JPH03253067A - 抵抗体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】 本発明はシリコン（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム
（Ｃｒ）系サーメット（Ｃｅｒｍｅｔ：セラミックスと
金属との複合合金）の薄膜抵抗体及びその製造方法に関
する。 （従来の技術］ 近年、半導体集積回路に使われる受動素子としての抵抗
体は抵抗の要求値及び集積回路との適合性を考慮して選
択される。代表的な集積化抵抗体の種類と特性は１例え
ば、ＬＳＩハンドブック（電子通信学会編）に、下記の
ように記載されている。 （１）単結晶シリコン抵抗体 この抵抗体は、単結晶ウェハー基板内に例えば燐、ボロ
ン等の不純物をイオン注入し、熱処理して得られる。層
抵抗：　２００Ω／□からＩＯＫΩ／□、精度：±１０
％、温度係数：　５００から３０００ｐｐｍ／ｄｅｇの
ものが開発され、バイポーラ集積回路に良く使われてい
る。 （２）多結晶シリコン抵抗 この抵抗体は、ウェハー基板上又は酸化膜上に、多結晶
シリコンのドーピング膜を真空蒸着法、イオンブレーテ
ィング法、スパッタリング蒸着法、化学気相法等によっ
て堆積形成して得られる。高濃度ドープ形（約１０の２
０乗から１０の２１乗・ａｌ？）では、層抵抗＝１５か
ら２００Ω／□、精度：±２０％、温度係数ニー８００
から１１０００ｐｐ／ｄｅｇのものが開発され、バイポ
ーラとＭＯＳへの適合性が良好である。また、低濃度ド
ープ形（１０の１８乗・ｄ以下）では、層抵抗：１ＭΩ
／□から１００ＧΩ／□、精度：±５０％以上、温度係
数ニー（１から６）％／　ｄ　ｅ　ｇのものが開発され
、非線形の傾向がある。 （３）金属薄膜抵抗。 金属を上記（２）の形成方法と同様にして、層抵抗：２
０から５００Ω／□、精度：±１５％、トリミング後±
０．０１％、温度係数：±５０ｐ　ｐ　ｍ　／　ｄ　ｅ
　ｇのものが開発されている。 上記（１）記載の単結晶抵抗は容量、ダイオード、接合
ＦＥＴ効果による抵抗値の電圧依存性等に難がある。上
記（２）記載の多結晶シリコーン抵抗は酸化膜上に形成
されるので寄生容量だけが問題となる。上記（３）の金
属薄膜抵抗は半導体集積回路との適合性が良くないが、
抵抗値のトリミングが容易なので精度を要するアナログ
集積回路の基準抵抗等に用いられている。 また、高い固有抵抗値を持つ抵抗体として、Ｃｒ−８ｊ
Ｏ系サーメツトが実用化されているが、この系は安定度
が低く、再現性が悪い等の製造上の問題点も多い。 また、特開昭６０−１１６１０４には、Ｔａ−Ｃｒ−８
ｉ系サーメツトの合金薄膜をフォルステライト基体に着
膜して、これをスパイラル・カットで、比較的低い抵抗
値（３にΩ）範囲の抵抗体にした例も記載されている。 ［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、次に記載するような問題を有していた
。 第一の問題は層抵抗の要求値である。すなわち、従来の
層抵抗値は前述の如く、ＩＯＫΩ／□（単結晶シリコン
抵抗体）以上の中高抵抗範囲で適当な抵抗体が得られ難
かった。例えば、メモリーセルの高利得負荷用抵抗体で
は、高密度に伴い専有断面積の縮小化に向け、従来より
も小形で過負荷に耐え層抵抗値の高い抵抗体が要求され
ている。 第二の問題は抵抗の温度係数（周囲温度の変化による抵
抗値の変動）である。前述の如く、温度係数の優れる金
属薄膜抵抗は層抵抗に上限（５００Ω／□まで）が有り
、適用の制限を受ける。また固有抵抗の高い多結晶シリ
コン低濃度形抵抗は１Ｍ０７口以上で温度係数は−（王
から６）％／　ｄ　ｅ　ｇ程度までであった。 第三の問題として、抵抗値の精度の高さである。 高集積回路では各単体素子の供給電源は限られた定電圧
の元に印加される。そのため、各素子間の抵抗のバラツ
キは安定動作を阻害し、バラツキによる局所的電力の集
中は素子間の破損を導く等の欠点が発生する。前述の中
で精度の高い抵抗体は金属薄膜抵抗体（トリミング後±
０．０１％）であるが、抵抗値が低いという難があり、
第二、第三の欠点を通して、中高抵抗値の要求に帰着す
る。 また抵抗値の精度を高めるためのトリミング工程は作業
を複雑にし、歩留まりを下げている。 第四の問題は半導体集積回路の適合性である。 前述の抵抗体の中で一応層抵抗の要求値を除けば金属薄
膜抵抗体は現状では最も優れた抵抗体として高く評価で
きるものである。しかしながら、金属と絶縁物とでは、
熱膨張係数が異なる。すなわち、絶縁物膜上に金属薄膜
を堆積する時や堆積後の熱処理工程、さらには抵抗体素
子として動作中の吸熱発熱温度による熱膨張、ストレス
が原因で、剥離やクラックの発生が起こり、このために
集積回路製造工程、動作中での適合性が好ましくないと
いう結果をもたらしている。 また、Ｔａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｐｂ等の酸化物は高誘電体物
質として知られている。そのため、熱処理や堆積時に酸
素と反応して薄膜抵抗体中に酸化物が生成されると、後
述の交流特性試験結果に見られるように、容量性インピ
ーダンスの影響を受けて、交流動作で抵抗値が定まらな
いという問題を生じている。 本発明は、特に中高抵抗値範囲において抵抗値の精度が
高く、温度特性に優れ、かつ半導体集積回路への適合性
及び再現性の良いサーメット系薄膜抵抗体を提供するこ
とを目的とする。 本発明は、そのような抵抗体の製造方法を提供すること
を第２の目的とする。

【課題を解決するための手段】

上記目的は、（１）一般式ＳｉｘＮｉｙＣｒｚＧ（ただ
しｘ、ｙ、ｚはＯ＜　ｘ≦９５原子％、０＜ｙ≦６０原
子％、Ｏ＜　ｚ≦５０原子％かッｘ＋ｙ＋　ｚ　＝　１
００原子％の範囲の値、Ｇはスパッタリングを行なう条
件において気体又は蒸気である分子又は元素で０２以外
のものを表わす）で表わされることを特徴とする抵抗体
、（２）組成式がｓ　ｉ　（ｘ）Ｎ　ｉ　（ｙ）Ｃｒ（
ｚ）　（ただしｘ、ｙ、ｚは０　＜　ｘ　≦９５原子％
、Ｏ＜　ｙ≦６０原子％、０〈２≦５０原子％かつｘ　
十ｙ　＋ｚ　＝　１００原子％の範囲の値である）から
成るターゲットを用い、般弐〇（ただしＧはスパッタリ
ングを行なう条件において気体又は蒸気である分子又は
元素でｏ２以外のものを表わす）を含む雰囲気中で化学
気相反応性スパッタリングにより蒸着させてなることを
特徴とする抵抗体、（３）上記２記載の抵抗体において
、蒸気Ｇは希ガス５から９５容積％、他のガス９５から
５容積％からなる気体又は蒸気であることを特徴とする
抵抗体、（４）上記３記載の抵抗体において、上記他の
ガスは、Ｎ２、ＳｉＨ４からなる群から選ばれた少なく
とも１種であることを特徴とする抵抗体、（５）上記１
．２゜３又は４記載の抵抗体において、上記抵抗体は、
１０Ω／□以上の抵抗値を有することを特徴とする抵抗
体により達成される。 上記第２の目的は、（６）組成式がＳｉ（ｘ）Ｎｉ（ｙ
）Ｃｒ（ｚ）（ただしｘ、ｙ、ｚはＯ＜　ｘ≦９５原子
％、Ｏ＜　ｙ≦６０原子％、Ｏ＜　ｚ≦５０原子％かつ
ｘ十ｙ＋ｚ：１００原子％の範囲の値である）から成る
ターゲットを用い、一般式〇（ただしＧはスパッタリン
グを行なう条件において気体又は蒸気である分子又は元
素で０２以外のものを表わす）を含む雰囲気中で化学気
相反応性スパッタリングにより蒸着させることを特徴と
する抵抗体の製造方法、′（７）上記６記載の抵抗体の
製造方法において、蒸気Ｇは希ガス５から９５容積％、
他のガス９５から５容積％からなる気体又は蒸気である
ことを特徴とする抵抗体の製造方法、（８）上記７記載
の抵抗体の製造方法において、上記他のガスは、Ｎ２．
ＳｉＨ４からなる群から選ばれた少なくとも１種である
ことを特徴とする抵抗体の製造方法、（９）上記６又は
７記載の抵抗体の製造方法において、上記化学気相反応
性スパッタリングは、基板温度５０℃以上の温度で行な
うことを特徴とする抵抗体の製造方法、（１０）上記６
又は７記載の抵抗体の製造方法において、上記化学気相
反応性スパッタリング後、基板温度５０℃以上の温度で
熱処理することを特徴とする抵抗体の製造方法により達
成される。 上記Ｇとして、（１）希ガス（ヘリウム、ネオン、アル
ゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）と（２）水素、
リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、
アルミニウム、シリコン、リン、イオウ、塩素、チタン
、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッ
ケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、セレ
ン、臭素、ルビジウム、イツトリウム、ジルコニウム、
ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウ
ム、銀、インジウム、スズ、アンチモン、テルル、ヨウ
素、タンタル、タングステン、レニウム、イリジウム、
白金、金、水銀、タリウム。 鉛、ビスマス、ランタン、セリウム、サマリウム。 ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、エルビウム
、イッテルビウムの各単体元素、ないしはそれ以上の元
素から成る化合物気体（蒸気）との混合物が好ましい。 上記抵抗体は、半導体集積回路に用いて適合性があった
。またこのような半導体集積回路を集積回路システムに
用いて優れた効果を示した。

【作用】

本発明の実施効果について表に基づいて説明する。第１
表はＳ　ｉ　−Ｎ　ｉ　−Ｃｒの組成比をそれぞれ変え
たターゲットを用い、従来のスパッタリング蒸着法で形
成した抵抗体の熱処理温度と層抵抗範囲を示す。組成比
はＳｉ、Ｎｉ、Ｃｒのチップを用い、その面積を変える
ことにより決定した。 表中、３番に示す抵抗体の場合は熱処理温度４００℃、
３０分後で層抵抗は５５％程度増加する。 （以下余白） 第１表 抵抗体の安定度は熱処理温度に関係し、高温度処理にな
る程、安定度は増してくるが集積回路製造工程では前後
の工程で制限を受ける。例えば、前工程で半導体に熱拡
散法やイオン注入法で不純物をドーピングし、活性化ア
ニールを行なえば、後工程における高温熱処理により不
純物の再分布。 逆アニール現象、二次欠陥の発生に伴う不純物の析出等
が生じる。そのため熱処理条件を注意深く設定しなけれ
ばならない。 さらに安定性に優れ、抵抗値の精度が高い薄膜抵抗体を
得るためには、ターゲット材料は高融点、耐酸化性物質
はど望ましい。含有Ｓｉが増える程半導体集積回路との
適合性の効果は強められる。 表に見られるように、組成比の調合による層抵抗値の変
化はＳｉの含有率が増す程、層抵抗値が高くなり、Ｓｉ
の組成比８０％以上付近から層抵抗は急激に変化する。 所定の中高抵抗値の薄膜抵抗体を形成するためにはＳｉ
の含有率が支配的となり、固有抵抗値の決定には組成比
制御がクリティカルである。　抵抗温度係数は、一般的
に金属は正、半導体は負の抵抗温度係数として働くこと
が知られている。前述の例の如く、抵抗体組成中の半導
体成分（Ｓｉ）が支配的になると負の温度係数が強くな
る。同様に金属成分（Ｎｊ、Ｃｒ）の含有率が小さいと
、集積回路製造工程との適用性としての効果が弱められ
る。抵抗体中の金属成分のＮｉは高融点金属と合金化し
易く配線金属との接触抵抗の低減に効果が有り、Ｃｒは
フォト・マスク材に使われて要るように密着性が良く、
硬化膜で加工寸法の正確さが良好である。以上のような
適用性の効果は、例えばフォトレジスト・パターンとド
ライエッチ法で微細形状に加工することが可能なため、
所望の抵抗値が高い精度で得られ、再現性のある薄膜集
積化抵抗体が実現できる。 本発明における金属含有率は最低５原子％である。次に
、金属含有率を損わずに広範囲な固有抵抗値の選択と自
由度を高める実施効果の例を述べる。第１図は石英基板
上に第１表の３番のターゲットを用いて、アルゴンと窒
素の混合ガス雰囲気中で反応スパッタリング法で形成し
た薄膜抵抗体の層抵抗と窒素濃度比の関係を示す図であ
る。窒素濃度の増加に伴い層抵抗は指数関数的（図中の
実線）に増加する。第１図から明らかなように、本発明
による薄膜抵抗体では窒素濃度比を調整することにより
、４桁以上の固有抵抗値範囲が得られることが判った。 また、金属成分の含有率を高めることができるため、前
述の集積回路との適用性が向上し、抵抗値の精度の向上
が計られた。 抵抗値の精度が高く、安定な薄膜抵抗体を得るためには
、上記の接触抵抗の低減、加工寸法の正確さ、膜厚分布
の均−性等の物理的要因と、組成比の一様性、耐熱性、
耐酸化性等の化学的要因が作用する。組成比の一様性に
関しては微粒子粉の焼結体を用いることが好ましく、耐
熱性を良くするには高融点元素の組み合わせを選ぶこと
が望ましい。また、酸化容易な元素や酸素を含む雰囲気
中での気相反応や熱処理は容量性インピーダンスが寄生
し純抵抗が得られない。 第２図はＳｉ：８０原子％、Ｎｉ：１６原子％、Ｃｒ：
４原子％のターゲットを用いてアルゴンと窒素の全体積
に対して窒素濃度比２０％で形成した薄膜抵抗体（熱処
理温度、４５０’Ｃ１３０分）の抵抗温度係数特性の例
を示す６周囲温度２０”Ｃから１．　Ｏ０℃の範囲で抵
抗温度係数は−０，１％／　ｄ　ｅ　ｇ以下、の高い安
定性を有することが確認できた。 第３図は交流特性試験結果のグラフである。図中のイの
実線は本発明によるＳｉ−Ｎｉ−ＣｒＮ系サーメットの
薄膜を第５図に示す形状に加工した抵抗体素子の２端子
間をＬＣＲインピーダンス・アナライザでＲ（抵抗）成
分の測定試験結果を示す。図から明らかなように周波数
に影響されず、電気的にも集積用薄膜抵抗体として適合
することが判かった。ウェハー基板内の精度は±５％で
あった。なお、図中の口の曲線は反応槽にリークが生じ
空気が混入した状態で形成した薄膜抵抗体の例である。 以上のように、シリコン−ニッケルークロム−窒素四元
系の組成例によっても固有抵抗値、温度係数、及び適合
性の選択が大巾に改善された。

【実施例】

次ぎに本発明の詳細な説明する。 （実施例１） 第４図は薄膜抵抗体形成装置の基本的構成図である。少
なくともｌＸｌ０−’Ｔｏｒｒ以下の圧力に排気するこ
とが可能な反応槽１の中に基板ウェハー２を置く。基板
ウェハー２を加熱するためのヒータ３で堆積中あるいは
堆積後、所望の雰囲気中で熱処理することができる。４
は電極、５はターゲット、６は高周波電源である。ガス
導入系７によるマスフローコントロールで流入ガスの混
合比を調節する。８は堆積時の薄膜抵抗値測定用センサ
ー、９はシャッター、１０は膜厚計、１１はバルブであ
る。 第４図に示す基板ウェハー２にサファイア基板を装填し
て、純度９９．９９９９％のＳｉ、Ｎｉ、Ｃｒの各超微
粒子をホットプレスで焼結した密度９０％以上のターゲ
ット５を電極４に取り付けて、基板温度２００℃の温度
に加熱して反応槽ｌを１０−’Ｔｏｒｒ程度まで排気す
る。排気後、ガス導入系７でＡｒ外ガス量５０ｓｅｃｍ
導入してガス圧力３Ｘ１０”−”Ｔｏｒｒにバルブ１１
を調節して、シャッター９を閉じた状態で高周波電力３
００Ｗで、プリスパッタリングを１０分間行なう。 次に、基板温度１５０℃に設定して、Ａｒガス流量４０
ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス流量１０１０５ｅを導入、ガス圧力
５Ｘ１０−”Ｔｏｒｒ、高周波電力２５０Ｗで反応性ス
パッタリングを行なう。この条件でシャッター９を開い
て、予め基板抵抗値とモニター抵抗値の補正が威された
抵抗値測定センサー８で所定の抵抗値まで堆積する。こ
の際、膜厚計センサー１０で膜厚を記録しておけば、以
後の堆積において膜厚を抵抗値で監視することができる
。上記の条件で形成した薄膜抵抗体を純窒素雰囲気中、
４００℃、３０分で熱処理を施した。 熱処理前後で層抵抗の変化は１％以内であった。 組成分析の結果からも熱処理前後で組成変動が見られな
かった。これらのことから、本発明の薄膜抵抗体は熱処
理後も構造上の変化が無く、層抵抗に関して高い安定性
を有することを確認した。また、熱処理前後で層抵抗値
の変化が小さいということは、モニター抵抗値で基板上
の要求抵抗値を容易に制御することができ、高精度で再
現性の有る薄膜抵抗体が得られた。 固定抵抗体を多量に製造する場合には上記の方法で決め
られたアルゴンと窒素の混合ガスボンベを用いることも
できる。 （実施例２） 実施例１と同様にしてプリスパッタリングを１０分間行
なった後、基板温度２５０℃に設定して、アルゴンガス
流量５０ｓｅｃｍ、ＳｉＨ４４％の窒素稀釈ガス流量１
５ｓｅｃｍを導入、ガス圧力を８Ｘ１０−’Ｔｏｒｒ、
高周波電力１５０Ｗで、膜厚１００Ｃ）Ｌまで堆積して
、暫時、反応槽内を１．０−’Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ程度まで
排気した。その後、窒素ガスを５００Ｔｏｒｒ導入して
、４５０℃。 １５分の熱処理を促した石英基板上の薄膜抵抗体を第５
図に示す形状にリソグラフィ法とドライエッチ法で加工
した。得られた抵抗体素子の８〜５間の抵抗値は１００
ＫΩで層抵抗値２０にΩ／□であった。

【発明の効果】

上記のように、本発明による薄膜抵抗体はシリコンを母
体として、ニッケル、クロム、より戊るターゲットを希
ガスと反応性気体を含む雰囲気中で化学気相反応法で蒸
着した薄膜を用いて構威し、適宜熱処理を施すことによ
って広範囲な固有抵抗値の抵抗体を再現性良く高精度に
形成でき、かつ、抵抗温度係数特性、半導体集積回路の
適合性及び交流特性に優れ安定性を高くすることができ
るもので、本発明の効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例であるＳｉ−Ｎｉ−Ｃｒ系サ
ーメットを用いて形成した薄膜抵抗体の抵抗値とスパッ
タリング時の窒素濃度比との関係図、第２図は抵抗温度
係数の特性図、第３図は交流特性試験結果の図、第４図
は薄膜抵抗体形成装置の一例の基本的構成図、第５図（
ａ）及び第５図（ｂ）は各々本発明の実施例２の薄膜抵
抗体素子の平面図及び断面図である。 １・・・反応槽　　　　　２・・・基板ウェハー３・・
・加熱ヒータ　　　４・・・電極５・・・ターゲット　
　　６・・・高周波電源７・・・ガス導入系 ８・・・薄膜抵抗値測定用センサー ９・・・シャッター　　　１０・・・膜厚計１１・・・
バルブ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一般式Ｓｉ＿ｘＮｉ＿ｙＣｒ＿ｚＧ（ただしｘ、ｙ
   、ｚは０＜ｘ≦９５原子％、０＜ｙ≦６０原子％、０＜
   ｚ≦５０原子％かつｘ＋ｙ＋ｚ＝１００原子％の範囲の
   値、Ｇはスパッタリングを行なう条件において気体又は
   蒸気である分子又は元素でＯ＿２以外のものを表わす）
   で表わされることを特徴とする抵抗体。 ２、組成式がＳｉ（ｘ）Ｎｉ（ｙ）Ｃｒ（ｚ）（ただし
   ｘ、ｙ、ｚは０＜ｘ≦９５原子％、０＜ｙ≦６０原子％
   、０＜ｚ≦５０原子％かつｘ＋ｙ＋ｚ＝１００原子％の
   範囲の値である）から成るターゲットを用い、一般式Ｇ
   （ただしＧはスパッタリングを行なう条件において気体
   又は蒸気である分子又は元素でＯ＿２以外のものを表わ
   す）を含む雰囲気中で化学気相反応性スパッタリングに
   より蒸着させてなることを特徴とする抵抗体。 ３、請求項２記載の抵抗体において、蒸気Ｇは希ガス５
   から９５容積％、他のガス９５から５容積％からなる気
   体又は蒸気であることを特徴とする抵抗体。 ４、請求項３記載の抵抗体において、上記他のガスは、
   Ｎ＿２、ＳｉＨ＿４からなる群から選ばれた少なくとも
   １種であることを特徴とする抵抗体。 ５、請求項１、２、３又は４記載の抵抗体において、上
   記抵抗体は、１０Ω／□以上の抵抗値を有することを特
   徴とする抵抗体。 ６、組成式がＳｉ（ｘ）Ｎｉ（ｙ）Ｃｒ（ｚ）（ただし
   ｘ、ｙ、ｚは０＜ｘ≦９５原子％、０＜ｙ≦６０原子％
   、０＜ｚ≦５０原子％かつｘ＋ｙ＋ｚ＝１００原子％の
   範囲の値である）から成るターゲットを用い、一般式Ｇ
   （ただしＧはスパッタリングを行なう条件において気体
   又は蒸気である分子又は元素でＯ＿２以外のものを表わ
   す）を含む雰囲気中で化学気相反応性スパッタリングに
   より蒸着させることを特徴とする抵抗体の製造方法。 ７、請求項６記載の抵抗体の製造方法において、蒸気Ｇ
   は希ガス５から９５容積％、他のガス９５から５容積％
   からなる気体又は蒸気であることを特徴とする抵抗体の
   製造方法。 ８、請求項７記載の抵抗体の製造方法において、上記他
   のガスは、Ｎ＿２、ＳｉＨ＿４からなる群から選ばれた
   少なくとも１種であることを特徴とする抵抗体の製造方
   法。 ９、請求項６又は７記載の抵抗体の製造方法において、
   上記化学気相反応性スパッタリングは、基板温度５０℃
   以上の温度で行なうことを特徴とする抵抗体の製造方法
   。 １０、請求項６又は７記載の抵抗体の製造方法において
   、上記化学気相反応性スパッタリング後、基板温度５０
   ℃以上の温度で熱処理することを特徴とする抵抗体の製
   造方法。