Прецизионный интегральный поликремниевый резистор и способ его изготовления

 

Изобретение относится к конструированию прецизионных интегральных поликремниевых резисторов и может быть использовано в аналоговых и аналого-цифровых интегральных схемах (ИС). За счет экранирования резистивного поликремния от подложки локальными экранами из проводящего материала достигается эффект повышения точности воспроизведения сопротивлений и отношения сопротивлений интегральных поликремниевых резисторов, устранения зависимости сопротивления резисторов от напряжения между резистором и подложкой (в том числе и от напряжения питания ИС), а также улучшения временной стабильности сопротивлений. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, более конкретно к конструкции прецизионных интегральных поликремниевых резисторов, и может быть использовано в аналоговых и аналого-цифровых интегральных схемах (ИС).

Известны конструкции поликремниевых резисторов [1], включающие выполненные на изолирующей подложке резистивные и контактные участки из поликристаллического кремния. Недостаток известных поликремниевых резисторов заключается в большом разбросе (погрешности) сопротивлений и отношений сопротивлений, большой зависимости сопротивления от напряжения на подложке относительно резистора, а также невозможности обеспечения высокой температурной и временной стабильности сопротивлений при непредельных уровнях легирования поликремния (менее 1^* E + 20 1/см³), требующихся для получения относительно высоких поверхностных сопротивлений (сотни и тысячи Ом на квадрат).

Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются конструкция и способ изготовления прецизионных интегральных поликремниевых резисторов, реализуемых в МОП ИС [2].

Поликремниевый резистор [2] включает резистивный участок поликремния и примыкающие к его концам контактные участки поликремния с увеличенной толщиной и повышенным уровнем легирования, состоящие из двух слоев поликремния: первого (нижнего) - высоколегированного и второго (верхнего) - резистивного. Этот интегральный поликремниевый резистор изготавливается на полупроводниковой подложке, покрытый диэлектриком в технологическом процессе МОП (КМОП) ИС следующим образом: формируют первый слой высоколегированного поликремния и проводят его фотогравировку, удаляя его с области размещения резистивных участков; формируют второй слой резистивного поликремния, легируют ионным легированием фосфора и проводят фотогравировку для формирования конфигурации всего резистора, включая резистивные и контактные участки в обеих слоях поликремния; проводят термическое окисление поликремния при температуре 800 - 950^oC до прокисления слоя резистивного поликремния на 0,4 - 0,7 его исходной толщины, причем окисление проводят в один этап: до или после фотогравировки второго поликремния, или в два этапа: и до и после указанной фотогравировки.

Приведенная конструкция поликремниевого резистора и способ его изготовления обеспечивают: уменьшенный технологический разброс сопротивления резистора (улучшенную воспроизводимость сопротивления); высокую точность воспроизведения отношения сопротивлений идентичных резисторов; низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС); высокую термическую и временную стабильность сопротивлений и отношений сопротивлений резисторов.

Однако описанная конструкция поликремниевых резисторов имеет существенный недостаток, который в некоторых применениях сводит к нулю все достоинства этих резисторов, а именно: существует сильная зависимость сопротивления этих резисторов от величины и знака напряжения между полупроводниковой подложкой и резистором. Например, сопротивления одного и того же резистора при напряжениях на подложке относительно резистора +10В и -10В могут различаться от 0,1 до 2% в зависимости от уровня легирования резистивного поликремния и толщины изолирующего диэлектрика на подложке. Кроме того, этот же эффект приводит к наличию нестабильности сопротивления резистора при подаче напряжения смещения подложки (то есть напряжения питания ИС).

Целью изобретения является повышение точности воспроизведения сопротивлений и отношения сопротивлений интегральных поликремниевых резисторов за счет устранения зависимости сопротивления резисторов от напряжения между резистором и подложкой, а также улучшение временной стабильности их сопротивлений.

Цель достигается тем, что в прецизионном интегральном поликремниевом резисторе, включающем выполненные на полупроводниковой подложке с диэлектрическим покрытием по крайней мере один резистивный участок поликремния, контактные участки поликремния, примыкающие к двум его противоположным концам и лежащие на слое проводящего материала, и металлические контакты, каждый из резистивных участков выполнен на слое разделительного диэлектрика, расположенном над двумя смежными и изолированными участками слоя проводящего материала, каждый из которых через окно в слое разделительного диэлектрика контактирует с нижней поверхностью соответствующего контактного участка поликремния, причем длины перекрытий резистивным участком обоих участков слоя проводящего материала равны, а металлические контакты к резисторам выполнены на верхней поверхности контактных участков поликремния над областями их контакта со слоем проводящего материала.

Прецизионный интегральный поликремниевый резистор может состоять из последовательно соединенных N-резистивных участков, перекрывающих 2N - участков проводящего материала так, что сумма длин перекрытий резистивными участками участков проводящего материала в одном направлении от контактных участков равна сумме длин перекрытий резистивными участками участков проводящего материала в противоположном направлении от контактных участков.

В прецизионном интегральном поликремниевом резисторе в качестве проводящего материала может быть использован высоколегированный поликристаллический кремний с типом проводимости, аналогичным типу проводимости поликремниевого резистора.

В прецизионном интегральном поликремниевом резисторе контактные участки поликремния имеют уровень легирования, по крайней мере на порядок превышающий уровень легирования резистивных участков.

В прецизионном интегральном поликремниевом резисторе толщина слоя поликремния резистивных участков 0,06 - 0,18 мкм, толщина слоя поликремния участков проводящего материала 0,3 - 0,6 мкм, а суммарная толщина поликремния контактных участков 0,36 - 0,78 мкм.

В способе изготовления прецизионных интегральных поликремниевых резисторов, включающем формирование на полупроводниковой подложке, покрытой слоем диэлектрика, первого слоя высоколегированного поликремния, второго слоя резистивного поликремния, термическое окисление слоя резистивного поликремния во влажной среде и формирование металлических контактов, после формирования первого слоя высоколегированного поликремния с поверхностным сопротивлением менее 50 Ом на квадрат проводят его фотогравировку, формируя очертания участков проводящего материала, формируют слой раздельного диэлектрика и проводят его фотогравировку, формируя окна между участками первого высоколегированного слоя поликремния и местом расположения контактных участков второго слоя резистивного поликремния, формируют второй слой резистивного поликремния с поверхностным сопротивлением более 300 Ом на квадрат, проводят его термическое окисление во влажной среде и фотогравировку, формируя очертания резистивных и контактных участков, формируют металлические контакты на верхней поверхности контактных участков второго слоя резистивного поликремния над областями их контакта с участками первого слоя высоколегированного поликремния.

При этом первый слой высоколегированного поликремния формируют толщиной 0,3 - 0,6 мкм и легируют фосфором до уровня более 1,0^* OE + 20 1/см³, осаждают слой разделительного диэлектрика толщиной 0,05 - 0,2 мкм, в качестве которого используют нитрид кремния, осаждают второй слой резистивного поликремния толщиной 0,1 - 0,3 мкм и проводят его ионное легирование фосфором с дозой 300 - 400 мкМ/см² и окисление во влажной среде при температуре 800 - 950^oC на глубину 0,4 - 0,7 исходной толщины слоя резистивного поликремния.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены варианты конструкции заявляемых интегральных поликремниевых резисторов и последовательность его изготовления.

На фиг. 1 изображен интегральной поликремниевый резистор, состоящий из одного резистивного участка; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - интегральный поликремниевый резистор, состоящий из двух резистивных участков и четырех участков проводящего материала; на фиг. 4, а, б, в, г, приведены основные этапы формирования интегрального поликремниевого резистора, изображенного на фиг. 1, в том числе: а) - после формирования участков проводящего материала, в качестве которого использован высоколегированный поликремний; б) - после формирования участков проводящего материала из высоколегированного поликремния, слоя разделительного диэлектрика и окон в нем к контактным участкам резистора; в) - после формирования участков проводящего материала из высоколегированного поликремния, слоя разделительного диэлектрика, например нитрида кремния, окон в нем к местам расположения контактных участков резистивного поликремния, формирования второго слоя резистивного поликремния и его фотогравировки; г) - после формирования участков проводящего материала из высоколегированного поликремния, слоя разделительного диэлектрика, окон в нем к местам расположения контактных участков резистивного поликремния, формирования второго слоя резистивного поликремния и его фотогравировки, термического окисления поликремния и формирования металлических контактов.

На фиг. 1 - 4 позициями обозначены: 1 - полупроводниковая подложка; 2 - диэлектрик на подложке; 3 (А, Б, В, Г,) - участки проводящего материала; 4 - слой разделительного диэлектрика; 5 (А, Б,) - резистивные участки слоя резистивного поликремния; 6 (А, Б, В,) - контактные участки слоя резистивного поликремния (в месте контакта резистивного поликремния с участками проводящего материала); 7 - слой пассивирующей двуокиси кремния; 8 - металлические контакты к резистору; 9 - контур участков проводящего материала; 10 - контур разделительного диэлектрика; 11 - контур резистивных участков поликремния; 12 - контур контактных окон в слое пассивирующей двуокиси кремния; 13 - контур металлических контактов к резистору.

Последовательность изготовления предлагаемых интегральных поликремниевых резисторов в соответствии с предлагаемым способом их изготовления при использовании стандартных технологических процессов следующая.

На полупроводниковой подложке 1, покрытой диэлектриком 2, осаждают слой проводящего материала, в качестве которого используют, например, слой высоколегированного поликристаллического кремния n - типа с поверхностным сопротивлением менее 50 Ом на квадрат и методом фотогравировки формируют из него участки проводящего материала 3 (на фиг. 4а). Формируют слой разделительного диэлектрика 4, например, нитрида кремния, толщиной 0,05 - 0,2 мкм, и методом фотогравировки удаляют его с мест расположения контактных участков резисторов, формируя окна к контактным участкам (фиг.4б).

Формируют второй слой резистивного поликремния с поверхностным сопротивлением более 300 Ом на квадрат, например, осаждением слоя поликремния толщиной 0,1 - 0,3 мкм с последующим его ионным легированием фосфором с дозой 300 - 400 кмКл/см², проводят его термическое окисление, например, во влажной среде при температуре 800 - 950^oC на глубину 0,4 - 0,7 исходной толщины и фотогравировку для формирования контуров резистивных 5 и контактных 6 участков в слое резистивного поликремния (при этом толщина непрокисленного резистивного поликремния в резистивных участках остается 0,06 - 0,18 мкм) (фиг. 4в).

При этом термическое окисление слоя резистивного поликремния проводят в одну или две стадии: или в одну стадию фотогравировкой слоя резистивного поликремния; или в одну стадию после фотогравировки слоя резистивного поликремния;
или в две стадии до и после фотогравировки слоя резистивного поликремния,
причем слой двуокиси кремния, выращенный на слое резистивного поликремния, перед его фотогравировкой удаляют, а суммарное время окисления на двух стадиях задается так, чтобы суммарная толщина прокисленного поликремния составляла 0,4 - 0,7 исходной толщины слоя резистивного поликремния.

Далее известными методами формируют металлические контакты (8) на верхней поверхности контактных участков поликремния над областями их контакта с участками первого слоя высоколегированного поликремния (фиг. 4,г).

В обычных интегральных поликремниевых резисторах переменное (по длине резистора) электрическое поле между полупроводниковой подложкой и различными точками резистивных участков поликремниевых резисторов вызывает, во-первых, модуляцию проводимости поликремния, переменную по длине резисторов, и, во-вторых временную нестабильность проводимости, вследствие указанной модуляции, при изменении напряжения между подложкой и резистором, например, при включении или изменении напряжения питания ИС.

Переменная модуляция проводимости различных участков резисторов напряжением подложки приводит к невозможности точного согласования сопротивлений обычных поликремниевых резисторов в делителе, поскольку проводимости как отдельных резисторов, так и различных участков одного и того же резистора, имеющих различные потенциалы относительно подложки, различаются.

Повышение точности воспроизведения сопротивлений и отношения сопротивлений интегральных поликремниевых резисторов, снижение зависимости их сопротивлений от напряжения между резистором и подложкой (которое в ИС зависит от напряжения питания ИС), а также улучшение временной стабильности сопротивления в предлагаемой конструкции интегральных поликремниевых резисторов достигается за счет экранирования резистивных участков поликремния от подложки локальными экранами из приводящего материала.

В предлагаемой конструкции интегральных поликремниевых резисторов, экранированных от подложки, также имеется электрическое поле между экраном и резистивным поликремнием, возрастающее по мере удаления об области контактных участков резистивного поликремния, имеющих электрический контакт с экранами, однако здесь электрические поля, во-первых, не зависят от напряжения питания ИС и зависят только от падения напряжения на резисторе, и, во-вторых, абсолютно симметричны при изменении полярности потенциалов на концах резисторов и равны для идентичных резисторов.

Кроме того, используя резисторы по п. 2 формулы изобретения, состоящие из N-резистивных участков, перекрывающих 2N-участков проводящего материала так, что сумма длин перекрытий резистивными участками поликремния участков проводящего материала, примыкающих к контактным участкам в одном направлении (перекрытия участков 5А, 3А и 5Б, 3В на фиг. 3), равна сумме длин перекрытий резистивными участками участков проводящего материала, примыкающих к контактным участкам в противоположном направлении (перекрытия участков 5А, 3Б и 5Б, 3Г на фиг. 3), можно уменьшить максимальную величину электрических полей еще в N-раз при сохранении полной симметрии и идентичности этих полей для каждого идентичного резистивного элемента.

Следует отметить, что в предлагаемой конструкции интегральных поликремниевых резисторов контактные участки резисторов не экранированы от подложки, однако в связи с тем, что уровень легирования в контактных участках близок к предельному, а их сопротивления малы по сравнению с сопротивлением резистивных участков, возможная погрешность и нестабильность сопротивления резисторов из-за модуляции проводимости в контактных участках пренебрежимо мала.

Отметим также, что проведение термического окисления слоя резистивного поликремния во влажной среде при 800 - 950^oC при изготовлении заявляемых интегральных поликремниевых резисторов с прокислением его на глубину 0,4 - 0,7 его исходной толщиной безусловно необходимо для обеспечения высокой точности согласования сопротивлений резисторов, снижения их температурного коэффициента сопротивления и обеспечения временной стабильности сопротивлений за счет стабилизации ловушек захвата носителей на границах зерен поликремния согласно способу изготовления поликремниевых резисторов по прототипу.

Предлагаемые конструкция и технология изготовления прецизионных интегральных поликремниевых резисторов позволяют обеспечить высокие характеристики резисторов по конструкции и способу - прототипу, а именно:
абсолютный разброс сопротивлений при изготовлении разных партий ± 20%;
точность согласования сопротивлений конструктивно-идентичных резисторов в парах ± (0,05 - 0,1%);
температурный коэффициент сопротивлений не хуже 0,0002 1/град.

Кроме того, предлагаемые конструкция и технология изготовления прецизионных интегральных поликремниевых резисторов позволяют по сравнению с прототипом обеспечить практическую независимость сопротивления резисторов от напряжения питания ИС и от величины и знака напряжения на резисторах.

Таким образом, предлагаемые конструкция и способ изготовления прецизионных интегральных поликремниевых резисторов обладают новизной, могут быть реализованы и позволяют обеспечить высокую точность воспроизведения сопротивлений и отношений сопротивлений, высокую термическую и временную стабильность сопротивлений и отношений сопротивлений резисторов, а также независимость сопротивления резисторов от напряжения питания ИС и от величины и знака напряжения на резисторах.

Формула изобретения

1. Прецизионный интегральный поликремниевый резистор, включающий выполненные на полупроводниковой подложке с диэлектрическим покрытием по крайней мере один резистивный участок поликремния, контактные участки поликремния, примыкающие к двум его противоположным концам и лежащие на слое проводящего материала, и металлические контакты, отличающийся тем, что каждый из резистивных участков выполнен на слое разделительного диэлектрика, расположенном над двумя смежными и изолированными участками слоев проводящего материала, каждый из которых через окно в слое разделительного диэлектрика контактирует с нижней поверхностью соответствующего контактного участка поликремния, причем длины перекрытий резистивным участком обоих участков слоя проводящего материала равны, а металлические контакты к резисторам выполнены на верхней поверхности контактных участков поликремния над областями их контакта со слоем проводящего материала.

2. Резистор по п.1, отличающийся тем, что он состоит из последовательно соединенных N-резистивных участков, перекрывающих 2N-участков проводящего материала так, что сумма длин перекрытий резистивными участками участков проводящего материала в одном направлении от контактных участков равна сумме длин перекрытий резистивными участками участков проводящего материала в противоположном направлении от контактных участков.

3. Резистор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве проводящего материала используют высоколегированный поликристаллический кремний с типом проводимости, аналогичным типу проводимости поликремниевого резистора.

4. Резистор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что контактные участки поликремния имеют эффективный уровень легирования, по крайней мере на порядок превышающий уровень легирования резистивных участков.

5. Резистор по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что толщина слоя поликремния резистивных участков 0,06 - 0,18 мкм, толщина слоя поликремния участков проводящего материала 0,3 - 0,6 мкм, а суммарная толщина поликремния контактных участков 0,36 - 0,78 мкм.

6. Способ изготовления прецизионных интегральных поликремниевых резисторов, включающий формирование на полупроводниковой подложке, покрытой слоем диэлектрика, первого слоя высоколегированного поликремния, второго слоя резистивного поликремния, термическое окисление слоя резистивного поликремния во влажной среде и формирование металлических контактов, отличающийся тем, что после формирования первого слоя высоколегированного поликремния с поверхностным сопротивлением менее 50 Ом на квадрат проводят его фотогравировку, формируя очертания участков проводящего материала, формируют слой разделительного диэлектрика и проводят его фотогравировку, формируя окна между участками первого высоколегированного слоя поликремния и местом расположения контактных участков второго слоя резистивного поликремния формируют второй слой резистивного поликремния с поверхностным сопротивлением более 300 Ом на квадрат, проводят его термическое окисление во влажной среде и фотогравировку, формируя очертания резистивных и контактных участков, формируют металлические контакты на верхней поверхности контактных участков второго слоя резистивного поликремния над областями их контакта с участками первого слоя высоколегированного поликремния.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что первый слой высоколегированного поликремния формируют толщиной 0,3 - 0,6 мкм и легируют фосфором до уровня более 1,0^*Е + 20 см^-3, осаждают слой разделительного диэлектрика толщиной 0,05 - 0,2 мкм, в качестве которого используют нитрид кремния, осаждают второй слой резистивного поликремния толщиной 0,1 - 0,3 мкм и проводят его ионное легирование фосфором с дозой 300 - 400 мкКл/см² и окисление во влажной среде при 800 - 950^oС на глубину 0,4 - 0,7 исходной толщины слоя резистивного поликремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4