JPS60262453A - ポリシリコン中に抵抗を作る方法および半導体素子 - Google Patents

ポリシリコン中に抵抗を作る方法および半導体素子

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JPS60262453A
JPS60262453A JP60116298A JP11629885A JPS60262453A JP S60262453 A JPS60262453 A JP S60262453A JP 60116298 A JP60116298 A JP 60116298A JP 11629885 A JP11629885 A JP 11629885A JP S60262453 A JPS60262453 A JP S60262453A
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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、1.:とえぽランダムアクレスメ上りにおい
て典型的に使用される種類の半導体抵抗を製造づる方法
おJ:びそのJ:うな半導体素子(、−関Jるものであ
る。
〔従来の技術〕
熱活性化エネルギーの低いポリシリコン抵抗がFP−A
−0112−097および米国特許出願第449,98
2号および第449.984号の明細書に記述されてい
る。これらの出願における開示は参照によってここに組
込まれる。
それらの特許出願の明細書には、絶縁体り′なわち誘電
体により基板から分離されたポリシリコン構造を有する
ポリシリコン抵抗が記載されている。
このポリシリコン構造の中央部分にはP形不耗物がドー
ピングされる。そのポリシリコン構造はN形不純物をド
ーピングされた領域も右する。それらのドーピングは熱
活性化エネルギーが約0.5eVより低いJ:うなもの
である。中間領域にはP形= 4 − とN形の不純物をドーピングでき、実施例においては抵
抗の外側にはP影領域が形成され、内側にはN影領域が
形成される。熱活性化エネルギーが低いどポリシリコン
素子の構造を正常な動作温石で希望の抵抗値範囲内に置
くことができること、および高温度で過大な電流をとり
出すという欠点を示すことなしに、低い温度でもかなり
の洩れ電流を抵抗がマスクできることが見出されている
スタチックRAMにお【」る負荷抵抗の桑型的な抵抗値
は約0.1〜50ギガオームである。
本発明は、たとえばスタチックRAMにおける負68素
子として使用するのに適する抵抗を製造する方法に関す
るものである。先の特許出願はそのような抵抗素子を製
造する方法は開示しでいるが、本発明の方法は開示して
いない。要約すれば、それらの特許出願は開示された抵
抗を製造するための方法を少くとも3つ記述している。
第1の方法はシリコン基板上にフィールド酸化物を得る
ために、絶縁層の上にポリシリコンを付着し、そのポリ
シリコンにN形不純物を1立方1当り約1028個まで
の製電で一様にドーピングし、それからその淵raに等
しいか、それより高いが、1立方c#r当り1018@
lより低くない濃度で1)形不純物をポリシリ−1ンに
一様にドーピングする。次の工程は抵抗領域をマスクし
、それからポリシリコンのマスクされていない部分をP
形不純物の温度より高い濃度でN形不純物をドーピング
する。前記特許出願に開示され−Cいる方法は、絶縁層
によりq1結晶シリ]ン層から分離されたポリシリコン
層も得る。
次に、抵抗領域をマスクし、残りのポリシリ−1ンにN
形不純物を1立方cm当り約1021個の濃度までドー
ピングする。それから、抵抗領域を除くポリシリ」ン領
域全体をマスクして、抵抗領域を1立方cm当り約10
20個の濃度ぐN形不純物をドーピングする。それから
、マスクをでのままにして、抵抗領域にP形不純物を1
立万cm当り約1018〜1020個のII庶で(ただ
し、抵抗領域にドーピングされたN形不純物の濃度J:
り高いか、その濃度に等しい)ドーピングする。
前記特n出願に開示され−Cいる第3の方法はシリコン
基板−1−の絶縁層の上にポリシリコン層をIUJるこ
とである。そのポリシリコンにN形不純物を1立方ex
当り約1020個までの濃度で一様にドーピングする。
ポリ線をエツチングした後で、抵抗領域にN形不純物の
濃度をこえる濃度でP形不純物をドーピングできるにう
に、抵抗領域を除く全ポリシリコン領域をマスクする。
それらの方法により、約0.1−0,35eVの熱活性
化エネルギーを有り−るポリシリコン抵抗が形成された
。その熱活性化工ネル1゛−は通常のポリシリコン抵抗
の0.5〜約0,6eVの熱活性化エネルギーj−りか
なり効果的である。ぞのJ:うに改良されたポリシリコ
ン抵抗は、メモリセルが状態を変えるほど大幅にメモリ
セルにお【ノる電圧を変えることなしに低温度において
より多くの洩れ電流を許容でき、しかも高温度において
最大電流限界内に留る。また、不純物潤度に対する抵抗
の感度が大幅に低下覆る。Jなわち、その感瓜は11桁
当り約5.3桁、即ち1ディケード当り5.3デイケー
ド(抵抗値対不純物濃度)から1デイケー 7 − 一部当り0.2デイケードまで低下りる。
〔発明の概要〕
本発明はポリシリコン抵抗の製造に含まれるそれ以上の
処理■稈を記述り−るものである。この明ill書にお
いてはポリシリコン抵抗を表すために「ダイA−−ド」
という用語を時どき使用り−ることにする。その理由は
、得られた構造が、その構造のドーピングと構成を考え
ると、逆直列接続されたダイオードに電気的に類似する
からである。
本発明に従って、ポリシリコン構造の領域に導電形の異
なる不純物をドーピングする工程を備えるポリシリ−1
ン中に抵抗を作る方法においで、ドーピングの後で構造
を熱処理することにJ:リポリシリコン中に抵抗を作る
方法が得られる。
本発明は、1つの導電形のドーピング不純物を含む第1
の領域と、電気的に逆の導電形のドーピング不純物を含
み、前記第1の領域に隣接する第2の領域とを右するポ
リシリ−1ン構造を形成Jる■稈と、 ポリシリコン構造をアニールする■稈と、−〇 − を備える半導体集積回路用のポリシリコン中に抵抗を作
る方法にも拡張される。
本発明の一実施例においては、ポリシリコン抵抗を支持
しているつ■バー全体の温度を1100℃まで5秒間で
上昇させ、それから急速に冷却するJ:うにして構造を
急速にアニールする。これはウェハー上の素子に金属を
加える前に行う。この熱処理により抵抗の特性が改善さ
れたことが認められた。熱処理の温度または時間を調整
することにより、または冷却速度を制御りることにJ:
り抵抗値を調整できる。
本発明の方法により処理された素子はある程度物理的な
変化を受()る。熱処理中に欠陥が動くことができるよ
うになり、動こうとする。この熱処理により粒子(or
ain )境界が不活性化(パッシベート)される。ポ
リシリコンが再結晶化して単結晶状に極め−C近くなる
熱処理工程により熱活性化エネルギーが低くなることも
認められている。急速なアニールを行わないと、熱活性
化エネルギーは約0.21eVであつだ。しかし、急速
なアニールを使用することにJ:り熱活性化工ネル1゛
−は約0.13eVまC低1;する。前記特許出願に開
示されているように、欠陥にJ、りひぎ起きれる洩れを
マスクするために抵抗が用いられるから、熱活性化エネ
ルギーが低下Jることは、抵抗の全体の性能が向」]シ
たことになる。実際に、洩れ自体は少くとも約0.2e
Vである温度活性化エネルギーを有J°るものと考える
ことができる。ポリシリコン抵抗の熱活性化エネルギー
を欠陥す<fわら洩れに対する活性化エネルギーより低
いとすると、低温度では、ボリシリニ1ン抵抗は室温で
マスクされる電流より多くの電流をマスクできる。低温
度にお()るテストは困姉で、費用がかかるから、それ
は重要となる。低湿iでは水の凝結によりプ[I−ブの
先端部で凍ることがあり、そのために良品が廃東される
ことがある。
その結果、得られたポリシリコン抵抗が(II温度範囲
において非常に良く機能するから、本発明にJ:り低温
度テストが可能とされる。製造者が2回の高温度テス]
・ど1回の低i!!度テストを通常行うものどJると、
本発明を使用することによりたつた2回のテストで満足
な結果を得ることができる。
これより製造者のデスト能力が33%増大覆る。
低温度においては、メモリにおける重大な故障はデータ
保持の故障である。それらの故障は接合部における洩れ
により生ずる。本発明方法にJ:す、従来の抵抗の接合
部洩れの10倍までの接合部洩れレベルでポリシリコン
抵抗が満足に動作できる。
したがって、本発明ににり最終テストの合格率が高くな
る。このことは全ての製造者にとって小人な関心事であ
る。
〔実施例〕
以下、図面を参照して本発明を訂しく説明する。
第1図は、ポリシリコン抵抗を含んでいる集積回路、た
とえばメモリ回路、の製造に使用する半導体素子の一部
の横断面図を示す。ポリシリコン抵抗のみを製造する■
程は次の通りである。シリコン基板10に約6000オ
ンゲスト1]−ムの厚 1さのフィード酸化物すなわち
ゲート酸化物12を被mする。厚さが約4500オンゲ
ス]・1」−ムの= 11 − 多結晶シリコン(ポリシリコン)の層14を層12の上
に付着する。次に、ポリシリコン層14の全面にホウ素
を、たどえば27 KcVで打ちこみ(矢印15)、1
平方cm当り約1×1015の1[にドーピング覆る。
これは比較的低い′Ia度であることがわかるであろう
。この不純物ドーピングによりポリシリコンはP形とな
る。
次に、酸化物層12の上にポリシリコン層16を形成す
るために、マスクを使用するような従来の技術によりポ
リシリコン層を形成する。第2Δ図はこのgA造工程に
お【)る構造の側面図である。
次のに稈はスチーム雰囲気中でボリシリニ1ンを加熱す
ることである。この加熱により、先に注入されたホウ素
がボリシリニ]ン層16の全体に分布さlられるととも
に、約400〜500オンダスト[1−ムの厚さの熱酸
化物層18が形成される。
その熱酸化物層18の横断面図が第3A図に示され、側
面図が第3B図に示されている。
次に、ポリシリコン層16の上にフォトレジストを冒く
。この例にお【ノるフォ1−レジス]・20の−12− 相対的な向きを示1゛平面図が第4図に示されている。
第5A図は第4図のI−I線に沿う横断面図、第5B図
は第4図の114線に沿う断面図である。
フォトレジスト20は当業者によりソース−トレイン注
入マスクと呼ばれる。このマスクの厚さは約10000
オングストロームである。フォトレジストを付着した後
でポリシリコン層16のうち抵抗を形成すべき部分すな
わちフォトレジストにより覆われていない部分にひ素を
多量に注入する。
このひ素ドーピングによりその部分はN形ポリシリコン
どなる。ポリシリコン層16のうちフォトレジスト20
により覆われている部分はP形のままであるが、そのP
影領域は2つのN影領域の間にサンドイッチ状に挟まれ
る。このIN造は逆直列に接続されたNPNホウ素・シ
リコンダイオードに多少類似する。このひ素注入工程は
希望により、約180にeVで1平方cm当り約5×1
015個の濃度のソース−ドレイン注入に組合わすこと
ができる。
それからフォトレジストマスク20を除去するど第6図
に示づ構造が得られる。この第6図は第5B図に対応す
る側面図であって、ひ素をドーピングされたポリシリコ
ン領域22.2=1と、はう索をドーピングされた中央
領域26とが示されている。それらの領域は全てポリシ
リコン層16の中に示されている。このようにして(;
)られたN’ PN”の構造はポリシリコン中の逆直列
に接続されたホウ素ダイA゛−ドの電気的特性を右り゛
る。
逆バスアス抵抗率は熱処理と、ドーピング製電と、加熱
サイクル中の周囲条件おJ:び電圧どの関数である。通
常の処即a3よび1000’Cのす70−(reflo
w)に対しては、抵抗値は、横断面の面積が約1ミクロ
ンの場合に5ボルトにおいて約1×109オームとなる
この構造の形成前と形成後に、メモリその他の種類の集
積回路に必要な1−ランジスタその他の構造を作るため
にその他の]二押が実行される。
しかし、金属、一般的にはアルミニウムを素子に加える
前に急速イ1アニールT程が行われる。このアニール■
稈はハロゲン加熱灯を用いる加熱装置を用いて行われる
。たとえば、この加熱装置どしては、アメリカ合衆国カ
リノAルニア州94303パロ・アルド(Palo 八
1to)所在のAGアソシエーツ(AG As5oci
ates )に、J、り製造されでいる1」F A T
 P LJ I S E 2101自動単−r) Tハ
加熱装置を使用できる。パリアン(vartan)黒鉛
加熱装置のJ:うな他の種類の加熱装置も使用できる。
加熱装置の種類は必要に応じて選択できる。
1−I E A T P U L S E 2101加
熱装冒中の加熱灯を使用づ−る時は、半導体素子を含ん
でおり、加熱ずべぎウェハーを加熱室の中に置いてから
加熱灯を点灯覆る。つ■バーは急速に、たどえば20秒
より短い時間内に加熱される。加熱の雰囲気はアルゴン
、窒素または空気である。つ」バーを2秒間またはそれ
以上この環境に置くが、なるべく5秒間に覆る。(しか
し、その環境内にあまり長く置きすぎると接合部が遠く
動ぎすぎて索子の特t/1−に悪影響を及ばず。)次に
、高ルa欠陥の分イ11を固 1定するために、加熱灯
への供給電力をできるだ()急速に減少覆る。
 15− このアニール■稈の結果としてポリシリコンが再結晶す
ると信ぜられる。この結晶化はより粒界に基づく電位障
壁が低くイする。Jまた、結晶化ににすJ、り多くの不
純物物質を活性化する。粒界の電位障壁が低くなったこ
とど、自由キ11すVの濃度が高くなったことが組合わ
されて、与えられた電圧に対づるポリシリコンダイオー
ドの逆バイアス電流が増大することになる。したがって
、ダイオードの実効抵抗値が約1桁はど低くなる。回路
中の他の抵抗値も低くなる。とくに、ドーピングされた
ポリシリコンの抵抗率が約21%低くなり、埋込まれた
接点の抵抗値が約32%低くなる。そのI(めにメモリ
の速度が高くなる。ドーピングされた単結晶の抵抗率も
15%だけ低くなる。
最高持続温亀は1200℃をこえ(G、’U <Lらな
いことが見出されており、1100℃のアニール淵疫で
最適の結果が得られた。アニール時間はブ[1−ブの歩
留りを低下させることなしに2〜20秒にできる。アニ
ール時間を知くJるとセル抵抗(RCELL ”)の値
の低下が人ぎくなる。ポリシリコ−16− ン抵抗率(RPOl、Y )のような他の抵抗値および
埋込まれた接点の抵抗値(RBC)のよう2.に他の抵
抗値はその効果を示さない。114人の低下には2秒以
内に達し、アニール民間によっ−C変ることはない、。
以下に示1表は、アニール時間を変えた+b5のテスト
の結果を(標準偏差による平均数で)示Jものである。
第1表 アニール時間 型 1100℃ RCEL土 RPOIY RB C(秒)
 ウェハー (GΩ) 〈Ω/fiii’l) (KΩ
)2 平 均 182.0 0.134 18.25 
43.96標準偏差 26.5 0.006 0.31
 2.655 平 均 176.8 0.150 18
.06 45.98標準偏差 37.2 0.005 
0. /15 2. E)710 平 均 172.5
 0.182 18.17 /I71.98標準偏差 
36.1 0.003 0.25 3.0820 平 
均 184.OO,22218,4543,7’1標t
l+:偏差 26.2 0.009 0. /I5 2
.85アニール時間は希望の抵抗値が冑ら杓るように選
)Rできる。温石が1100℃で、最高冷11速痘にお
いて2秒のアニール時間において最高の結果が111ら
れた。
接合部の洩れ障害に関しては、本発明のポリシリコン抵
抗【、1前記特許出願に記載されているホウ素がドーピ
ングされたポリシリコン抵抗に匹敵J−る。スタブック
メ七り、どくにインモス(Tnmos)IMS1400
素子にホウ素抵抗が使用される場合には、基板に負の1
0ボルトを加えてデータの保持について接合部の洩れを
テス:〜した。イのテストに使用しIこホウ素抵抗は3
8%、21 /1%、14.7%、15%(平均21.
2%)の接合部洩れ障害を示した。−万、RABID抵
抗を用いたメモリは1.85%、0%、0゜68%、2
.09%(平均1.13%)の接合部洩れ障害を示した
。したがつ−(、RABID抵抗はより小ざい接合部洩
れ障害を示した。
第7図はスタチックメモリに使用できる各種の抵抗につ
いての抵抗値とり、[の関係を示すグラフである。標準
的なポリシリコン抵抗の活性化エネルギーは約0.5e
Vで、−55〜100℃の濃度範囲にわたってib大ぎ
い変化を行う。それが第7図のカーブ30で示されてい
る。いわゆる[はぼ補償されたダイオード、1(NCI
))がカーブ32により示されている。この素子は前記
特許出願に記載されており、中央領域にP形不純物どN
形不純物を有し、側面の2つの領域に[〕形またはN形
の不純物を右Jるポリシリコン抵抗より成る。
その種類の素子の熱活性化エネルギーは約0.33eV
である。前記特許出願にも記載されているいわゆる「ホ
ウ素ダイA−ド」はカーブ34で示され、それの熱活性
化エネルギーは約0.20eVである。カー134によ
り表されている抵抗番よ全湿度範囲にわたって抵抗値が
大きく変化する。このRABID抵抗の熱活性化エネル
ギーは0.13eVrある。カー136は一55℃にお
いても10ナノアンペアの洩れ電流を遮へいす する点
で理想に近い。ぞの」二に、150℃においてもメモリ
は電流の下限を超えさけない。
−19− 第8図は第7図と同じ参照番号を使用しており、不純物
濃度(1平方Cm当り)と抵抗値(ギガΩ)の変化との
関係を示づグラフである。第8図を描く!こめに、イン
モスI M S 1 /1. OO;(+たは1420
メ王りを保持するつ■バーは、製造時に5秒間の110
0℃の急速イ【アニールど、ぞれに続く冷却を受けた。
理想的4rカーブ37が、高温度にお番)る電力の下限
に適合し、与えられた不純物濃度に対し−C1qること
ができる熱活性化エネルギーを右Jる抵抗の泪咋された
抵抗値から描かれている。
RASID抵抗(カーブ36)はボウ累濃亀が1平方o
n当り1014〜1015の濃度範囲における理想的な
カーブ37をたどることがわかる。
第9図は各種の抵抗についての熱活性化エネル1゛−を
示リグラフである。RAIT311)素子(カー136
)は、与えられた不純物m度に対して、N C[〕型ま
たはホウ素ダイオード型の抵抗より但い熱油+11化エ
ネルギーを右Jることが第9図かられかる。
結論として、本発明のポリシリコン抵抗の製造−20− における急速アニール工程により、0℃において30ナ
ノアンペアまでの電流をマスクする抵抗が得られた。こ
れは、ホウ素をドーピングされた標準偏向なポリシリコ
1ン抵抗の僅かに2ナノアンペアおよび標準的なポリシ
リコン抵抗の0.1ナノアンペアと比べられる。軍用の
一55℃低温試験においては、本発明のRABID抵抗
は8ナノアンペアをマスクする。これは急速なアニール
工程を行わないホウ素ドーピングポリシリコン抵抗の0
.3ナノアンペア、および標準的なポリシリコン抵抗の
0.5ピコアンペアと比べられる。このように、本発明
により性能が劇的に向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は多結晶シリコンの抵抗の製造において用いられ
る半導体素子の横断面図、第2A図は抵抗を作るポリシ
リコン層を示1横新面図、第2B図は第2A図の側面図
、第3A図および第3B図は後の処理工程において形成
された酸化物を示す横断面図および側面図、第4図はポ
リシリ]ン層の−1−にお1ノるフッ11〜レジストの
向ぎを承り平面M1NS 5 A図(,1第1図のI 
−I線に沿う中i面図、第5)8図は第4図のIr −
n線に沿う断面図、第6図は得られた構造を示?J[g
ii面図第7図(,1本発明にJ、り得られた抵抗ど従
来の抵抗を比較し−C示Jグラフ、第8図は注入された
不純物の淵疾ど抵抗値との関係を本発明の抵抗と従来の
抵抗を比較して示Jグラフ、第9図は何秤類かの抵抗に
ついC熱油v1化]ネルギーと不純物a! Wとの関係
を示1グラーノである。 10・・・基板、12・・・フィールド酸化物層、14
・・・多結晶シリコン層、16・・・ホウ素をドーピン
グされたポリシリ」ン層、1B・・・熱酸化物層、2゜
・・・フAトレジスト。 出願人代理人 猪 股 酒  23− バー12IN

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 ポリシリコン構造の領域に異なる形の不純物をド
    ーピングJる工程を備えるポリシリ二lン中に抵抗を作
    る方法において、ドーピングの後で構造を熱処理するこ
    とを特徴と覆るポリシリコン中に抵抗を作る方法。 2、特許請求の範囲第1項記載の方法であって、前記熱
    処理工程は制御された温度まで構造を迅速に加熱覆るこ
    とを含むことを特徴とする方法。 3、 特許請求の範囲第1項または第2項記載の方法で
    あって、前記熱処理工程は、構造の温度を制御された時
    間だけ高温度に保ち、それからその構造を制御しつつ冷
    に11゛ることを含むことを特徴どする方法。 4、 特許請求の範囲第1〜3項にいずれかに記載の方
    法であって、構造を迅速に加熱J“る■稈ど、制御され
    た時間の間高い周囲温度に保つ工程ど、それから構造を
    制御された速さで冷却する工程とを備えることを特徴と
    する方法。 5、 特許請求の範囲第3項または第4項記載の方法で
    あって、前記冷却■稈は加熱出力をできるだけ速く減少
    させることを含むことを特徴どする方法。 6、 特許請求の範囲第1〜5項のいずれかに記載の方
    法であって、900度より高<1200度より低い周囲
    温度の迅速な変化にWJ造をさらす工程と、その周囲温
    度を約5秒間保つ工程と、周囲温度を制御された速さで
    降下させる■稈とを備えることを特徴どする方法。 7、1つの形のドーピング不純物を含む第1の領域と、
    電気的に逆のドーピング不純物を含み、前記第1の領域
    に隣接する第2の領域とを有するポリシリコン構造を形
    成Jる■稈と、 ポリシリコン構造をアニールする工程と、を備えること
    を特徴とする半導体集積回路用のボリシリコン中に抵抗
    をrl−る方法。 8. 特許請求の範囲第7項のlj法であっτ、前記ア
    ニーリングゴー稈は制御された温度まで構造を迅速に加
    熱覆ることを含むことを特徴どりるノj法。 9、 特許請求の範囲第7項;1;たは第8項に記載の
    方法であって、前記アニーリング■稈は、構造の温石を
    制御された11)間だ1′l高温度に保ち、ぞれからそ
    の構造を制御しつつ冷7J1りることを含むことを特徴
    どする方法。 10、 特許請求の範囲第7〜9項のいずれかに記載の
    方法であって、構造を迅速に加熱する工程と、制御され
    た時間の間高い周囲温度に保つT稈と、それから構造を
    制御された速ざで冷却J−る−1−稈どを備えることを
    特徴どJる方法。 11、 特許請求の範囲第9項または第10項に記載の
    方法て゛あつC1前記冷却工程番、1加熱出力をできる
    だけ速く減少ざIることを含むことを特徴とη゛る方法
    。 12、特許請求の範囲第7・〜11項のいずれかに記載
    の方法であって、900度より高く1200度より低い
    周囲温度の迅速な変化に構W■をざらす工程と、その周
    囲温度を約5秒間保っ工程と、周囲温度を制御された速
    さで降下ざIL−る]−程どを備えることを特徴とする
    方法。 13、 シリコン基板上に酸化物層とポリシリコン層を
    重畳する工程と、ポリシリコンに1つの導電形の第1の
    ドーピング物質をドーピング覆る工程と、ポリシリコン
    の部分に他の導電形の第2のドーピング物質をドーピン
    グする]二押ど、≧1′導体−素子をアニーリングする
    ■稈とを備えることを特徴とする半導体素子を製造する
    方法。 14、 シリコン基板と、この基板上の重畳された酸化
    物層およびポリシリコン層とをゼ^え、前記ポリシリコ
    ン層は第1の領域と第2の領域を右し、前記第1の領域
    には1つの導゛市形の不純物がドープされ、前記第2の
    領域には他の導電形の不純物がドープされ、前記第1の
    領域および前記第 12の領域のドーピング後にアニー
    ルされることを特徴とする半導体素子。 −3−
JP60116298A 1984-05-30 1985-05-29 ポリシリコン中に抵抗を作る方法および半導体素子 Pending JPS60262453A (ja)

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