JPH0587986B2

JPH0587986B2 -

Info

Publication number: JPH0587986B2
Application number: JP59123553A
Authority: JP
Inventors: Shaa Rajibu; Rii Hyuui Samueru
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1983-06-17
Filing date: 1984-06-15
Publication date: 1993-12-20
Also published as: JPS6074466A; US4579600A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は抵抗素子を含む集積回路に関するもの
で、とくにその製造方法およびそのような抵抗素
子を用いたバイポーラ型集積回路、さらには半導
体基板中で低TCR抵抗素子を製作する方法に係
わるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

集積回路に用いる従来の抵抗素子はその抵抗値
温度依存性に問題があつた。すなわち、ポリシリ
コンは通常はきわめて大きな負の温度係数
（TCR）をもつが、モノリシツクシリコン中に拡
散させた抵抗体は典型的にはきわめて大きな正の
TCRを示す。集積回路は実際に使用する多くの
場合、これら回路の抵抗が小さいかあるいはゼロ
であることがきわめて望ましい。

〔発明の目的〕

故に本発明の第一の目的は、温度に対する抵抗
変化がゼロであるかまたは微小な抵抗素子を有す
る集積回路の製造方法を提供することにある。

TCRが近似ゼロである抵抗素子は様々な用途
にとつて望ましいもので、たとえばアナログ回路
やデータ変換回路、さらには特殊目的に用いる計
装用回路やスタチツクRAM等の分野で望まれて
いる。しかしながら従来この種の回路装置におい
ては、多くの場合負のTCRを有する抵抗素子に
起因する熱不安定性という問題があつた。すなわ
ち、TCRが負の抵抗素子が一時的にオーバーヒ
ートすると、大量の電流を流してさらにオーム加
熱作用を受けることとなる。このような場合、回
路によつては熱暴走を起し、該抵抗素子あるいは
回路の他の箇所を破壊してしまうことがある。こ
のことはとくにバイポーラ型のデイバスの場合に
問題であり、このためバイポーラ型のデイバスに
用いる抵抗素子はTCRが正の拡散型抵抗素子を
用いるのが普通であつた。しかし拡散型の抵抗素
子を用いるとデバイス全体のレイアウト設計が難
しくなり、また製造プロセスがより複雑になると
いう問題が生ずる。

故に本発明の第二の目的は、温度の上昇にとも
なつて抵抗値が増大するポリシリコン抵抗素子を
有する集積回路の製造方法をを提供することにあ
る。

本発明の第三の目的は、温度の上昇にともなつ
て抵抗値が増大するポリシリコン抵抗素子を有す
るバイポーラ型集積回路を提供することにある。

半導体抵抗素子の熱不安定性は、他にも問題と
なる場合があるとはいえ、一般に比較的電流密度
の高いバイポーラ型の集積回路においてとくに問
題である。

従つて本発明の第四の目的は、温度の上昇にと
もなつて抵抗値が増大するポリシリコン抵抗素子
を有する集積回路を提供することにある。

従来の集積回路抵抗素子についてのもうひとつ
の問題は、その対放射線硬度であつて、これら抵
抗素子が例えばアルフア粒子やガンマ線などの放
射を受けるとそのTCRが少なからず変化するこ
とである。これは放射線により発生した荷電粒子
が、抵抗素子の欠陥部位や粒界等にトラツプされ
ることに起因するものである。

故に本発明の第五の目的は、放射線の照射を受
けてもTCR値の変化しない抵抗素子をを内蔵す
る集積回路を提供することにある。

〔問題点を解決しようとするための手段〕

これらの目的を達成するために、本発明はポリ
シリコンを蒸着後、この蒸着ポリシリコンを過渡
的にアニール処理することによりその粒度を増大
させ、しかる後このポリシリコンを不活性化材料
により不活性化することによりその粒界における
トラツプ密度を減少させ、しかる後、該ポリシリ
コンに接続部を形成することによつて抵抗素子と
すること特徴とする、集積回路に用いるポリシリ
コン抵抗素子の製造方法を提供するものである。

〔実施例〕

次に図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

ポリシリコンの抵抗率は２種類の因子により定
まる。すなわち、第１図に概略を示すように結晶
粒子の抵抗R_Gと粒界の抵抗R_GBである。全抵抗R_P
は従つてR_P＝R_G＋R_GBで与えられる。一方、粒子
抵抗の温度に対する依存度は R_G∝K_GT^3/2 (1) で表わされ、また粒界抵抗の温度依存度は R_GB∝K_GBT^1/2e〓^B/KT (2) で表わされることが知られている。ただしK_G，
K_GBはいずれも材料の種類や工程の順序などによ
り定まる定数である。これら２種類の温度依存度
特性から、全抵抗R_Pは次式に示すように変化す
ることがわかる。

R_P∝K_GT^3/2＋AK_GBT^1/2e〓^B/KT (3) ただし、Ａは定数である。この式から、温度に対
する全抵抗R_Pの変化率は一般に次の式で表わす
ことができる。

dR／dT＝［aT^1/2＋bT^-1/2e〓^B/KT］ −cφ_BT^-3/2e〓^B/KT (4) ここにφ_Bは粒界バリヤの高さであり、このφ_B
は粒界におけるトラツプ密度Qtのバルクドーピ
ング密度Ｎに対する比の２乗に比例することが知
られている。すなわち、 φ_B∝（Q_T ²／Ｎ） (5) ポリシリコンは上の一式(4)における右辺の第３
項の値が大きく、従つて負のTCRをもつことが
わかる。すなわち、前記トラツプ密度Qtが大き
いことということはφ_Bの値が大きいということ
であり、φ_Bの値が大きければ式(4)における右辺
の第３項の値も大きいということになる。なおバ
ルクドーピング密度Ｎが大きければφ_Bの値は小
さくなるが、ポリシリコン抵抗素子の通常のドー
ピングレベル（たとえば10¹⁷／cm³−10¹⁸／cm³）で
は、φ_Bの値はなお有意である。ただしドーピン
グ密度Ｎがどのような値であつても、式(4)の右辺
第３項の値を小いさくすることによつて、ポリシ
リコン抵抗素子のTCRを小さくすることができ
る。

TCRはレーザアニーリングによつて少くとも
二通りに変化する。第一はレーザアニーリングに
よる粒度の増大であり、この粒度の増大により粒
界の数が減少し、従つて粒界抵抗R_GBの全抵抗値
R_Pに対する寄与度が低下する。このことはさら
にdR_GB／dTのdR_P／dTに対する寄与度も低下
し、ひいてはTCRがゼロに近くなることを意味
する。第二には、レーザアニールにより各粒界に
おけるトラツプ密度Qtが低下し、このためにφ_B
値が減少して、やはりTCRのマイナス分が減少
するということである。

本発明はポリシリコン抵抗素子におけるTCR
のマイナス分を減少させるためにレーザによる処
理と水素アニールの両方を用いることを提案する
もので、これによりたとえば第２図に示すような
ポリシリコン抵抗構造において、蒸着を行なつた
ままの（as−deposited）の状態で粒度を約500オ
ングストロームとすることができる。

上記のレーザ処理および水素アニール処理に引
き続いてレーザアニールを適度のエネルギ密度、
たとえば0.6ジユール／cm²で行なうことにより粒
度の増大をはかる。本発明を実施するに当つて
は、このレーザアニールをたとえばネオジミウム
レーザ（YAG）発振による波長1.06ミクロン、
周波数10キロヘルツ、周期150ナノ秒のパルスレ
ーザを６インチ／秒の走査速度で用いて行なう。

この場合レーザ出力密度は４メガワツト／cm²近
傍となる。

また本発明の他の実施態様においては出力７ワ
ツトのアルゴン連続波レーザを用い、この場合は
該レーザから送出された100ミクロンのスポツト
を用いて、走査速度８ないし10インチ／秒、ステ
ツプ間隔10ミクロンで走査を行なう。

本発明による方法におけるレーザアニール処理
の態様は上記の方法に限定されるものではなく、
他のレーザアニール処理法、例えば公知のレーザ
アニール法を用いてもよいことはいうまでもな
い。

レーザアニール工程に引き続きて水素イオンに
よるアニール処理を行う。この際重要なことは、
アニール処理は水素原子アニールであつて水素分
子アニールではないということで、水素はこれを
プラズマ放電にさらすことにより分離を行なうの
が好ましい。水素イオンはポリシリコン中で容易
に拡散してポリシリコン結晶粒子の未結合手（ダ
ングリングボンド）と粒子の界面で結合する。こ
の結果、結晶粒子界面におけるトラツプ密度Qt
が低下し、TCRのマイナス因子は減少する。

しかしながら、通常は水素アニール処理のみで
は粒度の小さなポリシリコンのTCRをゼロまた
は正とするのには充分でない。このために本発明
の１実施態様においては、レーザアニール処理と
水素イオンによる不活性化処理を組み合わせて用
いることとし、これら二つの工程を組み合せたプ
ロセスを用いることにより、正のTCRをもつた
ポリシリコン抵抗素子を得られることが実証され
たのである。

水素プラズマによる不活性化処理（パツシベー
シヨン）の条件はさほど厳密なものではないが、
本発明においては不活性化処理をたとえば300℃
で水素50％、窒素50％の混合物を1Torrの圧力下
で用いて行なう。これらのガスはたとえば流速約
2000sccmで流動させ、また600ワツトの電力を電
極間間隔を約2.5インチとした350ないし400平方
インチの電極領域に印加する。第４図ないし第６
図は、このようにして製作された３種のポリシリ
コン抵抗のそれぞれの抵抗−温度特性を示す（プ
ロツト□・）もので、ここに用いたポリシリコン層
は厚さは400ないし500ナノメータであり、またア
ニール処理後のポリシリコンの粒度は３ないし５
ミクロンである。

本発明における水素アニール処理は、気体混合
物中の水素部を50％とする代りに10％とし、他の
条件は上記と同じにして実施してもよい。このよ
うな条件で実際のデバイスを用いて測定した結果
を第４図ないし第６図に△・でプロツトして示す。
これらのグラフ、とくに第４図および第６図のグ
ラフから明らかなように、水素分を10％としてア
ニール処理を行なつた場合には、抵抗素子の
TCRはほぼゼロとなる。なお、このような条件
で水素アニール処理を行なう場合には、処理時間
をあまり長くとらないことが望ましく、処理時間
が長すぎるとTCRは正になる。

第６図においてΔの上部の数字は温度125℃を、
下部の数字が温度25℃を、右側の表示は125°Cの
ときの抵抗値が25℃のときの抵抗値より何％増減
しているかを表している。比較例のポリシリコン
抵抗素子の抵抗−温度特性を示す第７図において
は、抵抗値の増減率（％）は表示されていない
が、このようにアニール処理がなされていないポ
リシリコン抵抗素子の抵抗−温度特性が負の大き
な温度係数（TCR）をもつことは発明が解決し
ようとする問題点の欄で既に述べた通りである。

上述のような処理を行なうことにより、集積回
路の抵抗素子は、従来の方法で製作された集積回
路の抵抗素子ににくらべて全抵抗率が低くなり、
従つて寸法や形状、および処理条件等が同一とす
れば、抵抗値も低くなる。第８図は、本発明のサ
ンプルデバイスにおけるレーザアニール条件に対
する、抵抗値の依存度を示すものである。

水素による不活性化アニール処理を行なつた後
で加熱処理を行なうことは、加熱により水素の一
部が分子状態で逃散する恐れがあるため、好まし
くない。とはいえ、アニール後の高温処理を完全
に避ける必要もなく、ただ高温での処理をなるべ
く短時間とするのがよいということである。従つ
て例えばポリシリコン抵抗を、リフローの必要な
多層酸化物で被覆する場合は、OCD（アルコール
またはアセトンに溶解した珪化物溶液、いわゆる
スピンオンガラス）等の多層酸化物や、PIQ（高
分子高温度ポリイミドポリマー）等の有機材料を
用いるのが好ましい。あるいはまた、多層酸化物
のリフローに過渡加熱法を用いてもよい。

同様に、接触焼成等の総処理時間はなるべく短
くするのが望ましいが、いずれにしても高温度処
理の難点は、パツシベーシヨンを行なつたポリシ
リコンからきわめて緩慢に水素が逃げ出すことだ
けで、しかもこの水素の逃散がきわめて緩慢であ
つて急激に進行するものであはないために、高温
度処理に対する感度はけつして極端なものではな
く、アニール処理後の高温度処理をまつたく行な
つてはならないという程のものではない。

パツシベーシヨン処理に用いることのできる材
料は水素に限定されるものではなく、本発明によ
る方法で使用する不活性化材料は、好ましくはシ
リコン中で電気的に不活性でかつ粒界における未
結合手との親和性がすぐれているものならば、ど
のような不活性化材料を用いてもよい。

さらに水素パツシベーシヨン処理にプラズマ反
応炉を用いることは必ずしも重要ではなく、所望
ならば特注の装置をもつてこれに替えてもよい。
またプラズマ放電の均一性もさして重要なもので
はなく、従つて例えば流入ガス流と交差するよう
にアークを発生させ、生成する原子やイオンの再
結合距離よりも短い距離に、スライス全部を前記
ガス流の下流に位置させるようにした構造とすれ
ば足りる。

第３ａ図に本発明によるバイポーラ型集積回路
の実施例を示す。図中、１０２はこの集積回路に
含まれるポリシリコン抵抗素子である。同図に示
すように本実施例における抵抗素子１０２は、拡
散濃度の比較的低いポリシリコン抵抗領域１０８
（Ｎ−型）を有しており、この領域１０８は比較
的拡散濃度の高いポリシリコンオーム接触領域１
０６（Ｎ＋型）と結合している。これら接触領域
１０６には金属接点１０４がオーム接触して、抵
抗素子１０２の端子を構成している。抵抗素子１
０２は電界分離酸化物層１１２の上面に形成され
ており、プラズマ酸化物層１１０により抵抗素子
の端子１０４を絶縁するとともに、プレーナ構造
を形成する。第３ａ図にはさらにバイポーラゲー
トが示してあり、このバイポーラゲートはエミツ
タ接点１１８と、ベースおよびクランプダイオー
ド接点１２０と、ロジツクダイオード接点１２２
と、コレクタ接点１２４とからなるトランジスタ
１１６を有する。前記接点１２２はタングステン
チタン（TiW）で形成するのがよい。なお第３
ａ図は単にデバイスの構造例を示すものであつ
て、各領域や接点間の結合関係についての好まし
い例を示すものではない。第３ｂ図は上記デバイ
ス構造の等価回路例を示すもので、抵抗１０２′
または１０２″は第３ａ図における抵抗素子１０
２に相当するものである。

以上の記載から明らかなように、本発明は各種
のバイポーラ型回路に適用、実施しうるもので、
SRAMやMOS回路に用いても好適である。とり
わけMOS回路に用いる場合、電流密度が増大す
るにともなつて熱安定性の問題が重要となるが、
本発明によるポリシリコン抵抗はこのような問題
に対処する上でも効果的である。

本発明を実施するにあたつてレーザによるアニ
ール処理は必ずしも必要でない。すなわち、上記
のレーザアニール工程の主たる効果は、単にポリ
シリコンの粒度を増大させることにあるのであつ
て、このような効果を達成するためには、他の手
段を講じることも可能である。すなわち、例えば
閃光灯やフリツプオーブン等による加熱や電子ビ
ームアニーリング等、他の過渡加熱手段を用いる
ことができる。

さらに水素パツシベーシヨン処理は、これを陽
子イオンの打ち込みにより行なうこともできる。

また場合によつては、レーザアニール工程を二
重波長照射源を用いて行なつてもよい。この方法
はポリシリコンに強く吸収される比較的短い波
長、例えば1.06ミクロンもしくは可視領域の波長
を、例えば9.25ミクロンまたは10.6ミクロンの比
較的長い波長と組み合わせて用い、長い方の波長
がポリシリコン中では減衰せず、ポリシリコン層
下面の二酸化物層に強く吸収されるようにしたも
ので、長い波長のレーザは上記いずれの波長も炭
酸ガスレーザの発振により簡便に得ることができ
る。このような二重波長アニール処理法によつ
て、アニール処理を施した物質中の粒度を増大さ
せることができる。両波長の出力比はほぼ１対１
とし、いかなる場合にも略々この比となるように
する。また全エネルギ密度を例えば約３ジユー
ル／cm²とし、必要に応じて0.1ジユール／cm²ない
し６ジユール／cm²の範囲内で適当な値を選ぶこと
とする。

第３ａ図の構造に上記の二重波長アニール処理
を行うと、短い方の波長のレーザで上部のポリシ
リコン層１０６等がアニールされると同時に長い
方の波長のレーザで下部の酸化物層１１２がアニ
ールされる。これにより、酸化物層の膜質が強化
されると共にトランジスタの信号取出し部分１１
８，１２０，１２２及び１２４等の開口部のステ
ツプカバレージも改善され、コンタクトラインの
断線を防止することができる。

さらに本発明においては、単結晶シリコン（あ
るいはその他の単結晶半導体）に形成された抵抗
素子の対温度依存度はこれを適宜加減することが
できる。

またゼロTCR抵抗素子を半導体基板中に形成
する場合は、該抵抗素子を拡散法によるよりは、
むしろイオン注入法により形成するのが望まし
い。イオン注入法はそれ自体ある程度のアモルフ
アス化を促すが、このアモルフアス化をアニール
アウトするに先立つてフツ素や酸素等の反応ガス
を導入することにより、シリコン中の各種欠陥や
亜結晶粒のピンニングを行なう。この場合、レー
ザのアニール完了後もdR_P／dT依存性に対する
φ_Bの寄与度は残存しているため、正のTCRは依
然として低下する。

〔発明の効果〕

本発明によるポリシリコン抵抗素子の製造方法
は上記のように、蒸着後のポリシリコンを過渡的
にアニール処理する第１の工程と、アニール処理
したポリシリコンを不活性化する第２の工程をも
つて実質的な製造工程としたもので、第１の工程
によりポリシリコンの粒度を増大させ、第２の工
程によりポリシリコンの粒界におけるトラツプ密
度を減少させることができるという効果がある。
従つて本発明によるポリシリコン抵抗素子は、温
度の上昇にともなつて抵抗値が増大し、温度に対
する抵抗変化が近似ゼロであるため、各種のバイ
ポーラ型回路に好適に適用しうるもので、とくに
SRAMやMOS回路に用いて効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図はポリシリコンの結晶粒子構造を示す概
略図、第２図は本発明による方法により製作した
単純なポリシリコン抵抗素子の構造を示す断面
図、第３ａ図及び第３ｂ図は本発明によるバイポ
ーラデバイスにおいて正のTCRを有するポリシ
リコン抵抗素子を内蔵する実施例示す断面図、第
４図は本発明の実施例により製作したポリシリコ
ン抵抗素子の抵抗−温度曲線を示すグラフ図、第
５図は本発明の実施例により製作した他のポリシ
リコン抵抗素子の抵抗−温度曲線を示すグラフ
図、第６図は本発明の実施例により製作した更に
他のポリシリコン抵抗素子の抵抗−温度曲線を示
すグラフ図、第７図は比較例のポリシリコン抵抗
素子の抵抗−温度曲線を示すグラフ図、第８図は
レーザアニール条件に対する抵抗素子の依存度を
示すグラフ図である。１０２……抵抗素子、１１０……二酸化物層、
１１４……基板、１１６……トランジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】１半導体基板へ、ポリシリコンを蒸着後、この
蒸着ポリシリコンをアニール処理することにより
その粒度を増大させ、このポリシリコンを不活性
化材料により不活性化することによりその粒界に
おけるトラツプ密度を減少させ、該ポリシリコン
に接続部を形成することによつて抵抗素子とする
こと特徴とする、集積回路に用いるポリシリコン
抵抗素子の製造方法。２前記アニール処理はこれをレーザアニールに
より行うようにしたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のポリシリコン抵抗素子の製造方
法。３前記アニール処理はこれを約0.6ジユール／
cm²のエネルギ密度で行うようにしたことを特徴と
する特許請求の範囲第２項記載のポリシリコン抵
抗素子の製造方法。４前記ポリシリコンの蒸着はこれを絶縁層上で
行い、また前記アニール処理はこれを２種類の波
長の光で用いて行い、これら２種類の波長の一方
はポリシリコンに強く吸収される波長とし、他方
はポリシリコンを実質的に透過し、かつ前記絶縁
層により強く吸収されるような波長としたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のポリシリ
コン抵抗素子の製造方法。５前記不活性材料はこれを水素イオンとしたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のポリ
シリコン抵抗素子の製造方法。６前記不活性材料による処理はこれを前記アニ
ール処理を施したポリシリコンを水素プラズマに
接触させることにより行うようにしたことを特徴
とする特許請求の範囲第５項記載のポリシリコン
抵抗素子の製造方法。７前記不活性材料による処理はこれを前記アニ
ール処理を施したポリシリコンに水素イオンを注
入することにより行なうようにしたことを特徴と
する特許請求の範囲第５項記載のポリシリコン抵
抗素子の製造方法。８前記ポリシリコンはこれを10¹⁷／cm³ないし
10¹⁸／cm³のドーパント濃度にドープするようにし
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
ポリシリコン抵抗素子の製造方法。９前記ポリシリコンはこれを厚さ500ないし
6000オングストロームの層としたことを特徴とす
る特許請求の範囲第８項記載のポリシリコン抵抗
素子の製造方法。１０前記アニール処理はこれを前記ポリシリコ
ンの粒度が少なくとも３ミクロン増加するのに十
分なエネルギ密度で行うようにしたことを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載のポリシリコン抵
抗素子の製造方法。