロセスのばらつきに起因してばらつき、それによって、領域2aの抵抗RC3にばらつきが生じる。領域2aの抵抗RC3がばらつくと、単位拡散抵抗10の抵抗Rにもばらつきが生じ、拡散抵抗100全体の抵抗値の安定性が低下する。 The values of the thickness L of the silicide layer 5 and the thickness M of the region 2a vary due to variations in processes such as ion implantation and subsequent heat treatment during the manufacturing process of the diffused resistor 100, and as a result, the resistance R of the region 2a Variations occur in C3 . When the resistance R C3 of the region 2a varies, the resistance R of the unit diffused resistor 10 also varies, and the stability of the resistance value of the entire diffused resistor 100 decreases.

この問題を解決するため、実施の形態1に係る拡散抵抗100では、シリサイド層5の厚さLと領域2aの厚さMとが、L<M<4Lの関係を満たすように設定される。ここで、シリサイド層5の厚さLおよび領域2aの厚さMは、M/Lが最小となる箇所における厚さとして定義される。例えば、図4のようにシリサイド層5の形状が均一でない場合、M/Lが最小となる箇所はシリサイド層5が最も厚くなった箇所であり、その箇所においてLとMが規定される。 To solve this problem, in the diffused resistor 100 according to the first embodiment, the thickness L of the silicide layer 5 and the thickness M of the region 2a are set to satisfy the relationship L<M<4L. Here, the thickness L of the silicide layer 5 and the thickness M of the region 2a are defined as the thickness where M/L is the minimum. For example, when the shape of the silicide layer 5 is not uniform as shown in FIG. 4, the location where M/L is minimum is the location where the silicide layer 5 is thickest, and L and M are defined at that location.

L<Mの関係を満たす程度に領域2aの厚さMが大きいことで、シリサイド層5の厚さLのばらつきに起因する領域2aの抵抗RC3の変動は小さくなり、特に、シリサイド層5が設計値よりも厚く形成されたときに単位拡散抵抗10の抵抗値が高くなりすぎることが防止される。また、領域2aの厚さMを過度に大きくせず、M<4Lを満たす程度に抑えることで、単位拡散抵抗10の抵抗値が低くなりすぎることが防止される。よって、L<M<4Lが満たされることで、金属膜3と拡散層2との間のコンタクト抵抗Rのばらつきが抑制される。これにより、単位拡散抵抗10の抵抗値のばらつきが抑制され、その結果、拡散抵抗100全体の抵抗値の安定性が向上する。 Since the thickness M of the region 2a is large enough to satisfy the relationship L<M, fluctuations in the resistance R C3 of the region 2a caused by variations in the thickness L of the silicide layer 5 are reduced. This prevents the resistance value of the unit diffused resistor 10 from becoming too high when it is formed thicker than the designed value. Moreover, by not increasing the thickness M of the region 2a excessively and suppressing it to an extent that satisfies M<4L, the resistance value of the unit diffused resistor 10 is prevented from becoming too low. Therefore, by satisfying L<M<4L, variations in the contact resistance R C between the metal film 3 and the diffusion layer 2 are suppressed. This suppresses variations in the resistance value of the unit diffused resistor 10, and as a result, the stability of the resistance value of the entire diffused resistor 100 is improved.

図5および図6は、実際に作成した拡散抵抗における拡散層とシリサイド層との間のコンタクト抵抗の電流-電圧曲線(IV曲線)を示すグラフである。図5は、L<M<4Lの関係を満たす実施の形態1の拡散抵抗のIV曲線を示しており、図6は、L>Mの関係を満たす比較例の拡散抵抗のIV曲線を示している。図5および図6のそれぞれには、1つの拡散抵抗に組み込まれた8つの単位拡散抵抗のコンタクト抵抗のIV曲線が示されている。また、図6と図5とでは、横軸および縦軸のスケールを同一に合わせている。比較例の拡散抵抗のコンタクト抵抗のIV曲線(図6)は様々な傾きを持ち、抵抗値がばらついているのに対し、実施の形態1の拡散抵抗のコンタクト抵抗のIV曲線の傾きはほぼ一定であり、抵抗値が安定していることが分かる。 FIGS. 5 and 6 are graphs showing current-voltage curves (IV curves) of contact resistance between the diffusion layer and the silicide layer in actually created diffusion resistors. FIG. 5 shows the IV curve of the diffused resistance of the first embodiment that satisfies the relationship L<M<4L, and FIG. 6 shows the IV curve of the diffused resistance of the comparative example that satisfies the relationship L>M. There is. Each of FIGS. 5 and 6 shows contact resistance IV curves of eight unit diffused resistors incorporated into one diffused resistor. Further, in FIGS. 6 and 5, the scales of the horizontal and vertical axes are the same. The IV curve of the contact resistance of the diffused resistor in the comparative example (FIG. 6) has various slopes and the resistance value varies, whereas the slope of the IV curve of the contact resistance of the diffused resistor in Embodiment 1 is almost constant. It can be seen that the resistance value is stable.

以下、実施の形態1に係る拡散抵抗100の製造方法について説明する。ここでは、半導体基板1の材料はSiであり、拡散層2はP型であるものと仮定する。 A method for manufacturing the diffused resistor 100 according to the first embodiment will be described below. Here, it is assumed that the material of the semiconductor substrate 1 is Si and that the diffusion layer 2 is of P type.

まず、半導体基板1を薬液で洗浄して、半導体基板1の表面の自然酸化膜や異物を取り除いた後、半導体基板1を拡散炉に入れて熱処理を行うことで、半導体基板1上に薄い酸化膜21を形成する。酸化膜21は、拡散層2を形成するためのイオン注入による半導体基板1のダメージを防ぐためのものであり、その厚さは数百Å程度でよい。 First, the semiconductor substrate 1 is cleaned with a chemical solution to remove the natural oxide film and foreign matter on the surface of the semiconductor substrate 1, and then the semiconductor substrate 1 is placed in a diffusion furnace and heat-treated to form a thin oxide layer on the semiconductor substrate 1. A film 21 is formed. The oxide film 21 is for preventing damage to the semiconductor substrate 1 due to ion implantation for forming the diffusion layer 2, and its thickness may be approximately several hundred Å.

次に、酸化膜21が形成された半導体基板1上にレジストを塗布形成し、当該レジストの露光および現像を行うことで、図7の平面図に示すように、拡散層2の形成領域に開口を有するレジストパターン22を形成する。そして、レジストパターン22をマスクとして、例えばボロン(B)などのP型ドーパントをイオン注入することで、半導体基板1の上層部に拡散層2を形成する。その後、注入したイオン種を活性化させるための熱処理を行う。この熱処理の温度および時間は、拡散抵抗100の抵抗値の目標値(設計値)に応じて決定される。 Next, a resist is applied and formed on the semiconductor substrate 1 on which the oxide film 21 is formed, and by exposing and developing the resist, an opening is formed in the formation region of the diffusion layer 2, as shown in the plan view of FIG. A resist pattern 22 is formed. Then, using the resist pattern 22 as a mask, a P-type dopant such as boron (B) is ion-implanted to form a diffusion layer 2 in the upper layer of the semiconductor substrate 1. Thereafter, heat treatment is performed to activate the implanted ion species. The temperature and time of this heat treatment are determined according to the target value (design value) of the resistance value of the diffused resistor 100.

レジストパターン22を除去した後、半導体基板1上を絶縁層6で覆う。そして、絶縁層6上にレジストを塗布形成し、当該レジストの露光および現像を行うことで、金属膜3の形成領域(拡散層2に金属膜3を接続させる領域)に開口を有するレジストパターンを形成する。その後、当該レジストパターンをマスクとするウェットエッチングおよびドライエッチにより、図8の断面図に示すように、絶縁層6に拡散層2の上面に達する開口を形成する。 After removing the resist pattern 22, the semiconductor substrate 1 is covered with an insulating layer 6. Then, by coating and forming a resist on the insulating layer 6 and exposing and developing the resist, a resist pattern having an opening in the region where the metal film 3 is formed (the region where the metal film 3 is connected to the diffusion layer 2) is formed. Form. Thereafter, by wet etching and dry etching using the resist pattern as a mask, an opening reaching the upper surface of the diffusion layer 2 is formed in the insulating layer 6, as shown in the cross-sectional view of FIG.

続いて、図9の断面図に示すように、半導体基板1上に、例えばスパッタ法によりTi/TiN層を成膜してバリアメタル層3cを成形し、その上に、AlSi、AlCu、AlSiCuなどを成膜することで、金属膜3を形成する。上述したように、バリアメタル層3cは、Ti/TiNに限られず、Co、Ni、Pt、Ta、Wなどでもよい。また、金属膜3の材料は、例えばAlSi、AlCu、AlSiCuなどを用いることができる。 Subsequently, as shown in the cross-sectional view of FIG. 9, a Ti/TiN layer is formed on the semiconductor substrate 1 by, for example, a sputtering method to form a barrier metal layer 3c, and a layer of AlSi, AlCu, AlSiCu, etc. is formed on the barrier metal layer 3c. The metal film 3 is formed by depositing. As described above, the barrier metal layer 3c is not limited to Ti/TiN, but may be Co, Ni, Pt, Ta, W, or the like. Further, as the material of the metal film 3, for example, AlSi, AlCu, AlSiCu, etc. can be used.

その後、熱処理を行うことで、金属膜3のバリアメタル層3cのTiと半導体基板1のSiとを反応させて、TiSiからなるシリサイド層5を形成する。このとき、シリサイド層5の厚さLと、拡散層2におけるシリサイド層5下の領域2aの厚さMとが、L<M<4Lの関係を満たすようにする。例えば、シリサイド層5を厚くしたい場合は、予めその分だけ拡散層2を深く形成しておく必要がある。 Thereafter, heat treatment is performed to cause the Ti of the barrier metal layer 3c of the metal film 3 to react with the Si of the semiconductor substrate 1, thereby forming a silicide layer 5 made of TiSi2 . At this time, the thickness L of the silicide layer 5 and the thickness M of the region 2a under the silicide layer 5 in the diffusion layer 2 are made to satisfy the relationship L<M<4L. For example, if it is desired to make the silicide layer 5 thicker, it is necessary to form the diffusion layer 2 that much deeper in advance.

そして、絶縁層6の上面上の不要な金属膜3を除去することで、図1および図2に示した構造の拡散抵抗100が完成する。 Then, by removing unnecessary metal film 3 on the upper surface of insulating layer 6, diffused resistor 100 having the structure shown in FIGS. 1 and 2 is completed.

<実施の形態2>
実施の形態1の拡散抵抗100において、例えば拡散層2がP型の場合は、半導体基板1はN型基板であることが望ましい。しかし、集積回路においてはP型の拡散層2からなる拡散抵抗100と、N型の拡散層2からなる拡散抵抗100の両方を半導体基板1に形成することもあり、例えばP型の半導体基板1内にP型の拡散層2からなる拡散抵抗100が作られることも考えられる。そのような場合、拡散層2から半導体基板1へ流れ出るリーク電流が発生するおそれがある。リーク電流が発生すると、拡散層2の実質的な抵抗値が変化するため問題となる。
<Embodiment 2>
In the diffused resistor 100 of the first embodiment, for example, when the diffusion layer 2 is of P type, it is desirable that the semiconductor substrate 1 is an N type substrate. However, in an integrated circuit, both the diffused resistor 100 made of the P-type diffusion layer 2 and the diffused resistor 100 made of the N-type diffused layer 2 may be formed on the semiconductor substrate 1. For example, the P-type semiconductor substrate 1 It is also conceivable that a diffused resistor 100 made of a P-type diffused layer 2 is formed inside. In such a case, there is a risk that a leakage current flowing from the diffusion layer 2 to the semiconductor substrate 1 will occur. When a leakage current occurs, it causes a problem because the substantial resistance value of the diffusion layer 2 changes.

図10は、実施の形態2に係る拡散抵抗100の断面図である。図10も図2と同様に、図1に示すA1-A2線に沿った断面に対応しており、1つの単位拡散抵抗10の長さ方向の断面構造を示している。 FIG. 10 is a cross-sectional view of a diffused resistor 100 according to the second embodiment. Similar to FIG. 2, FIG. 10 also corresponds to a cross section taken along the line A1-A2 shown in FIG. 1, and shows the cross-sectional structure of one unit diffused resistor 10 in the length direction.

実施の形態2の拡散抵抗100は、図2の構成に対し、半導体基板1の表層部に形成され、拡散層2とは反対の導電型(第2導電型)を有する第2拡散層である反対導電型拡散層7を追加したものである。すなわち、拡散層2がP型の場合、反対導電型拡散層7はN型であり、拡散層2がN型の場合、反対導電型拡散層7はP型である。拡散層2は反対導電型拡散層7内に形成されている。反対導電型拡散層7の厚さ(深さ)は1~6μm程度でよいが、拡散層2よりも厚くする必要がある。 Diffused resistor 100 of Embodiment 2 is a second diffusion layer formed in the surface layer of semiconductor substrate 1 and having a conductivity type opposite to that of diffusion layer 2 (second conductivity type), in contrast to the configuration shown in FIG. A diffusion layer 7 of opposite conductivity type is added. That is, when the diffusion layer 2 is of the P type, the opposite conductivity type diffusion layer 7 is of the N type, and when the diffusion layer 2 is of the N type, the opposite conductivity type of the diffusion layer 7 is of the P type. The diffusion layer 2 is formed within the opposite conductivity type diffusion layer 7. The thickness (depth) of the opposite conductivity type diffusion layer 7 may be about 1 to 6 μm, but it needs to be thicker than the diffusion layer 2.

実施の形態2の拡散抵抗100の構成は、反対導電型拡散層7が追加されたことを除けば、実施の形態1と同様である。つまり、実施の形態2の拡散抵抗100においても、単位拡散抵抗10におけるシリサイド層5の厚さLと領域2aの厚さMとが、L<M<4Lの関係を満たすように設定されている。 The configuration of the diffused resistor 100 of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that the opposite conductivity type diffusion layer 7 is added. That is, also in the diffused resistor 100 of the second embodiment, the thickness L of the silicide layer 5 and the thickness M of the region 2a in the unit diffused resistor 10 are set so as to satisfy the relationship L<M<4L. .

実施の形態2の拡散抵抗100(図10)では、拡散層2と反対導電型拡散層7との間にPN接合が形成されるため、当該PN接合が常に逆バイアスされるように反対導電型拡散層7の電位を調整することで、拡散層2からの電流リークを抑制することができる。例えば、拡散層2がP型、反対導電型拡散層7がN型の場合、反対導電型拡散層7の電位がパッド3a,3bのうちの高電位側の電位よりも高くなるように設定すればよい。逆に、拡散層2がN型、反対導電型拡散層7がP型の場合、反対導電型拡散層7の電位がパッド3a,3bのうちの低電位側の電位よりも低くなるように設定すればよい。これにより、リーク電流に起因する拡散抵抗100の抵抗値の変化を防止でき、拡散抵抗100の抵抗値をより高精度に設定することができる。 In the diffused resistor 100 (FIG. 10) of the second embodiment, since a PN junction is formed between the diffusion layer 2 and the opposite conductivity type diffusion layer 7, the opposite conductivity type is formed so that the PN junction is always reverse biased. By adjusting the potential of the diffusion layer 7, current leakage from the diffusion layer 2 can be suppressed. For example, if the diffusion layer 2 is P type and the opposite conductivity type diffusion layer 7 is N type, the potential of the opposite conductivity type diffusion layer 7 should be set higher than the potential of the higher potential side of the pads 3a and 3b. Bye. Conversely, when the diffusion layer 2 is N type and the opposite conductivity type diffusion layer 7 is P type, the potential of the opposite conductivity type diffusion layer 7 is set to be lower than the potential of the lower potential side of the pads 3a and 3b. do it. Thereby, changes in the resistance value of the diffused resistor 100 due to leakage current can be prevented, and the resistance value of the diffused resistor 100 can be set with higher accuracy.

以下、実施の形態2に係る拡散抵抗100の製造方法について説明する。ここでも、半導体基板1の材料はSiであり、拡散層2はP型であるものと仮定する。 A method for manufacturing the diffused resistor 100 according to the second embodiment will be described below. Here again, it is assumed that the material of the semiconductor substrate 1 is Si and that the diffusion layer 2 is of P type.

まず、実施の形態1と同様に、半導体基板1を洗浄した後、半導体基板1の熱処理を行うことで、半導体基板1上にイオン注入によるダメージを防ぐための薄い酸化膜を形成する。 First, as in Embodiment 1, after cleaning the semiconductor substrate 1, heat treatment is performed on the semiconductor substrate 1 to form a thin oxide film on the semiconductor substrate 1 to prevent damage caused by ion implantation.

次に、半導体基板1上にレジストを塗布し、当該レジストの露光および現像を行うことで、反対導電型拡散層7の形成領域に開口を有するレジストパターンを形成する。そして、当該レジストパターンをマスクとして、例えば窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)などのN型ドーパントのイオン注入を行うことで、半導体基板1に反対導電型拡散層7を形成する。その後、注入したイオン種を活性化させるための熱処理を行う。 Next, a resist is applied onto the semiconductor substrate 1, and the resist is exposed and developed to form a resist pattern having an opening in the region where the opposite conductivity type diffusion layer 7 is to be formed. Then, using the resist pattern as a mask, ions of N-type dopants such as nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and bismuth (Bi) are implanted into the semiconductor substrate. A diffusion layer 7 of opposite conductivity type is formed. Thereafter, heat treatment is performed to activate the implanted ion species.

その後、実施の形態1と同様の方法で、反対導電型拡散層7内に拡散層2を形成する。さらに、実施の形態1と同様の方法で、拡散層2に達する開口を有する絶縁層6を形成し、当該開口内にバリアメタル層3cを有する金属膜3を形成し、金属膜3のバリアメタル層3cと半導体基板1とを反応させてシリサイド層5を形成することで、図10の拡散抵抗100が得られる。 Thereafter, the diffusion layer 2 is formed in the opposite conductivity type diffusion layer 7 using the same method as in the first embodiment. Further, in the same manner as in Embodiment 1, an insulating layer 6 having an opening reaching the diffusion layer 2 is formed, a metal film 3 having a barrier metal layer 3c is formed in the opening, and a barrier metal layer 3c of the metal film 3 is formed. By reacting the layer 3c and the semiconductor substrate 1 to form the silicide layer 5, the diffused resistor 100 shown in FIG. 10 is obtained.

<実施の形態3>
実施の形態3では、実施の形態1または2の拡散抵抗100において、シリサイド層5をC49構造のTiSiとする。C49構造のTiSiは比較的低い温度の熱処理で形成されることから高い膜厚均一性が得られるため、シリサイド層5をC49構造のTiSiとすることで、実施の形態1または2よりも拡散抵抗100の抵抗値のばらつきが抑制される。なお、本実施の形態では、シリサイド層5(反応層)の全ての結晶構造がC49構造である必要はなく、シリサイド層5が主にC49構造の結晶構造を持つTiSiで構成されていればよい。例えば、シリサイド層5がC54構造のTiSiを5%程度を含んでいてもよい。
<Embodiment 3>
In the third embodiment, in the diffused resistor 100 of the first or second embodiment, the silicide layer 5 is made of TiSi 2 with a C49 structure. Since TiSi 2 with C49 structure is formed by heat treatment at a relatively low temperature, high film thickness uniformity can be obtained. Therefore, by using TiSi 2 with C49 structure as the silicide layer 5, Variations in the resistance value of the diffused resistor 100 are suppressed. Note that in this embodiment, the entire crystal structure of the silicide layer 5 (reaction layer) does not need to be the C49 structure, and the silicide layer 5 may be mainly composed of TiSi2 having a C49 crystal structure. good. For example, the silicide layer 5 may contain about 5% of TiSi 2 having a C54 structure.

実施の形態1で説明したように、シリサイド層5の厚さLと領域2aの厚さMとが、L<M<4Lの関係を満たせば、単位拡散抵抗10の抵抗値のばらつきを抑えることができる。しかし、単位拡散抵抗10の抵抗値を高くするために拡散層2の厚さK(図3参照)を小さくする場合には、L<Mの関係を得るためにシリサイド層5を薄く形成する必要がある。そのような場合でも、シリサイド層5をC49構造のTiSiとすれば、シリサイド層5の厚さLを精度良く調整できるため、より確実にL<Mの関係を得ることができる。また、半導体基板1の表面に電流を流す必要のある集積回路に拡散抵抗100を組み込む場合も、拡散層2の厚さKを薄くする必要があるため、シリサイド層5をC49構造のTiSiとすることは効果的である。非特許文献1に示されているように、C54構造よりもC49構造の方がTiSi結晶としての抵抗率は高いが、上記のように拡散層2におけるシリサイド層5下の領域2aの厚さMを大きくすれば拡散層2の抵抗を低くすることができる。 As described in the first embodiment, if the thickness L of the silicide layer 5 and the thickness M of the region 2a satisfy the relationship L<M<4L, variations in the resistance value of the unit diffused resistor 10 can be suppressed. I can do it. However, when decreasing the thickness K (see FIG. 3) of the diffusion layer 2 in order to increase the resistance value of the unit diffused resistor 10, it is necessary to form the silicide layer 5 thinly in order to obtain the relationship L<M. There is. Even in such a case, if the silicide layer 5 is made of TiSi 2 with a C49 structure, the thickness L of the silicide layer 5 can be adjusted with high accuracy, and the relationship L<M can be more reliably obtained. Furthermore, when the diffused resistor 100 is incorporated into an integrated circuit that requires current to flow through the surface of the semiconductor substrate 1, the thickness K of the diffused layer 2 needs to be reduced, so the silicide layer 5 is replaced with TiSi 2 having a C49 structure. It is effective to do so. As shown in Non-Patent Document 1, the resistivity of the C49 structure as a TiSi 2 crystal is higher than that of the C54 structure, but as mentioned above, the thickness of the region 2a under the silicide layer 5 in the diffusion layer 2 By increasing M, the resistance of the diffusion layer 2 can be lowered.

実施の形態3に係る半導体装置の製造方法は、基本的に実施の形態1または2と同様であるが、金属膜3(バリアメタル層3c)のTiと半導体基板1のSiとを反応させてTiSiからなるシリサイド層5を形成する工程において、C49構造のTiSiを形成する必要がある。上記した非特許文献1に示されているように、熱処理の温度を800℃程度の高温にするとTiSiの結晶構造はC54構造へと転移する。そこで、本実施の形態では、シリサイド層5を形成するための熱処理の温度を680℃以上740℃以下とすることで、C49構造のTiSiからなるシリサイド層5を形成する。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment is basically the same as that in the first or second embodiment, except that Ti of the metal film 3 (barrier metal layer 3c) and Si of the semiconductor substrate 1 are made to react. In the step of forming the silicide layer 5 made of TiSi 2 , it is necessary to form TiSi 2 with a C49 structure. As shown in the above-mentioned Non-Patent Document 1, when the heat treatment temperature is set to a high temperature of about 800° C., the crystal structure of TiSi 2 transforms to the C54 structure. Therefore, in the present embodiment, the temperature of the heat treatment for forming the silicide layer 5 is set to 680° C. or higher and 740° C. or lower, thereby forming the silicide layer 5 made of TiSi 2 having a C49 structure.

図11は、TiSiのシリサイド層5を形成するための熱処理の温度と形成されるシリサイド層5の抵抗値のばらつきとの関係を示すグラフである。C49構造のTiSiは、C54構造のTiSiに比べ膜厚均一性が高いため抵抗値のばらつきが小さい。図11に示すように、熱処理の温度が680℃以上740℃以下のときは抵抗値のばらつきが小さいC49構造のTiSiが形成され、800℃以上になると抵抗値のばらつきが大きいC54構造のTiSiが形成されることが分かる。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the temperature of the heat treatment for forming the silicide layer 5 of TiSi 2 and the variation in the resistance value of the silicide layer 5 formed. TiSi 2 having a C49 structure has higher film thickness uniformity than TiSi 2 having a C54 structure, and therefore has smaller variations in resistance value. As shown in Figure 11, when the heat treatment temperature is between 680°C and 740°C, C49 structure TiSi2 with small resistance variation is formed, and when it is above 800°C, C54 structure TiSi2 with large resistance value variation is formed. It can be seen that 2 is formed.

図12は、680℃以上740℃以下の熱処理で形成したTiSiからなるシリサイド層5における同じ断面の3点のナノビーム電子回折パターンである。また、図13は、800℃より高い温度の熱処理で形成したTiSiからなるシリサイド層5における同じ断面の3点ナノビーム電子回折パターンである。これらの回析パターンの値から、図12においてはTiSiがC49構造であり、図13においてはTiSiがC54構造であることが分かる。 FIG. 12 shows a nanobeam electron diffraction pattern at three points on the same cross section of the silicide layer 5 made of TiSi 2 formed by heat treatment at 680° C. or higher and 740° C. or lower. Moreover, FIG. 13 is a three-point nanobeam electron diffraction pattern of the same cross section of the silicide layer 5 made of TiSi 2 formed by heat treatment at a temperature higher than 800° C. From the values of these diffraction patterns, it can be seen that TiSi 2 has a C49 structure in FIG. 12 and that TiSi 2 has a C54 structure in FIG. 13.

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 Note that it is possible to freely combine each embodiment, or to modify or omit each embodiment as appropriate.

100 拡散抵抗、10 単位拡散抵抗、1 半導体基板、2 拡散層、2a 拡散層におけるシリサイド層下の領域、3 金属膜、3a,3b パッド、3c バリアメタル層、5 シリサイド層、6 絶縁層、7 反対導電型拡散層、21 酸化膜、22 レジストパターン。 100 diffused resistance, 10 unit diffused resistance, 1 semiconductor substrate, 2 diffused layer, 2a region under the silicide layer in the diffused layer, 3 metal film, 3a, 3b pad, 3c barrier metal layer, 5 silicide layer, 6 insulating layer, 7 Opposite conductivity type diffusion layer, 21 oxide film, 22 resist pattern.

Claims (4)

半導体基板の表層部に形成された第1導電型の第1拡散層と、
前記第1拡散層上の互いに異なる個所のそれぞれに接続した金属膜と、
前記第1拡散層の半導体と前記金属膜とが反応して形成された反応層と、
有する拡散抵抗を備え、
前記反応層の厚さをL、前記第1拡散層における前記反応層下の領域の厚さをMとすると、L<M<4Lの関係が満たされている、
半導体装置。
a first diffusion layer of a first conductivity type formed in a surface layer of a semiconductor substrate;
a metal film connected to each of different locations on the first diffusion layer;
a reaction layer formed by a reaction between the semiconductor of the first diffusion layer and the metal film;
equipped with a diffused resistance having
When the thickness of the reaction layer is L and the thickness of the region under the reaction layer in the first diffusion layer is M, the relationship L<M<4L is satisfied.
Semiconductor equipment.
半導体基板の表層部に形成された第2導電型の第2拡散層をさらに備え、
前記第1拡散層は、前記第2拡散層内に形成されている、
請求項1に記載の半導体装置。
further comprising a second diffusion layer of a second conductivity type formed in a surface layer portion of the semiconductor substrate,
the first diffusion layer is formed within the second diffusion layer,
The semiconductor device according to claim 1.
前記半導体基板はSiを含み、
前記金属膜はTiを含み、
前記反応層は、C49構造の結晶構造を持つTiSiである、
請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
The semiconductor substrate includes Si,
The metal film contains Ti,
The reaction layer is TiSi2 having a C49 crystal structure.
The semiconductor device according to claim 1 or 2.
Siを含む半導体基板の表層部に拡散層を形成する工程と、
前記拡散層上の互いに異なる個所のそれぞれにTiを含む金属膜を形成する工程と、
680℃以上740℃以下の熱処理により、前記拡散層のSiと前記金属膜のTiとを反応させてTiSiからなる反応層を形成することで、前記拡散層、前記金属膜および前記反応層からなる拡散抵抗を形成する工程と、
を備え、
前記反応層の厚さをL、前記拡散層における前記反応層下の領域の厚さをMとすると、L<M<4Lの関係が満たされている、
半導体装置の製造方法。
a step of forming a diffusion layer in a surface layer portion of a semiconductor substrate containing Si;
forming a metal film containing Ti at different locations on the diffusion layer;
By heat treatment at 680° C. or higher and 740° C. or lower, Si in the diffusion layer and Ti in the metal film are reacted to form a reaction layer made of TiSi 2 , thereby removing the diffusion layer, the metal film, and the reaction layer. a step of forming a diffused resistor ,
Equipped with
When the thickness of the reaction layer is L and the thickness of the region under the reaction layer in the diffusion layer is M, the relationship L<M<4L is satisfied.
A method for manufacturing a semiconductor device.
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