JPH06204408A - 半導体装置用拡散抵抗 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体装置内に不純物拡散により作り込む拡散
抵抗の抵抗値精度をその抵抗層の不純物濃度を低めた場
合にも向上させる。 【構成】ｎ形の半導体領域１の表面からｐ形の抵抗層２
を抵抗用パターンで拡散し、この抵抗層２の表面部にｐ
形の抵抗表面層３をそれとほぼ同じパターンかつ高不純
物濃度でごく浅く拡散し、半導体領域１と抵抗層２と抵
抗表面層３の表面を絶縁膜11で覆った上で端子12を抵抗
表面層３の両端部分から導出して拡散抵抗20とする。絶
縁膜11内に可動イオンによる蓄積電荷が抵抗層２内のキ
ャリア分布に与える影響を抵抗表面層３で遮断すること
により、拡散抵抗20の抵抗値のばらつきを従来より１桁
程度低い±0.1 ％以下に減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に不純物の拡
散により作り込まれる抵抗であって、例えば圧力センサ
や加速度センサ用のピエゾ抵抗等のとくに正確な抵抗値
を要する場合に適する拡散抵抗に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子回路用の抵抗はいわゆる外付け抵抗
とするよりも半導体装置への組み込み抵抗とするのが有
利であり、周知のようにディジタル回路用では電界効果
トランジスタをこれに利用することが多いが、アナログ
回路やセンサ用等のより正確な抵抗値を要する場合は半
導体内にそれと逆導電形の不純物を拡散して作り込んだ
拡散抵抗とするのが通例である。

【０００３】よく知られていることではあるがこの拡散
抵抗の従来の代表例を図７に示す。図７(a) はその断面
図，図７(b) は上面図である。ｎ形の半導体領域１は例
えば集積回路装置の半導体基板の上に成長させたエピタ
キシャル層であり、その表面からｐ形の抵抗層２を細長
いパターンで拡散してその両端の膨出部2aにそれぞれ接
続層６を同じｐ形の高不純物濃度で拡散した上で、表面
を覆う酸化シリコンや燐シリケートガラスの絶縁膜11の
上に配設したアルミの電極膜により絶縁膜11の窓内で接
続層６と接続した端子12を導出して拡散抵抗20とし、さ
らにその上側を窒化シリコン等の保護膜13で覆うのが通
例である。なお、抵抗層２はその不純物濃度と拡散深さ
により種々の面抵抗で作り込むことができ、拡散抵抗20
にはこの面抵抗と抵抗層２のパターンの有効長と幅の比
を適宜設定することにより種々の抵抗値をもたせること
ができる。この拡散抵抗20は抵抗層２に対しそれと半導
体領域１の間のpn接合に逆バイアス電圧を掛けた状態で
使用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的に拡
散抵抗は数百Ω程度以下の低抵抗用に適するが、１ｋΩ
以上の高抵抗用にはあまり適さず、とくにチップの小面
積内に高抵抗を作り込むため前述の抵抗層２の不純物濃
度を10¹⁸原子／cm³ 程度以下に下げると抵抗値の精度が
低下してばらつきが出やすくなる問題がある。もちろ
ん、抵抗層用に導入する不純物量をイオン注入法により
正確に制御し、かつその熱拡散条件を厳密に管理して抵
抗値の精度を向上させるが、それでもばらつきを±１％
以下に下げるのは非常に困難なのが実情である。

【０００５】抵抗値の精度に対する要求は拡散抵抗をセ
ンサに用いる場合に厳しく、とくにピエゾ抵抗ないしス
トレンゲージとして用いる場合は４個の拡散抵抗でブリ
ッジ回路を構成するので、抵抗値に±0.5 ％以上のばら
つきがあるとブリッジ平衡をとるのが困難になり、セン
サの検出感度や精度を高めるには抵抗値のばらつきを±
0.1 ％以下に抑えるのが望ましい。もちろん抵抗層２の
不純物濃度を高めればこの難点はかなり改善されるが、
同じ抵抗値をもつ拡散抵抗を作り込むに要するチップ面
積が著しく増加してしまう。

【０００６】本発明の目的はかかる問題点を解決して抵
抗層の不純物濃度を低めた場合にも拡散抵抗の抵抗値の
精度を向上させることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本件の第１発明の拡散抵
抗では、一方の導電形の半導体領域の表面から他方の導
電形の抵抗層を抵抗用のパターンで拡散し、抵抗層の表
面部に他方の導電形の抵抗表面層をそれとほぼ同じパタ
ーンかつ高不純物濃度で浅く拡散し、抵抗層と抵抗表面
層を含めて半導体領域の表面を絶縁膜で覆い、抵抗表面
層の両端部から端子をそれぞれ導出することにより上述
の目的を達成する。なお、上記中の抵抗表面層の不純物
濃度は抵抗層よりも１桁以上高く, ふつうは10¹⁹原子／
cm³ 以上とし、その拡散深さは 0.1〜0.5 μｍとするの
がよい。また、この抵抗表面層の拡散用のマスクパター
ンは抵抗層用と同じとし、抵抗層を拡散した後にこの抵
抗表面層を拡散するのが有利である。

【０００８】本件の第２発明の拡散抵抗では、第１発明
と同様に抵抗層を拡散し、抵抗層の少なくとも大部分を
含む半導体領域の表面部に一方の導電形の表面層を浅く
拡散し、抵抗層と表面層を含めて半導体領域の表面を絶
縁膜で覆い、抵抗層の両端部から端子をそれぞれ導出す
ることにより前述の目的を達成する。なお、上記中の表
面層を抵抗層を含む半導体領域の全面に拡散し、この表
面層を通して抵抗層の各端部に達するように接続層を他
方の導電形で拡散して、この接続層の表面から端子をそ
れぞれ導出するのが有利である。また、表面層の拡散深
さはごく浅く,ふつうは 0.5〜１μｍとすることでよ
い。

【０００９】本件の第３発明の拡散抵抗では、一方の導
電形の半導体領域の表面部の下側に他方の導電形の抵抗
層を抵抗用のパターンで埋め込み拡散し、半導体領域の
表面から他方の導電形の接続層を抵抗層の両端部に達す
るように高不純物濃度で拡散し、半導体領域の表面を絶
縁膜で覆い、接続層から端子をそれぞれ導出することに
より前述の目的を達成する。なお、上記のように抵抗層
を埋め込むにはイオン注入によってそれ用の不純物を深
く導入した上で熱拡散させることもできるが、半導体領
域を上下２層構成として下側の半導体領域の表面から抵
抗層をまず拡散した後に，その上に一方の導電形のエピ
タキシャル層を上側の半導体領域として成長させる方が
有利である。抵抗層をイオン注入により埋め込む際のイ
オン加速電圧は１MeV 以上, 望ましくは数MeV とするの
がよく、上側の半導体領域として成長させるエピタキシ
ャル層は１〜２μｍとごく薄くてよい。

【００１０】

【作用】本発明では、拡散抵抗の抵抗値精度を一層向上
するには抵抗層内のキャリアの縦方向の分布がその上側
を覆う絶縁膜内の蓄積電荷の影響を受けないようにする
必要がある点に着目し、抵抗層と絶縁膜との間にこの影
響を遮断する半導体層を介在させることにより問題を解
決するものである。すなわち、絶縁膜には微量であるが
可動イオンがあってその電荷が必ず蓄積されており、そ
の静電誘導により抵抗層の絶縁膜に接する表面部の多数
キャリアの分布が影響を受け、ないし逆の導電形に変わ
りやすく、しかも絶縁膜内の電荷の蓄積量や分布状態に
ばらつきが出やすくかつ経時的にも変化しやすいために
拡散抵抗の抵抗値がばらつきやすくなり、かつこの傾向
は抵抗層の不純物濃度が低いほど著しくなる。

【００１１】このため、前述の第１発明では抵抗層と同
じ導電形であるが不純物濃度が高い抵抗表面層により、
第２発明では抵抗層とは逆導電形の表面層により、第３
発明では埋め込まれた抵抗層の上側のそれと逆導電形の
半導体領域により、それぞれ抵抗層内のキャリアの縦方
向分布に対する絶縁膜内の電荷の蓄積量や分布状態の影
響を遮断して拡散抵抗の抵抗値精度を向上させる。これ
により、いずれの場合でも拡散抵抗の抵抗値のばらつき
を従来よりも１桁小さい±0.1 ％ないしはそれ以下に減
少させることができる。

【００１２】

【実施例】以下、図を参照して本件発明の実施例を説明
する。図１と図３と図５とにそれぞれ第１と第２と第３
発明による拡散抵抗20を断面図で示し、図２と図４と図
６にそれぞれこれら拡散抵抗を製造する際の主な工程ご
との状態を断面図で示す。いずれにも図７との対応部分
に同じ符号が付されており、抵抗層２は図７(b) に示す
ような平面的パターンで拡散されるものとする。

【００１３】図１の第１発明では、ｎ形の半導体領域１
の表面から所定不純物濃度でｐ形の抵抗層２を拡散し、
それとほぼ同パターンでただしそれよりも１桁程度以上
高い不純物濃度でｐ形の抵抗表面層３をごく浅く拡散
し、抵抗層２と抵抗表面層３の上側を含めて半導体領域
１の表面を酸化シリコン等の絶縁膜11で覆い、かつ抵抗
表面層３の両端部からアルミの電極膜により端子12をそ
れぞれ導出してその上を窒化シリコン等の保護膜13で覆
って拡散抵抗20とする。

【００１４】図２(a) は抵抗層２の拡散工程であり、半
導体領域１の表面に酸化シリコンのマスク膜M1をフォト
プロセスにより形成し、これをマスクとして通例のボロ
ンをｐ形不純物としてイオン注入した上で熱拡散させる
ことにより抵抗層２をふつう２〜３μｍの深さに作り込
む。この抵抗層２の不純物濃度は拡散抵抗20に必要な抵
抗値に応じ設定され、例えばこの抵抗値が１ｋΩ程度以
上の場合は10¹⁶〜10¹⁸原子／cm³ に設定される。なお、
この図２(a) の工程では抵抗層２を目標値より所定％,
例えば５〜10％だけ高い抵抗値で作り込むようにする。

【００１５】次の図２(b) は抵抗表面層３の拡散工程で
あり、前と同じマスク膜M1を用いてｐ形不純物を抵抗層
２の表面に高ドーズ量でイオン注入した上で短時間の熱
拡散により抵抗表面層３をふつう 0.2〜0.5 μｍの深さ
に作り込む。抵抗表面層３の不純物濃度は抵抗層２より
も少なくとも１桁高く, 例えば10¹⁸〜10¹⁹原子／cm³程
度かそれ以上とするのがよい。以後は絶縁膜11と端子12
と保護膜13を順次配設して図１の完成状態とする。な
お、拡散抵抗20の抵抗値は抵抗表面層３によって抵抗層
２の抵抗値より上述の５〜10％低い所定値になる。

【００１６】この第１発明では抵抗層２と絶縁膜11との
間に高不純物濃度の抵抗表面層３が介在しているので、
その遮断効果によって拡散抵抗20の本体である抵抗層２
内のキャリア分布が絶縁膜11内の蓄積電荷の影響を受け
ることがなく、拡散抵抗20の抵抗値のばらつきを±0.1
％程度にまで減少させることができる。さらに、この第
１発明は抵抗層２と抵抗表面層３の拡散用に同じマスク
膜M1を共用できるのでマスク形成用のフォトプロセスを
１回で済ませ得る利点がある。

【００１７】図３の第２発明では、ｎ形の半導体領域１
の表面から前述のｐ形の抵抗層２を拡散し、抵抗層２の
大部分を含めて半導体領域１の表面部分にｎ形の表面層
４を浅く拡散し、表面層４を含む半導体領域１の表面を
絶縁膜11で覆い、抵抗層２の両端部分からそれぞれ端子
12を導出して拡散抵抗20を構成する。なお、端子12は表
面層４の拡散時に抵抗層２を露出させてそこから導出し
てもよいが、図示の例では表面層４を抵抗層２と半導体
領域１の表面全体に拡散しておき、表面層４の表面から
ｐ形の接続層６を抵抗層２の各端部に達するように高不
純物濃度でそれぞれ拡散してそれから端子12を導出する
構造とされる。保護膜13が端子12を覆うように設けられ
るのは図１と同じである。

【００１８】図４(a) 〜(c) に図３の構造の拡散抵抗20
の主な製造工程を示す。図４(a) の工程ではマスク膜M1
を用いる拡散により半導体領域１の表面から抵抗層２を
作り込み、次の図４(b) の工程では半導体領域１および
抵抗層２の表面全体にｎ形の表面層４を拡散し、さらに
図４(c) の工程で別のマスク膜M2を用いる拡散によりｐ
形の接続層６を表面層４の表面から抵抗層２に達するよ
うに拡散する。以後は絶縁膜11と端子12と保護膜13を順
次配設して図３の完成状態とする。表面層４の不純物濃
度はｐ形の抵抗層２の表面をｎ形に変え得るよう抵抗層
２の不純物濃度より高めに設定することでよく、その拡
散深さはふつう 0.5〜１μｍ程度と浅くてよい。接続層
６は10¹⁸〜10¹⁹原子／cm³ 以上の高不純物濃度とされ
る。なお、図４(b) と図４(c) の工程は適宜入れ換えて
もよい。

【００１９】図５に示す第３発明の実施例では、ｐ形の
抵抗層をｎ形の半導体領域の表面の下側に埋め込むため
に半導体領域を下側の半導体領域１と上側の半導体領域
５の２層構成とする。このため、図６(a) に示すようｎ
形の半導体領域１の表面部にまずｐ形の抵抗層２をマス
ク膜M1を用いて拡散した後、図６(b) のように上側の半
導体領域５としてｎ形のエピタキシャル層を抵抗層２を
覆うようにごく薄く，例えば１〜２μｍの厚みに成長さ
せる。さらに、図６(c) の工程でマスク膜M2を用いて半
導体領域５の表面からｐ形の接続層６を抵抗層２の各端
部に達するよう高不純物濃度で拡散した上で、半導体領
域５と接続層６の表面を覆う絶縁膜11と各接続層６に接
続された端子12とその上を覆う保護膜13とを順次配設し
て図５の拡散抵抗20の完成状態とする。

【００２０】以上説明した第２発明および第３発明のい
ずれによる拡散抵抗20でも、ｐ形の抵抗層２はいずれも
ｎ形の表面層４または上側の半導体領域５によって絶縁
膜11から遮断されているので、抵抗層２内のキャリア分
布が絶縁膜11内の蓄積電荷の影響を受けることがなく、
拡散抵抗20の抵抗値のばらつきを±0.1 ％程度ないしそ
れ以下に減少させることができる。いずれの場合もマス
ク膜M1とM2用にフォトプロセスを２回要するが従来と同
じである。なお、第３発明では抵抗層２を埋め込むため
に半導体領域を２層構成にするかわりに、抵抗値の精度
は若干落ちるが単一層の半導体領域の表面から抵抗層２
用の不純物を１〜数MeV の高加速電圧のイオン注入によ
り２〜数μｍの深さに打ち込むようにしてもよい。

【００２１】なお、抵抗層２のキャリア分布に対する絶
縁膜11の蓄積電荷の影響を遮断するため、第１発明では
抵抗表面層３を抵抗層２と同じ導電形とし、第２と第３
発明では表面層４や上側の半導体領域５を抵抗層２と逆
の導電形とするが、いずれの場合も遮断効果は大差はな
い。この遮断効果上では、同導電形の抵抗表面層３の不
純物濃度は抵抗層２よりも極力高く設定するのがよく、
逆導電形の表面層４や上側の半導体領域５の不純物濃度
はとくに低くない程度でよい。本件発明による拡散抵抗
20は抵抗層２の面抵抗を0.5 〜５ｋΩ／□とし, 拡散パ
ターンの長さと幅の比を数〜10として数ｋΩ程度の抵抗
値をもたせた場合でも、そのばらつきを従来より１桁低
い± 0.1％以下に容易に管理でき、その作り込みに要す
る面積も面抵抗を高く設定して従来よりも縮小すること
ができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明では拡散抵
抗の抵抗値の精度が低下しやすいのはその抵抗層内のキ
ャリアの分布がその上側の絶縁膜内の蓄積電荷の影響を
受ける点に原因があることに着目し、第１発明では抵抗
表面層を抵抗層と同じ導電形でその表面部に高不純物濃
度で拡散し、第２発明では表面層を抵抗層および半導体
領域の表面部に抵抗層と逆の導電形で拡散し、第３発明
では抵抗層をそれと逆の導電形の半導体領域の表面の下
側に埋め込み拡散することにより、いずれの場合にも抵
抗層内のキャリア分布に対する絶縁膜内の蓄積電荷の影
響を遮断して拡散抵抗の抵抗値のばらつきを従来より１
桁以上減少させることができる。

【００２３】なお、第１発明は不純物拡散用のマスク膜
を形成するためのフォトプロセスが１回で済ませ得る利
点があり、第２および第３発明は従来と同じく２回のフ
ォトプロセスを要するが拡散抵抗の抵抗値の制御が第１
発明よりも容易になる利点を有する。また、第１〜第３
発明のいずれも抵抗層の不純物濃度を10¹⁸原子／cm³以
下に下げた場合にも拡散抵抗の抵抗値の精度を上述のよ
うに向上させる効果が高く、拡散抵抗が１ｋΩ以上の高
抵抗の場合や高い抵抗値の精度を要するピエゾ抵抗等の
センサ用拡散抵抗への適用にとくに有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１発明による拡散抵抗の実施例を示すその断
面図である。

【図２】図１の拡散抵抗を作り込む際の主な工程ごとの
状態を示し、同図(a) は抵抗層の拡散工程、同図(b) は
抵抗表面層の拡散工程を示す断面図である。

【図３】第２発明による拡散抵抗の実施例を示すその断
面図である。

【図４】図３の拡散抵抗を作り込む際の主な工程ごとの
状態を示し、同図(a) は抵抗層の拡散工程、同図(b) は
表面層の拡散工程、同図(c) は接続層の拡散工程をそれ
ぞれ示す断面図である。

【図５】第３発明による拡散抵抗の実施例を示すその断
面図である。

【図６】図５の拡散抵抗を作り込む際の主な工程ごとの
状態を示し、同図(a) は抵抗層の拡散工程、同図(b) は
上側半導体領域としてのエピタキシャル層の成長工程、
同図(c) は接続層の拡散工程をそれぞれ示す断面図であ
る。

【図７】従来の拡散抵抗に関し、同図(a) はその断面
図、同図(b) は上面図である。

【符号の説明】

１ 半導体領域ないしは下側の半導体領域 ２ 抵抗層 ３ 抵抗表面層 ４ 表面層 ５ 上側の半導体領域ないしはエピタキシャル層 ６ 接続層 11 絶縁膜 12 端子 13 保護膜 20 拡散抵抗

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方の導電形の半導体領域の表面から抵抗
   用のパターンで拡散された他方の導電形の抵抗層と、抵
   抗層の表面部にそれとほぼ同じパターンかつ高不純物濃
   度で浅く拡散された他方の導電形の抵抗表面層と、抵抗
   層および抵抗表面層を含む半導体領域の表面を覆う絶縁
   膜とを備え、抵抗表面層の両端部から端子をそれぞれ導
   出してなることを特徴とする半導体装置用拡散抵抗。
2. 【請求項２】一方の導電形の半導体領域の表面から抵抗
   用のパターンで拡散された他方の導電形の抵抗層と、抵
   抗層の少なくとも大部分を含む半導体領域の表面部に浅
   く拡散された一方の導電形の表面層と、表面層を含めて
   半導体領域の表面を覆う絶縁膜とを備え、抵抗層の両端
   部分から端子をそれぞれ導出してなることを特徴とする
   半導体装置用拡散抵抗。
3. 【請求項３】一方の導電形の半導体領域の表面の下側に
   抵抗用のパターンで埋め込み拡散された他方の導電形の
   抵抗層と、抵抗層の両端部にそれぞれ達するよう半導体
   領域の表面から高不純物濃度で拡散された他方の導電形
   の接続層と、半導体領域の表面を覆う絶縁膜とを備え、
   各接続層から端子をそれぞれ導出してなることを特徴と
   する半導体装置用拡散抵抗。