SE511816C3 - Resistor innefattande en resistorkropp av polykristallint kisel samt foerfarande foer framstaellning av en saadan - Google Patents

Description

.i min in im 10 15 20 25 35 511 816 nar en omättad bindning.

Det är känt, att de omättade bindningama kan blockeras, genom att väteatomer tillförs komgränsen. Väte kan förekomma i riklig mängd i skikt deponerade på en krets innehållande en polykiselresistor, exempelvis i passiveringsskikt av kiseldioxid eller ki- selnitrid, såsom typiskt 20 - 25% i de med hjälp plasma-CVD framställda passiveringsfil- mer av kiselnitrid, vilka konventionellt används som skydd för färdiga integrerade kretsar och komponenter.

Väteatomema regerar med bindningama och blockerar dem, så att de inte kan fort- sätta att fungera som fállor. Ett problem med väteatomer, som har bundits till de omät- tade bindningama, är emellertid, att bindningsstyrkan mellan väte och kisel är låg jämfört med exempelvis bindningen kisel-kisel. Bindningama kan därför lätt brytas upp, varvid vätet diffunderar bort från sina platser i komgränsema och de omättade bindningama återigen exponeras. Eftersom omättade bindningar fångar in laddningsbärare, kommer detta att leda till att resistansens värde förändras. I den mån orsakema till att bindningar- na bryts upp är kända, kan de hänföras till en allmän förhöjning av temperaturen eller till lokala temperaturvariationer orsakade av förhöjd effektutveckling i kritiska punkter i resistom. Det kan emellertid inte uteslutas, att bindningama också kan brytas på grund av rent kinetiska effekter orsakade av framrusande laddningsbärare. Även om väteatomemas förmåga att blockera omättade bindningar är det som främst diskuteras i litteraturen, kan det inte uteslutas, att andra atomer som hamnar i en korn- gräns eller lämnar denna åstadkommer liknande effekter, om de inte förmår att binda till- räckligt starkt mot komgränsens kiselatomer. Utan att här ange storleken av inflytandet, kan det nämnas, att det även är möjligt att dopämnesatomer, som under resistoms an- vändning växelverkar med komgränsema på ett dynamiskt sätt, kan ha samma inflytande på resistiviteten som väteatomema. På samma sätt kan det inte uteslutas, att även andra i resistom ingående atomslag och oavsiktligt tillförda föroreningar kan ha samma inverkan.

En stabiliserad resistor byggd på polykisel visas i svensk patentansökan 9501398-5, inlämnad 14 oktober 1995. Materialet i resistorkroppen är dopat med dopämnen av både acceptortyp och donatortyp. För att blockera laddningsbärarfällor i korngränser i tillräck- lig omfattning och därmed ge resistom en god stabilitet, när den utsätts för olika ämnen i följden av processtekniska steg vid framställningen, och också en god långtidsstabilitet, utförs dopningen med donatorer i en så hög koncentration, att, om endast donatoratomer- na skulle finnas i materialet och väsentligen inga acceptoratomer, skulle materialet vara att anse som mer eller mindre hårddopat. Detta innebär tämligen höga koncentrationer av dopatomer och, såsom antytts ovan, kan dessa atomer i viss mån röra sig in och ut ge- nom komgränsema. Detta beror på att den segringsmekanism, som gör att dopatomer hamnar i komgränser vid värmebehandlingama, är aktiv även vid lägre temperaturer, om än i mycket mindre utsträckning. Sådana medelst kompensationsdopning stabiliserade resistorer skulle därför kunna vara mindre stabila. 10 15 20 25 30 35 511816 3 En kompensationsdopning kräver tillförsel av minst två dopämnen, av minst en donator och minst en acceptor, i noggrant balanserade, höga koncentrationer, vilket kan vara svårt att åstadkomma.

En mer effektiv och stabil blockering av omättade bindningar än med hjälp av väte- atomer kan åstadkommas med hjälp av att något annat lämpligt atomslag tillförs, som bil- dar en tillräckligt stark bindning med kiselatomerna i komgränsen. Sålunda beskrivs i U.S. patent 5,212,l08 för Liu et al. ett förfarande för framställning av polykiselresistorer avsedda för användning i minnesceller. I en polykiselfllm implanteras arsenikjoner för deñnition av materialets resistivitet. En därefter utförd implantering av fluorjoner stabili- serar komgränsema. Härigenom minskas variationen i barriärhöjd för laddningsbärama mellan olika satser av framställda kretsplattor. Efter implanteringen av fluor kan en vär- mebehandling vid 900°C utföras.

Polykiselresistorer framställda på detta sätt visar sig dock i allmänhet ha otillfreds- ställande långtidsstabilitet. _ Inverkan av väte och fluor på komgränsema i polykiselñlmer har studerats i sam- band med tunnñlmstransistorers och solcellers elektriska egenskaper, se tex S.

Maegawa, T. Ipposhi, S. Maeda, H. Nishimura, T. Ichiki, M. Ashida, 0. Tanina, Y.

Inoue, T. Nishimura and N. Tsubouchi, "Performance and Reliability Improvements in Poly-Si TPTs by Fluorine Implantation into Gate Poly-Si", IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 42, pp. 1106-1112 (1995) och A. Yoshida, M. Kitagawa, F. Tojo, N.

Egashira, K. Nakagawa, T. Izumi and T. I-Iirao, "Hydrogen, fluorine ion implantation effects on polycrystalline silicon grain boundaries", Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 34, pp. 211-217 (1994).

REDoGöRI-:LSE FÖR UPPFINNINGEN Det är sålunda ett ändamål med uppfinningen att åstadkomma polykiselresistorer med god långtidsstabilitet, som på betryggande sätt kan användas särskilt i känsliga elekt- roniska kretsar såsom kretsar av analog typ, avsedda exempelvis för mätning eller som kretsar tillhörande givare, där resistansvärden hos resistorer exempelvis ingående i för- stärkarkretsar direkt påverkar en avgiven signal, som anger ett mätvärde.

Lösningen på det ovan framlagda problemet med i många fall bristande eller otill- räcklig stabilitet hos polykiselresistorer är, såsom ovan redan antytts, att man skall se till, att de omättade bindningama i komgränsema blockeras och att vidare blockering åstad- koms på ett sätt, som med hänsyn till förhållandena vid kretsens användning, kan anses som mer eller mindre permanent. En sådan blockering kan åstadkommas, genom att man säkerställer att ett minsta antal av de omättade bindningama är blockerade av ett lämpligt atomslag och att detta atomslag binder tillräckligt starkt mot kiselatomema i komgränsen.

Det tillförda atomslaget skall vara kompatibelt med och inte störa den övriga tillverk- ningen av den elektroniska kretsen. Såsom ovan antytts, binder fluor starkare mot kisel än vad fallet är med väte, och fluor är därför det föredragna atomslaget för att åstadkom- 15 20 25 35 511816 4 ma en blockering. Det måsta alltså säkerställas, att en minsta och tillräcklig mängd fluor- atomer tillförs komgränserna under tillverkningen av resistorema och att fluoratomema ingående i denna minsta mängd verkligen stannar kvar, åtminstone till väsentlig del, på sina platser i komgränserna under de efterföljande tillverkningsstegen fram till en färdig elektrisk krets.

Koncentrationen av de tillsatta fluoratomema måste således överskrida en viss mini- minivå för att optimal Stabilisering skall kunna uppnås. Denna miniminivå bör ligga över den nivå av fluoratomer, som ibland tillförs bordopade polykiselfilmer i samband med att bor irnplanteras i filmen i form av bordifluoridjoner. Emellertid erhålls endast marginella effekter, om värmebehandlingar efter fluorimplantationen görs vid de höga temperaturer, som normalt används vid exempelvis indrivnings- och aktiveringsstegen under tillverk- ningen av kretsarna. De höga temperaturema anses nödvändiga för att läka ut skador i kristallgittret, som har åstadkommits vid implanteringen. De medför emellertid, att bind- ningen fluor-kisel bryts upp och att fluoratomema diffunderar ut ur materialet. Överraskande bra resultat erhålls dock, när värmebehandlingstemperaturen efter fluorimplantationen avstäms, så att den inte är för låg för att en tillräcklig utläkning av skadoma skall åstadkommas, men inte heller är så hög, att fluoratomema bereds möj- lighet att lämna komgränserna. Detta låter sig lättast göras, om värmebehandlingen efter fluorimplantation görs i ett separat steg och alltså inte kombineras med exempelvis de värmebehandlingar, som är erforderliga för att läka skador i kristallgittret uppkomna vid processteg, som utförs före implanteringen av fluor, och för att aktivera dopämnen i samband med en föregående implantation av erforderliga acceptor- och donatoratomer.

En sådan behandling med tillförsel av fluoratomer in i materialet för erhållande av stabiliserade resistorer kan vara att föredra framför den ovan diskuterade kompensations- dopningen, eftersom den endast kräver att minimalt ett enda donator- eller acceptorämne införs i materialet med noggrant kontrollerad koncentration för erhållande av önskad resistans och därefter en fluortillförsel, som inte behöver kontrolleras alltför noga, så länge som tillräckligt många fluoratomer flnns kvar i materialet. Fluortillförseln kan i vissa fall också vara lättare att införa i ett processflöde, som krävs för att framställa en mer eller mindre komplicerad elektrisk krets, i vilken resistom ingår Allmänt innefattar sålunda en resistor på konventionellt sätt en resistorkropp av polykristallint kisel, som kan föreligga i form av en tunn skiva med rektangulär, lång- sträckt form. Elektriska anslutningar är anbragta på och/eller i resistorkroppen, så att en resistordel erhålls mellan anslutningama, som ger resistom dess resistans. Materialet i resistordelen är dopat med dopämnen, acceptorer och/eller donatorer, så att resistor får den önskade resistansen. Detta material innehåller också blockerande atomer, fluorato- mer. För tillräcklig stabilitet bör materialet ha en utläkt struktur, som åstadkoms med hjälp lämplig värmebehandling, i det fall att tillförseln av dop- och fluoratomer utförs genom jonimplantation. I andra fall av tillförselmetoden kan dock ingen speciell sådan 10 15 20 25 35 511 816 s värmebehandling behövas. Fluoratomerna i materialet skall i vart föreligga i en sådan hög koncentration, att ett så stort antal, ett maximalt antal av de annars omättade bindningama vid komgränser i det polykristallina kislet är blockerade, varigenom resistansen hos resis- tordelen blir väsentligen konstant i tiden, vid resistorns användning i en elektrisk krets.

Detta kan också uttryckas som att väsentligen alla av de annars omättade bindningarna från kiselatomer i kislet är blockerade av eller kopplade till fluoratomer.

I många fall blir dessa villkor uppfyllda, om koncentrationen av fluoratomer i mate- rialet är minst lika hög som eller lika med den, som skulle erhållas i ett material med motsvarande resistivitet, som dopats med användning av enbart bordifluoridjoner och inga andra donator- eller acceptorslag. I många praktiska fall är också villkoren uppfyllda, om fluoratomemas koncentration är minst 2-1019 cm'3.

Vid framställningen av en sådan resistor framställs först en kropp, såsom en tunn film eller tunt skikt med lämplig ytterkontur, framställs av polykristallint kisel. Materialet i kroppen dopas, vid framställningen av kroppen och/eller därefter i ett särskilt steg, med ett eller flera dopämnen, så att resistorn får den önskad resistansen. På något sätt tillförs materialet i kroppen också fluoratomer och vidare anordnas elektriska anslutningar till kroppen anordnas, så att den kompletta resistom erhålls. Fluoratomerna måste då tillföras i en hög koncentration, en tillräckligt hög koncentration enligt ovan. Efter tillförseln av fluoratomer får materialet endast utsättas för temperaturer, som är så låga, att ingen betydande diffusion av fluoratomer ut frán kroppen âstadkoms och att koncentrationen av fluoratomer i materialet därigenom bibehålls vid väsentligen samma höga värde, som erhölls vid tillförseln av fluoratomema. Dessa temperaturer bör vara högst 800°C och särskilt mindre än 750°C.

I det fall att dopningen med ett dopämne utförs med hjälp av jonimplantering och att fluoratomema därefter tillförs med hjälp av jonimplantering, utförs för åstadkommande av den ovan nämnda utläkningen en vännebehandling vid en första temperatur efter im- planteringen av dopämne och före implanteringen av fluoratomer. En separat värmebe- handling utförs sedan vid en andra temperatur efter implanteringen av fluoratomer och den andra temperaturen skall vara betydligt lägre än den första, för att inte åstadkomma någon betydande diffusion av fluoratomer från resistorkroppen. Den andra temperaturen kan enligt ovan vara högst 800°C, särskilt högst 750°C. För att en tillräcklig utläkning av implanteringsskador bör den i många fall vara lägst 650°C.

FIGURBESKRIVNING Uppñnningen skall nu beskrivas närmare i anslutning till ej begränsande utförings- exempel i samband med de bifogade ritningama, i vilka: - Fig. 1 är en schematisk bild av ett tvärsnitt genom en resistor tillverkad av polykristal- lint kisel, där eventuella övre skikt innefattande exempelvis andra integrerade komponen- ter och passiveringsskikt är utelämnade, - Fig. 2 är en vy av en resistor sedd uppifrån med en del av ett fluordopat område starkt 10 15 20 25 30 35 511 816 förstorat, - Fig. 3 är en graf, som visar relativ resistans under långtidsprovning vid 98°C hos resis- torer, som tillverkats av polykristallint kisel med bordopning och utan och med fluortill- sats och med en enda värmebehandling, - Fig. 4 en graf, som visar hur resistansen hos polykiselresistorer beror av fluortillför- sel och av temperaturer hos värmebehandlingar, - Fig. Sa och 5b är grafer, som visar fördelning av boratomer och fluoratomer i en poly- kiselfilm, som framställts med fluortillförsel och olika utförd värmebehandling, - Fig. 6 är en graf, som belyser hur resistansen hos polykiselfilmer med olika mängd infört fluor och med en enda värmebehandling vid de sedvanliga höga processtemperatu- rerna beror av indiffunderat väte, - Fig. 7 är en graf, som belyser hur resistansen hos polykiselñlmer med olika mängd infört fluor och med två separata värmebehandlingar beror av indiffunderat väte, - Fig. 8 är en graf, som visar relativ resistans under långtidsprovning vid 98°C hos resis- torer, som tillverkats av polykristallint kisel med bordopning och utan och med fluortill- sats, där resistorema med fluortillsats har underkastats två värmebehandlingar, en vid 1000°C under 30 min direkt efter borimplantation och en vid 700°C under 30 min direkt efter fluorimplantation, - Fig. 9 är en graf, som visar relativ resistans under långtidsprovning vid 98°C hos under elektrisk spänning satta resistorer, som tillverkats av polykristallint kisel med bordopning och utan och med fluortillsats, där resistorema med fluortillsats har underkastats två värmebehandlingar, en vid 1000°C under 30 min direkt efter borimplantation och en vid 700°C under 30 min direkt efter fluorimplantation, - Fig. 10 är en graf, som visar relativ resistans under långtidsprovning vid 150°C hos resistorer, som tillverkats av polykristallint kisel med bordopning och utan och med fluor- tillsats, där resistorema med fluortillsats har underkastats två värmebehandlingar, en vid 1000°C under 30 min direkt efter borimplantation och en vid 700°C under 30 min direkt efter fluorimplantation, - Fig. 11 är en graf, som visar relativ resistans under långtidsprovning vid 150°C hos en under elektrisk spänning satt resistor, som tillverkats av polykristallint kisel med bordop- ning och med fluortillsats och har underkastats två värmebehandlingar, en vid 1000°C under 30 min direkt efter borimplantation och en vid 700°C under 30 min direkt efter fluorimplantation.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I fig. 1 visas ett exempel på ett tvärsnitt genom en polykiselresistor. Denna har bildats på en bärstruktur 1, som kan innehålla integrerade komponenter och överst har ett isolerande skikt 3 av kiseloxid, som exempelvis är termisk oxid men som givetvis också kan vara deponerad. I det visade utförandet flnns underst i bärstrukturen 1 ett kiselsub- strat 5, exempelvis en monokristallin kiselskiva, ovanpå detta en kiselsubstratzon 7 med 10 15 20 25 30 35 511 816 7 olika områden av indiffunderade ämnen, därpå en skiktstruktur 9 innefattande dielektrika och polykisel och överst oxidskiktet 3. På oxidskiktet 3 ligger själva den plattform eller "mesa" ll, som utgör resistorkroppen och som uppifrån sett har exempelvis rektangulär form, se även vyn uppifrån av själva resistorkroppen i fig. 2. Resistorkroppen 11 innefat- tar en inre del eller mellandel 13, som är den del, vilken ger eller bestämmer resistorns resistans, och yttre områden 15 för kontaktering, som kan vara kraftigt högdopade och därigenom har tämligen ringa resistans.

Den övre ytan på aggregatet av bårstruktur 1 och resistorkropp ll är täckt med ett kiseloxidskikt 17 och därpå ett kiselnitridskikt 19, men det är också möjligt att ovanpå aggregatet anordna ytterligare skikt med passiva eller aktiva elektriska och elektroniska anordningar. Ett passiveringsskikt, ej visat, bestående av endera kiselnitrid respektive kiseldioxid eller båda tillsammans kan i vart fall finnas överst. Hål 21 finns upptagna genom oxidskiktet 17 och kiselnitridskiktet 19 ned till den övre ytan på kontakteringsom- rådena 15. Vid ytan av kontakteringsområdena 15 inuti hålen 21 finns områden 23 fór att ytterligare förbättra kontakten med ledarbanor 25 av aluminium för resistoms elektriska anslutning. Områdena 23 kan innefatta ledande diffusionsbarriärskikt med exempelvis titan eller någon titanfórening indiffunderad från ett pålagt skikt.

Framställning av polykiselresistorer på konventionellt sätt skall nu beskrivas i sam- band med ett detaljerat utfóringsexempel, jämför den ovan nämnda U.S. patentskriften.

Resistoremas resistans bestäms genom dopning med bor. tf'rin xem l 1 Polykiistallina kiselfilmer med en tjocklek av 5500 Å deponerades enligt känd CVD-metod (Chemical Vapor Deposition) på 9000 Å termisk kiseldioxid. Ovanpå polyki- selfilmen deponerades omkring 5500 Å kiseldioxid med hjälp av CVD. Därefter utfördes en värmebehandling vid 1050°C under 30 min för att bland annat definiera polykislets komstorlek. Polykiselytan etsades ren från oxid, varefter bor implanterades till en kon- centration i filmen av 9,4-1018 cm'3 vid energin 80 keV. Därefter lades en litografiskt definierad mask på polykislet och resistorerna etsades fram. Efter detta deponerades 6500 Å kiseldioxid vid 400°C medelst CVD, åtföljt av en värmebehandling vid lO00°C under cirka 45 min. Detta följdes av ett för branschen normalt processflöde omfattande kontakt- hålsetsning, metallisering, litografisk definition av ledarbanoma, legering i vätgas vid 420°C under 20 min samt 'passivering med 9000 Å kiselnitrid. Den sistnämnda framställ- des med hjälp av plasmaaktiverad CVD (PECVD). Den polykristallina filmen i resistorer- na hade en resistivitet av 605 Olruta.

Resistorema monterades i hermetiska keramikkapslar och utsattes därefter för acce- lererade prov vid 98°C och 150°C under en period av 1000 timmar, såväl utan som med en pålagd spänning av 30 V, varvid resistansema mättes vid rumstemperatur efter 0, 168, 500 och 1000 timmar. Resultatet visas som den relativa resistanskurvan för X=0 i dia- grammen i fig. 3 och fig. 8 - 10. Som framgår av figurema, kan resistansen hos resisto- 'IO 15 20 25 35 511816 s rema öka med bortemot 2% jämfört med resistansvärdet vid provets början. En ändring av denna storleksordning överstiger det som krävs av analoga resistorer i kritiska tillämp- ningar. Exemplet illustrerar därigenom det ovan, inledningsvis beskrivna problemet med att polykristallint kisel, som dopats enbart med bor, inte ger tillräckligt stabila resistorer, Såsom diskuterats ovan, är orsaken till resistansändringama att söka i samband med de omättade bindningar, som finns i komgränsema. För att minska dessa ändringar måste de omättade bindningama i korngränsema blockeras på mer eller mindre permanent sätt, såsom genom att de omättade bindningama är i tillräckligt hög grad blockerade av ett lämpligt atomslag såsom fluor, som binder tillräckligt starkt mot kiselatomerna i kom- gränsen och i vart fall starkare än vad väteatomer gör.

I ñg. 2 visas sålunda i en starkt förstorad delvy en mycket schematisk bild av ett litet område av en polykiselresistor, till vilken fluoratomer har tillförts. Därav framgår hur acceptoratomer A, fluoratomer F, laddningsbärarfállor T och eventuella väteatomer H fördelar sig inuti kom 31 respektive i korngränser 33. Fluoratomer och väteatomer kom- mer sålunda att flnnas företrädesvis i komgränsema. Nedan ges vidare ett detaljerat ut- föringsexempel avseende en polykiselresistor, i vilken fluoratomer införts.

Utföringsexempel 2 På polykristallina kiselfilmer, framställda enligt utföringsexempel 1, implanterades bor till en koncentration i filmen av 9,4-1018 cm'3 vid 80 keV och därefter fluor till en koncentration av l,9-l019 cm'3, respektive 1,9-l020 cm'3 vid 120 keV. Efter implante- ringarna behandlades filmerna vidare på samma sätt som i utföringsexempel 1. Värmebe- handlingen vid 1000°C omfattade således både bor och fluorimplanteringarna. Ur den erhållna polykiselfilmen framställdes resistorer enligt utföringsexempel 1. Den polykris- tallina filmen i resistorerna var av p-typ och hade en resistivitet av 610, respektive 565 íl/ruta.

Resistorema monterades i keramikkapslar och utsattes därefter för accelererade belastningsprov vid 98 och 150°C under en period av 1000 timmar, varvid resistansema mättes vid rumstemperatur efter 0, 168, 500 och 1000 timmar. Resultatet för 98°C visas av de två undre kurvoma i ñg. 3. Denna figur är en graf, som visar den relativa resistan- sen vid accelererade belastningsprov vid 98°C med en elektrisk spänning av 30 V över 200 pm långa och 20 um breda resistorer, som tillverkats av polykristallint kisel enligt utföringsexempel 1 (övre kurvan) och 2 (undre kurvor). Av flg. 3 framgår, att resistansen hos de fluordopade resistorerna ökade i stort sett lika mycket som resistansen hos den icke fluordopade resistom, med endast en mindre reduktion av resistansändringen. Detta är att hänföra till den höga värmebehandlingstemperaturen, 1000°C, och kurvoma illust- rerar vikten av det sätt, på vilket fluorbehandlingen utförs. För att en ökad stabilitet skall kunna erhållas, måste fluoratomema förbli kvar på sina platser i komgränsema och de får inte i någon väsentlig omfattning förflyttas under de tillverkningssteg, som följer efter deras införande i materialet. Den höga temperatur, som används i exemplen ovan och 10 15 20 25 30 35 511 816 9 också normalt används vid processteg efter implantering, anses generellt vara nödvändig för att läka ut skador i kristallgittret, som uppstår vid jonimplantering. Alltför hög tempe- ratur medför emellertid, att bindningen fluor-kisel bryts upp och att fluoratomema dif- funderar ut ur och bort från materialet.

Värmebehandlingstemperaturer efter fluorinföringen måste alltså anpassas, så att de inte är för låga Rör att en tillräcklig utläl implantering skall åstadkommas, men inte heller är så höga, att fluoratomerna kan lämna korngränsema. Ett sätt att uppnå detta är, att värmebehandlingen efter fluorimplantation görs i ett separat steg med lägre temperatur och alltså inte kombineras med exempelvis de tidigare värmebehandlingssteg, som är erforderliga för att läka skador i kristallgittret, vilka har uppstått vid tillförsel av dopämnen för att erhålla avsedda resistansvärden, och för att aktivera dopämnena. Ett exempel på detta framställningssätt med lägre behand- lingstemperaturer efter fluorinförseln beskrivs i detalj nedan.

Utföringsçxemggl 3 På polykristallína kiselfilmer, framställda enligt utföringsexempel 1, implanterades bor till en koncentration i filmen av 9,4-l0'8 cm'3 vid 80 keV. Ovanpå polykiselfilmema deponerades omkring 5500 Å kiseldioxid med hjälp av CVD. Filmema värmebehandlades sedan vid 1000°C under 30 min. Polykiselytan etsades ren från oxid, varefter fluor im- planterades till koncentratíoner i filmerna i intervallet (0 - 9,4)-l0l9 cm'3 vid energin 120 keV. Därefter lades en litografiskt definierad mask på polykislet och resistorema etsades fram. Efter detta deponerades 6500 Å kiseldioxid vid 400°C medelst CVD, åtföljt av en vännebehandling vid 700°C under 30 min. Detta följdes av ett för branschen normalt processflöde omfattande kontakthålsetsning, metallisering, litografisk definition av ledar- banoma, legering i vätgas vid 420°C under 20 min, samt passivering med 9000 Å kisel- nitrid. Den sistnämnda framställdes med hjälp av plasmaaktiverad CVD. Den polykristal- lina filmen i resistorema hade en resistivitet av 650-700 Q/ruta.

Resistorerna monterades i keramikkapslar och utsattes därefter för åldringprov och accelererade belastningsprov vid 98 och l50°C under en tidsperiod av 1000 timmar, varvid resistanserna mättes vid rumstemperatur efter 0, 168, 500 och 1000 timmar. Re- sistansvärdena framgår av grafema i fig. 8 - ll, i vilka den heldragna kurvan visar resis- tansen hos ett prov utan någon fluor-tillsats, dvs framställt enligt utföringsexempel 1.

Resistorema var liksom ovan 200 pm långa och 20 um breda. Värdena i fig. 8 och 10 är erhållna utan någon elektrisk förspänning över resistorema vid 98 resp. 150°C, medan värdena i fig. 9 och ll är erhållna vid 98 resp. l50°C men med en elektrisk spänning av 30 V liggande över resistorema. Som framgår av kurvorna i fig. 8 - ll, ökade resistan- sen hos de fluordopade resistorer, som hade en fluorkoncentration, vilken var två gånger större än borkoncentrationen, med ungefär hälften av resistansändringen hos de resistorer, som inte dopats med fluor. När fluorkoncentrationen ökades till över fem gånger borkon- centrationen, erhölls ytterligare en kraftig förbättring. Detta illustrerar den stabiliserande 10 15 20 25 35 511 816 io effekt, som erhålls, då resistorema tillverkas enligt den beskrivna metoden.

Eftersom väte exempelvis ingår i de passiveringsfilmer av kiselnitrid, som framställs genom plasma-CVD, är det ävenledes viktigt, att de framställda filmerna inte ändrar sitt resistivitetsvärde, då de direktexponeras för en vätgasatrnosfár. Ett antal filmer, som framställts enligt de olika utföringsexemplen ovan, utsattes därför för en vätgasatmosfár bestående av 10 volymsprocent vätgas blandat med 90 procent kvävgas vid en accelererad vätgasprovning vid 420°C under 20 min. Resistansen bestämdes före och efter vätgas- behandlingen och den uppmätta förändringen i resistans relativt resistansvärdet vid pro- vets början beräknades. Reverserbarheten hos vätebindningen verifierades genom en efterföljande behandling i ren kvävgas vid 510°C.

De uppmätta resistansvärdena visas i fig. 7, som är en graf längs vars vertikala axel den relativa resistansen är införd medan längs den horisontella axeln olika fall är inpric- kade. Längst till vänster visas värden erhållna utan någon vätgasbehandling, i mitten med behandling med en blandning av vätgas och kvävgas och längst till höger med först en sådan gasblandning och till sist med ren kvävgas. Resistorema var framställda enligt utföringsexempel 1 och 3. Den största förändringen uppvisade filrner, som framställts enligt utföringsexempel 1, det vill säga utan fluortillsats. Detta illustreras av den streclra- de kurvan "Only boron" i figur 7. De andra kurvorna visar relativ resistans för filmer, som dopats med fluor till en koncentration av l,9-l019 cm'3 och som därefter värmebe- handlats separat vid olika temperaturer enligt utföringsexempel 3. Man ser hur väte- känsligheten avtar kontinuerligt med värmebehandlingstemperaturen. Den undre gränsen i värmebehandlingstemperatur sätts av andra skäl, nämligen med hänsyn till behovet av en mer eller mindre perfekt kristallstruktur, vilket illustreras i fig. 4, se nedan.

I fig. 6 visas relativa resistansvärden för en polykiselfilm enligt utföringsexempel 1 och för filmer enligt utföringsexempel 2, som visserligen har dopats med fluor, men där värmebehandlingstemperaturema efter fluordopningen varit höga, 1000 - 1l00°C. Filmer- na har utsatts för omväxlande behandling med vätgas- och kvävgasblandning och enbart kvävgas. Varje kurva i figuren representerar en fluorkoncentration i intervallet 0 - l,9-l02° cm'3. Materialets vätekänslighet är i detta fall ungefär densamma för såväl låga som mycket höga fluorkoncentrationer. Av vad som framgår nedan, beror detta på att de höga värmebehandlingstemperaturerna medför att fluoret drivs ut från korngränsema.

Fig. 4 visar, i form av en graf, värmebehandlingens inverkan på polykiselresistorer- nas resistivitet, där den vertikala axeln visar resistansen hos en framställd ruta eller plat- ta. Resistansvärden är införda som vertikala streck, vilkas mittpunkter anger medelvärdet hos de framställda resistoremas resistansvärden och vilkas längder anger spridningen hos resistansema. De vertikala streckens övre och undre ändar anger sålunda resp. maxirni- och minimivärden. Resistorema är framställda enligt utföringsexemplen med varierande värmebehandlingar, vilka utförts som separata steg (angivet med "&") respektive kom- binerade steg (angivet med "+") vid temperaturer i enlighet med beskrivningen i grafens 10 15 20 25 35 511 816 11 underkant. Bor har tillförts i koncentrationen 9,440” cm'3 och fluor i koncentrationen 5,740” cm'3.

Den forsta punkten vid resistansen ca 700 ohm har erhållits med först borimplante- ring, sedan fluorimplantering och därefter en värmebehandling vid 1000°C. Den andra punkten, där resistansen är ca 900 ohm, har erhållits med enbart borimplantation och därefter värmebehandling vid 1000°C. Den tredje punkten med ett resistansvärde vid något över 1300 ohm har erhållits med först en borimplantation, därefter värmebehand- ling vid 1000°C, därefter fluorimplantation och till sist värmebehandling vid en låg tem- peratur, 600°C. Den fiärde punkten med en resistans av något under 1000 ohm har er- hållits på samma sätt som den tredje punkten med undantag av att den sista värmebehand- lingen utförts vid en högre temperatur, vid 700°C. Den femte punkten slutligen visar en resistans av något under 1000 ohm och har erhållits med enbart borimplantation och därefter först en vännebehandling vid 1000°C och sedan en värmebehandling vid 700°C.

Värmebehandlingama har utförts under tidsperioder av 30 min liksom i exemplen ovan.

Det framgår sålunda av den tredje punkten, att separata värmebehandlingar direkt efter resp. bor- och fluorimplantationen med en låg temperatur hos värmebehandlingen efter fluorimplantationen ger dels en kraftig ökning av resistansen, dels en stor spridning hos resistansvärdena. Detta torde bero på skador i polykislets struktur åstadkomna vid implanteringen. Med en något högre temperatur fås dock en mycket god utläkning av ska- dorna med en liten variation av resistansvärdena, såsom framgår av punkten 4. En jäm- förelse mellan punkten 4 och 5 visar också, att fluortillförseln inte påverkar resistansvär- det, eftersom vid dessa båda punkter likadana värmebehandlingar har utförts. Ett före- draget intervall för värmebehandlingen för utläkning av skador efter fluorimplantationen skulle kunna vara mellan 650°C och 800°C, särskilt mellan 650°C och 750°C.

Fig. Sa och Sb visar med den heldragna kurvan fördelningen eller koncentrationen av boratomer och med den streckade kurvan fluoratomemas koncentration som funktion av avståndet d från en stor sida, dvs i tjockleksriktningen för en polykiselfilm, som har framställts i huvudsak enligt utföringsexempel 2 respektive utföringsexempel 3, med de speciella vården för implantationen och värmebehandlingen av fluoratomema, som fram- går av grafens text. Kurvoma har erhållits vid en sekundäijonmasspektrometrisk analys (SIMS) av filmen. En jämförelse mellan flgurerna visar, hur enligt figur Sa fluor lämnar polykiselfilmen, om en värmebehandling utförs vid 1000°C efter det att både bor- och fluorimplantationema gjorts, och hur enligt figur 5b fluor stannar kvar i filmen, om en värmebehandling utförs vid 1000°C efter borimplantationen och före fluorimplantationen och en värmebehandling vid 700°C efter fluorimplantationen. I det första fallet minskar fluorkoncentration från den höga koncentrationen 19-1020 cm'3 till högst något mer ån 1-1018 cm'3 efter vännebehandlingen, där detta värde endast gäller mitt inuti resistom i tjockleksriktningen. Ännu lägre koncentrationer gäller vid resistoms övre och undre ytor.

I det andra fallet bibehålls den höga fluorkoncentration i materialets mittområde, sett i 10 15 20 25 511 816 12 tjockleksriktningen. Vid de övre och undre ytoma har viss diffusion av fluoratomer bort från materialet försiggått. Polykiselfilmens övre yta antas i figurema ligga vid d = O och gränsytan mellan polykiselfilmen och den underliggande oxiden vid d = 530 nm.

De ovan beskrivna förfarandena är inte begränsade till det slag av dopämne, som angivits i exemplen ovan, dvs acceptom bor. Det visar sig nämligen, att liknande resultat erhålls för dopämnen av vanligen använda slag, såsom alla acceptorema bor, aluminium, gallium och indium när de används ensamma eller i kombination med varandra, respekti- ve för alla donatorema fosfor, arsenik och antimon, när dessa används ensamma eller i kombination med varandra. Likaså kan en eller flera av de nämnda acceptorema kom- bineras med en eller flera av de nämnda donatorerna. Det är härvid inte kritiskt, i vilken ordning donator- respektive acceptoratomema tillförs materialet. De är ej heller kritiskt, vid vilket processteg fluoratomerna tillförs det polykristallina materialet, så länge de efterföljande processtemperaturerna hålls så låga, att den för stabiliteten optimala fluor- koncentrationen upprätthålls i den färdigställda resistorn.

Av vikt är, att minimikoncentrationen fluor hålls tillräckligt hög. Den exakta kon- centrationen, uttryckt som medelvärde över ett stort antal kom, beror bland annat av polykiselmaterialets komstorlek. Som en tumregel för alla typer av acceptorer och dona- torer kan anges, att fluorkoncentrationen bör vara minst lika med den, som skulle erhållas i ett material med motsvarande resistivitet, om detta hade dopats enbart med användning av bordifluoridjoner. För det enligt utföringsexempel 3 framställda materialet motsvarar detta exempelvis en fluorkoncentration av ungefär 2-1019 cm'3.

Det krävs inte, att de omnämnda atomslagen används i form av rena element, utan de kan ingå i föreningar, så länge dessa har egenskapematt molekylema i dessa för- eningar sönderdelas på ett sådant sätt, att dopatomema kan tränga in i materialet under den process, som avser att tillföra dopatomema till det polykristallina kislet.

Ovanstående förfaranden är inte heller knutna enbart till tunna polykristallina filrner, utan omfattar alla typer av resistorer av polykristallint kisel med godtycklig resistans, som dopas med fluor i avsikt att uppnå långtidsstabilitet. Även andra metoder för värmebehandling än den i utfóringsexemplen angivna kan användas. Sålunda kan den viktiga höga fluorkoncentrationen i den färdiga resistom även upprätthållas, om värmebehandlingarna utförs genom utnyttjande av snabb värmebehand- ling, så kallad "Rapid Thermal Processing (RTP)".

Med resistor avses användningen av polykristallint kisel vid alla tillämpningar, där materialets förmåga att leda elektrisk ström signifikant påverkas av materialets motstånd mot den elektriska strömmen.

Fluor-, donator- och/eller acceptoratomerna kan tillföras det polykristallina kislet inte bara med hjälp av jonimplantation såsom i de angivna utfóringsexemplen. Atomerna kan även tillföras materialet genom indiffusion av dopämnena i det polykristallina materi- alet. Det sistnämnda kan utföras, genom att det polykristallina materialet värmebehandlas 511 816 13 i ett eller flera steg i atmosfarer, som innehåller en eller flera gaser, i vars molekyler de önskade atomerna ingår. Ett annat sätt att diffundera in dopämnena är att belägga det polykristallina materialets yta med material, som innehåller de önskade atomema i sådan halt, att dessa atomer kan diffundera in i det polykristallina materialet vid en samtidig s eller efterföljande värmebehandling. Av vikt i detta sammanhang är enbart, att process- temperaturema inte får bli så höga, att den i materialet kvarvarande fluorkoncentrationen understiger den för långtidsstabiliteten optimala miniminivån i den färdiga resistom.

Claims (10)

10 15 20 25 35 511816 14 PATENTKRAV

1. Resistor innefattande en resistorkropp av polykristallint kisel och elektriska an- slutningar anbragta på och/eller i resistorkroppen, med en resistordel mellan anslutningar- na, som ger resistom dess resistans, varvid materialet i resistordelen är dopat med dop- ämnen för åstadkommande av en önskad resistans hos resistom och varvid materialet innehåller fluoratomer, k ä n n e t e c k n a d av att fluoratomerna i materialet föreligger i en sådan hög koncentration, att de annars omättade bindningarna vid korngränser i det polykristallina kislet är i så hög grad blockerade, att resistansen hos resistordelen är väsentligen konstant i tiden.

2. Resistor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att materialet i resistorkroppen har en utläkt struktur.

3. Resistor enligt något av krav l - 2, k ä n n e t e c k n a d av att koncentrationen av fluoratomer i materialet är minst lika med den, som skulle erhållas i ett material med motsvarande resistivitet, som dopats med användning av bordifluoridjoner.

4. Resistor enligt något av krav l - 3, k ä n n e t e c k n a d av att fluoratomerna föreligger i en sådan hög koncentration, att väsentligen alla de annars omättade bindning- arna vid korngränserna i det polykristallina kislet är kopplade till fluoratomer.

5. Resistor enligt något av krav 1 - 4, k ä n n e t e c k n a d av att fluoratomemas koncentration är minst 2-1019 cm'3.

6. Förfarande för framställning av en resistor innefattande en resistorkropp av po- lykristallint kisel innefattande stegen: - att en kropp, särskilt en film, framställs av polykristallint kisel, - att materialet i kroppen, vid framställningen av denna eller därefter, dopas med minst ett dopämne för åstadkommande av en önskad resistans hos resistom, - att materialet i kroppen tillförs fluoratomer och - att elektriska anslutningar till kroppen anordnas, k ä n n e t e c k n a t av att fluoratomema tillförs i en sådan mängd, att fluoratomerna i materialet i den färdiga resistorkroppen efter framställningens slut förelig- ger i en sådan hög koncentration, att de annars omättade bindningama hos ldselatomer vid komgränser i det polykristallina kislet är väsentligen blockerade av fluoratomer.

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att efter tillförseln av fluor- atomer underkastas materialet endast temperaturer, som är så låga, att koncentrationen av fluoratomer i materialet bibehålls vid väsentligen värdet vid tillförseln, särskilt att dessa temperaturer är högst 800°C och i synnerhet högst 750°C.

8. Förfarande enligtnågotavkrav6-7, kännetecknat av - att dopningen med minst ett av dopämnena utförs med hjälp av jonimplantering och att fluoratomema tillförs därefter med hjälp av jonimplantering och - att en värmebehandling utförs vid en första temperatur efter implanteringen av dopämne eller dopämnen och före implanteringen av fluoratomer och att en separat värmebehand- 511816 15 ling utförs vid en andra temperatur efter implanteringen av fluoratomer och - att den andra temperaturen är betydligt lägre än den forsta.

9. Förfarande enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att den andra temperaturen är högst 800°C, särskilt högst 750°C och i synnerhet lägst 650°C.

10. Förfarande enligt något av krav 6 - 9, kännetecknat av att tillíörseln av fluoratomer utförs, så att koncentrationen av fluoratomer i materialet är så hög, att resistansen hos resistordelen är väsentligen konstant i tiden och vid resistoms användning, genom att en tillräcklig mängd av annars omättade bindningar hos kiselatomer har kopp- lats med fluoratomer.