SE504969C2 - Polykiselresistor och förfarande för framställning av en sådan - Google Patents

Description

15 20 25 30 504 969 , koncentrationer ej överstigande 5 -1019 cm'3 och kompensationsdopningen av n-typ med koncentrationer högst angivna till 2,9 -1018 cm'3.

Vid tillförsel av väteatomer till dopat polykisel kan dessa reagera med de omättade bindning- arna i polykristallint kisel och blockera dessa, så att de inte längre kan tjänstgöra som fällor för laddningsbärare. Ett problem med väteatomer, som bundits till omättade bindningar, är emellertid, att deras bindningsstyrka är låg. Väteatomemas bindningar till kiselatomerna kan därför brytas upp vid förhöjd temperatur, varvid väte kan diffundera ut från korngränsema.

Resistansen hos en lcropp av polykisel behandlad med eller utsatt för väte förändras därvid på ett okontrollerbart sätt. Sådana förhöjda temperaturer uppträder under tillverkningsstegen och vid användningen av en polykiselresistor i en faktisk elektronisk krets.

Väte ingår fór övrigt med en betydande mängd (typiskt 20 - 25%) i de med hjälp plasma- CVD framställda passiveringsñlmer av kiselnitrid, som konventionellt används som skydd för färdiga integrerade kretsar och komponenter. Även andra atomslag som uppträder i olika processteg för framställning av en polykiselresis- tor kan bindas till de tämligen reaktiva omättade bindningama i komgränserna och påverka den färdiga resistoms stabilitet.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Lösningen på det ovan framlagda problemet med stabilitet hos polyldselresistorer är att man skall se till att de omättade bindningar-na i komgränsema blockeras på ett sätt, som med hån- syn till förhållandena vid kretsens tillverkning och användning, kan anses som mer eller mindre permanent. En sådan blockering visar sig kunna åstadkommas genom att donatorato- mer, liksom i den kända tekniken, tillförs det polykristallina kiselmaterialet men i betydligt högre koncentration. Under de värmebehandlingssteg, som ingår i tillverkningen av en resis- tor, diffunderar ett antal av de tillsatta donatoratomema till kiselmaterialets komgränser, där de placerar sig på ett sådant sätt, att de blockerar de omättade bindningar-na. De sistnämnda kan därvid inte bilda de fällor för laddningsbärarna, som annars skulle påverka resistiviteten.

Koncentrationen av de tillsatta donatoratomema skall vara så stor att, om endast donatorato- mema skulle föreligga i materialet, skulle detta vara att anse som mer eller mindre hårddo- pat. För en polykristallin film med en medelkomstorlek av 1000 Å och med i första hand fosfordopning innebär detta, att donatorkoncentrationen skall vara minst 3 -1019 cm'3.

För att resistivitetens värde skall kunna ställas in till ett önskat värde tillsätter man även acceptoratomer till kiselmaterialet på ett sådant sätt, att det i det färdiga polyldslet finns både acceptorer och donatorer. Koncentrationen av aoceptorema skall vara sådan att den, i före- ning med de tillsatta acceptorema, ger en nettoladdningsbärarkoncentration, vilken leder till 10 15 20 25 30 3 504 969 att materialet erhåller den önskade resistiviteten. Eftersom en del av donatoratomema diffun- derar ut i komgränsema och därför inte kan bidraga med laddningsbärare, kan inte de er- forderliga koncentrationema av dopämnen lätt beräknas, utan de exakta koncentrationerna får lämpligen bestämmas genom experiment.

Som acceptoratomer kan i första hand bor och som donatoratomer fosfor och arsenik använ- das. Det visar sig dock att samma blockeringseffekt med liknande stabilitet erhålls för alla de typiska acceptormaterialen bor, aluminium, gallium eller indium både när de används ensamma eller i kombination med varandra. Vidare kan tillsammans med godtyckliga accep- tormaterial alla donatortypema fosfor, arsenik eller antimon användas ensamma eller i kom- bination med varandra. Vidare är det inte kritiskt i vilken ordning donator- och acceptorato- mema tillförs polykiselmaterialet för att bilda en resistor. Det väsentliga är endast att mini- mikoncentrationen av donatoratomer inte underskrider den nivå över vilken materialet, i det fall att materialet vore dopat med enbart donatom eller donatorema ifråga, är att anse som mer eller mindre högdopat. Nettokoncentrationen av acceptorer och donatorer i materialet skall vara sådan att materialet erhåller den önskade resistiviteten och blir av önskad p- eller n-typ.

Vidare krävs det inte att donator- eller acceptoratomema, under den process som avser att tillföra dopatomema till det polykristallina kislet, skall användas i form av rena element, utan de kan ingå i föreningar, så länge dessa har egenskapen att molekylema i dessa för- eningar vid tillföringsprocessen sönderdelas på ett sådant sätt, att dopatomema kan tränga in i materialet.

Ett dopningsförfarande enligt ovan tillämpas i första hand för tunna polykristallina filmer men kan lika väl utföras för alla typer av resistorer av polykristallint kisel med godtycklig resistans, som dopas med acceptorer och donatorer.

Ordet resistor avser här användningen av polykristallint kisel i alla tillämpningar, där materi- alets förmåga att leda elektrisk ström under utverkande av ett motstånd mot strömmen ut- nyttjas.

Donatorema och eller acceptorema kan tillföras det polykristallina kislet exempelvis med hjälp av jonimplantation, följd av värmebehandling för läkning av felställning och fördelning av dopningsatomer till lämpliga platser i kristallgittret. Dopningsatomerna kan även tillföras materialet genom tillsats av dopämnena under själva framställningen av det polykristallina materialet eller genom en efterföljande indiffusion av dopämnena i det polykristallina materi- alet. Ett förfarande av det sistnämnda slaget kan utföras genom att det polykristallina materi- alet värmebehandlas i ett eller flera steg i atmosfärer, som innehåller en eller flera gaser, i 10 15 20 25 30 35 504 969 4 vars molekyler de önskade donator- och acceptoratomerna ingår. Ett annat sätt att diffundera in dopämnena är att belägga det polykristallina materialets yta med material, som innehåller de önskade dopatomema i sådan halt, att dessa atomer kan diffundera in i det polykristallina materialet vid en samtidig eller efterföljande värmebehandling.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas närmare i anslutning till ej begränsande utföringsexempel i samband med de bifogade ritningama, i vilka: - Fig. 1 är en schematisk bild av ett tvärsnitt genom en resistor tillverkad av polykristallint kisel, - Fig. 2 är en vy av en resistor sedd uppifrån med en del av ett kompensationsdopat område starkt förstorat, - Fig. 3 är ett diagram som visar resultatet av accelererade belastningsprov på resistorer av polykristallint kisel, - Fig. 4 är ett diagram, som visar resultatet av mätningar på polykristallina kiselfilmer, vilka värmebehandlats i en atmosfär innehållande väte.

BESKRIVNING Av FÖRBDRAGNA UTFöRINGsFoRimR I fig. 1 visas ett exempel på ett tvärsnitt genom en polykiselresistor. Denna är åstadkommen på en bärstruktur 1, som kan innehålla integrerade komponenter och överst har ett isolerande skikt 3 av kiseloxid, exempelvis termisk oxid men den givetvis också vara deponerad. I det visade utförandet finns underst i bärstrukturen 1 ett kiselsubstrat 5, exempelvis en monokris- tallin kiselskiva, ovanpå detta en kiselsubstratzon 7 med 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" 11, som utgör resistorkroppen och som uppifrån sett har exempelvis rektangulär form, se även vyn uppifrån av själva resistorkroppen i fig. 2. Resistorkroppen 11 innefattar en inre del eller mellandel 13, som är den del, vilken ger eller bestämmer resistoms resistans, och yttre områden 15 fór kontakte- ring, som kan vara ordentligt högdopade och därigenom har tämligen ringa resistans.

Den övre ytan på aggregatet av bärstruktur 1 och resistorkropp 11 är täckt med ett oxidskikt 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. Hål 21 finns upptagna genom båda dessa skikt ned till den övre ytan på kontakteringsområdena 15.

Vid ytan av kontakteringsområdena 15 inuti hålen 21 ñnns områden 23 för att ytterligare förbättra kontakten med ledarbanor 25 av aluminium för resistoms elektriska anslutning.

Områdena 23 kan innefatta ledande diffusionsbarriärskikt med exempelvis titan eller någon titanförening indiffunderad från ett pålagt skikt. 10 15 20 25 30 35 5 504 969 I fig. 2 visas också i en starkt förstorad delvy en schematisk bild av ett kompensationsdopat omrâde av en polykiselresistor. Därav framgår hur acceptorer A, donatorer D, laddningsbä- rarfállor T och väteatomer H placerar sig inuti kom 31 respektive i komgränser 33, jämför diskussionen ovan.

Framställning av polykiselresistorer skall nu beskrivas i samband med utföringsexempel.

Först beskrivs nedan framsfillning av resistorer med enkel dopning. rin xem 1 1 Polykristallina filmer av kisel med en tjocklek av omkring 5500 Å deponerades med hjälp av den konventionella CVD-metoden (Chemical Vapor Deposition) på ett skikt av termisk kiseldioxid med tjocklek 9000 Å. Ovanpå polykiselfilmen deponerades kiseldioxid med tjocklek av omkring 5500 Å, åter med hjälp av CVD. Därefter utfördes en värmebehandling vid 1050°C under 30 min, som bland annat definierar polykislets komstorlek. Ytan på poly- kislet etsades ren från oxid, varefter bor implanterades till en koncentration i filmen av l-1019 cm'3 vid energin 80 keV. Därefter lades en litografiskt deñnierad mask pä polykis- let och resistorema etsades fram, så att dessa fick en längd av 200 um och en bredd av 20 pm. Efter detta deponerades kiseldioxid av tjocklek 6500 Å vid 400°C medelst CVD, följt av en värmebehandling vid l000°C under ca 45 min. Detta följdes av ett processflöde, som är normalt inom tekniken för framställning av elektroniska integrerade kretsar, innefattande kontakthälsetsníng, metallisering, litograñsk definition av ledarbanor, legering i vätgas vid 420°C under 20 min samt passivering med ett skikt av kiselnitrid av tjocklek 9000 Å. Det sistnämnda skiktet framställdes med hjälp av plasmaaktiverad CVD (PECVD, Plasma Enhanced CVD). Den polykristallina ñlmen var av p-typ och hade en resistivitet av 605 ohm/ruta.

Resistorema monterades på konventionellt sätt i keramikkapslar och utsattes därefter för accelererade värmebelastningsprov vid 98°C och 150°C och med en elektrisk spänning av 30 V över resistorema, under en tidsperiod av upp till 1000 h, varvid resistansen hos resis- torema mättes efter 0, 168, 500 och 1000 h. Resultatet visas för den högre temperaturen, 150°C, med den heldragna kurvan i diagrammet i fig. 3. Såsom framgår av figuren, ökade resistansen hos resistorema med 2%, jämfört med resistansvärdet vid provningsprocessens början. Resistorer med så stora förändringar är i allmänhet inte lämpade att användas exem- pelvis i analoga kretsar.

Vidare framställdes resistorer av polykristallint kisel med dubbel dopning, dvs med en kom- pensationsdopning, för en blockering av de ovan nämnda laddningsbärarfälloma i komgräns- erna. I första hand gjordes försök, där koncentrationen av de tillsatta donatoratomema var tämligen stor. I själva verket visade det sig, att koncentrationen av donatoratomema skall 10 15 20 25 30 504 969 6 vara så stor att, om endast dessa skulle föreligga i materialet, skulle materialet betraktas som väsentligen hårddopat. För en polykristallin film med en medelkornstorlek av 1000 Å inne- bär detta att donatorkoncentrationen skall vara minst 3 -1019 cm'3.

[Jtfögngsgxçmggl 2 På polykristallina kiselñlmer, framställda enligt utföringsexempel 1, implanterades bor till en dos av 8- 1019 cm'3 vid 80 keV, följt av en implantering av fosfor till en dos av 1226-1019 cm'3 vid 120 keV. Ur den erhållna polykiselfllmen framställdes resistorer på samma sätt som i utföringsexempel 1. Den polykristallina filmen i resistorema var av n-typ och hade en resistivitet av 1020 ohm/ruta.

Resistorema monterades i keramiklcapslar och utsattes därefter fór accelererade belastnings- prov vid 98' och 150°C upp till 1000 h. Resistansens ändring vid den högre temperaturen visas av den med streckad linje ritade kurvan 2 i ñg. 3, varav framgår, att resistansen hos resistorema ökade med mindre än 1% jämfört med resistansvärdet vid provets böijan. Detta illustrerar den stabiliserande effekt, som erhålls, då resistorema tillverkas enligt den beskriv- na metoden.

Lltfgringgxçmpgl ß På polykristallina kiselfilmer, framställda enligt utföringsexempel 1, etsades lciselytan ren från oxid, varefter bor implanterades till en dos av 4- 1019 cm'3 vid 80 keV följt av en implantering av arsenik till en dos av 9,6- 1019 cm'3 vid 120 keV. Ur den erhållna polyki- selfilmen framställdes resistorer enligt utföringsexempel 1. Den polykristallina filmen i resistorema var av n-typ och hade en resistivitet av 699 ohm/ruta.

Resistorerna monterades i keramikkapslar och utsattes därefter för accelererade belastnings- prov vid 98 och 150°C upp till 1000 h. Det visade sig att dessa resistorer ändrade sig med ungeñr samma belopp som de med bor och med fosfor dopade resistorema i utföringsexem- pel 2. rin xem l 4 På polylaistallina kiselfilmer, framställda enligt utföringsexempel 1, etsades lciselytan ren från oxid, varefter bor implanterades till en dos av 8- 1019 cm'3 vid 80 kev, följt av en implantering av fosfor till en dos av 5 -1019 cm'3 vid 120 keV. Ur den erhållna polykiselfil- men framställdes resistorer enligt utföringsexempel 1. Den polykristallina filmen i resistorer- na var av p-typ och hade en resistivitet av 241 ohm/ruta.

Resistorema monterades i keramikkapslar och utsattes därefter for accelererade belastnings- prov vid 98 och 150°C upp till 1000 h. Det visade sig att dessa resistorer ändrade sig med 10 15 7 504 969 ungefär samma belopp som de med bor och med fosfor dopade resistorerna i utföringsexem- pel 2.

Eftersom väte ingår i de passiveringsfilmer av kiselnitrid som framställs med hjälp av plas- ma-CVD är det viktigt att de framställda ñlmema inte ändrar sitt resistivitetsvärde eller fär försämrad stabilitet, när de exponeras för en vätgasatmosfár, jämför diskussion ovan. Ett antal filmer, som framställts enligt utföringsexemplen ovan, utsattes därför fór en vâtgasat- mosfär bestående av 10 volymsprocent vätgas blandat med 90 procent kvävgas vid accelere- rad provning vid 420°C under 20 min. Resistansen bestämdes före och efter vätgasbehand- lingen och den uppmätta förändringen i resistans relativt resistansvärdet vid provets början beräknades. I diagrammet i fig. 4 visas resultaten av mätningarna. Största förändringen uppvisar filmerna enligt utföringsexempel 1, kurva 1 i fig. 4, vilka var enkeldopade. Kurva 2 i fig. 4 visar resultatet för en film som visserligen har kompensationsdopats med bor och fosfor, men där fosforkoncentrationen varit för liten. Först vid fosforatomkoncentrationer överstigande 3xl019 cm'3 erhålls en signifikant reduktion av materialets vätekänslighet, se kurvorna vid 3 i fig. 4.

Claims (8)

10 15 20 25 30 504 969 8 PATENTKRAV

1. Resistor innefattande en resistorkropp av polykristallint kisel och elektriska anslutningar anbragta på och/eller i resistorkroppen, med en resistordel mellan anslutningarna, som ger resistom dess resistans, varvid materialet i resistordelen är dopat med dopämnen av både acceptortyp och donatortyp för âstadkommande av en önskad resistans hos resistom, k ä n - n e t e c k n a d av att koncentrationen av dopämnet/dopämnena av donatortyp i resistor- kroppen är så stor, att detta/dessa blockerar laddningsbärartällor vid korngränser i det poly- kristallina materialet i så hög grad, att det polykristallina materialet uppvisar god stabilitet, dvs ändrar sin resistivet i endast ringa grad, särskilt när det utsätts fór ämnen som kan binda till omättade bindningar i materialet.

2. Resistor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att koncentrationen av dopämnet/dopäm- nena av donatortyp i resistorkroppen är så stor att, om endast detta/dessa skulle föreligga i materialet och inga dopämnen av acceptortyp, skulle detta vara att anse som väsentligen hårddopat.

3. Resistor enligt ett av krav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a d av att koncentrationen av dopâm- net/dopämnena av donatortyp i resistorkroppen är minst 3 -1019 cm'3.

4. Resistor enligt ett av krav l - 3, k â n n e t e c k n a d av att resistordelen innefattar polykristallint kisel med en medelkomstorlek av 1000 Å, som är dopat med fosfor.

5. Förfarande fór framställning av en resistor innefattande en resistorkropp av polylqistallint 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 dopämnen av både acceptortyp och donatortyp för åstadkommande av en önskad resistans hos resistom, och - att elektriska anslutningar till kroppen anordnas, k ä n n e t e c k n a t av att vid dopningen tillförs dopämnet/dopämnena av donatortyp till resistorkroppen i en sådan koncentration, att detta/dessa blockerar laddningsbärarfällor vid korngränser i det polykristallina materialet i så hög grad, att det polykristallina materialet uppvisar god stabilitet, dvs ändrar sin resistivet i endast ringa grad, särskilt när det utsätts för ämnen som kan binda till omättade bindningar i materialet.

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att vid dopningen tillförs dopämnet/dopämnena av donatortyp till resistorkroppen i en sådan koncentrationen att, om endast detta/dessa skulle föreligga i materialet i kroppen och inga dopåmnen av acceptortyp fanns däri, skulle materialet i kroppen vara att anse som väsentligen hårddopat. 9 5Û4 969

7. Förfarande enligt ett av krav 5 - 6, k å n n e t e c k n at av att vid dopningen tillförs dopåmnet/dopärnnena av donatortyp till resistorkroppen i en sådan mängd, att koncentratio- nen av dopämnet/dopämnena av donatortyp i resistorkroppen blir minst 3 -1019 cm'3.

8. Förfarande enligt ett av lc-av 5 - 7, k ä n n e t e c k n at av att vid framställningen av 5 resistorkroppen behandlas denna, så att den får en medelkomstorlek av 1000 Å och att vid dopningen används fosfor som dopämne av donatortyp.