正温度系数多晶硅电阻结构及其制造方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种正温度系数多晶硅电阻结构及其制造方法。

背景技术：

半导体电阻器件是半导体芯片产品中应用最广泛的器件之一，电阻的温度特性在产品应用中非常重要。常用的电阻有以下几种。采用多晶硅材料在半导体衬底之上通过氧化层隔离形成的电阻，称为多晶硅(poly)电阻。请参考图14，扩散区电阻与多晶硅电阻的位置关系如下。以p型硅衬底为例，从下到上依次包括p型硅衬底301、n型扩散区电阻302、氧化层303和多晶硅电阻304，当然还包括在硅衬底301上的扩散区电阻302外围形成的浅沟槽隔离结构305，与扩散区电阻302连接的第一导电柱306，以及与多晶硅电阻304连接的第二导电柱307。请参考图15，阱区电阻与多晶硅电阻的位置关系如下。以p型硅衬底为例，从下到上依次包括p型硅衬底401、n型阱区电阻402、第一浅沟槽隔离结构403、氧化层404和多晶硅电阻405，当然还包括在硅衬底401上的阱区电阻402外围形成的第二浅沟槽隔离结构406，分布在阱区电阻402端部的n型重掺杂区407，与n型重掺杂区407连接的第一导电柱408，以及与多晶硅电阻405连接的第二导电柱409。上述扩散区电阻和阱区电阻，多晶硅电阻不在硅衬底上，而是与硅衬底之间间隔了一层氧化层，因此，多晶硅电阻的特性比扩散区(act)电阻和阱区(nwell)电阻要好，例如，多晶硅电阻的匹配性能和噪声性能均优于扩散区电阻和阱区电阻。另外，一般多晶硅电阻分为非金属化(unsalicide)poly电阻和金属化(salicide)poly电阻两种，前者因为阻值较大(上百甚至上千，根据不同掺杂浓度，但总体基本都叫轻掺杂)，而后者，电阻一般不到10欧姆/方块(ohm/sqr)，所以即使其具有正温度系数也不实用。在多晶硅电阻结构中，多晶硅电阻的俯视结构通常为一矩形形状，以及以矩形形状为基础形成的s形状和螺旋形状等。图1是常规矩形形状的非金属化多晶硅电阻结构的俯视结构示意图，请参考图1，多晶硅电阻10具有一定长度l和宽度w的矩形形状，包括中间区域11和两端的端部区域12，以虚拟边界线20划界。中间区域11是电阻的主要部分，而端部区域12只是为了器件连接而产生的连接部分。此种结构的多晶硅电阻10，其中间区域11的电阻值远远大于端部区域12的电阻值。对于某一多晶硅电阻10而言，其端部区域12的电阻值是固定的，端部区域12的占比，由多晶硅电阻10的整体长度决定。图2是某多晶硅电阻结构的电阻值随温度变化的曲线图。图2中示出了三种相同方块数(no.ofsqure)不同宽度w的多晶硅电阻结构的电阻值随温度变化的曲线图，三种相同方块数的电阻的宽度w分别为2um、5um和10um。其中横坐标为温度值，单位为℃，纵坐标为多晶硅电阻结构的总电阻值，单位为ω。请参考图2，由于轻掺杂多晶硅的特性，电阻呈负温度系数变化，即随着温度值的升高，其电阻值呈下降趋势变化。要想获得较高阻值的正温度系数电阻结构，一般通过上述扩散区电阻或者阱区电阻的工艺获得，其缺点是以牺牲精准度或者面积为代价，但是当半导体器件的关键尺寸受到限制或者对电阻精度要求非常严格时，因无法获得具有正温度系数的多晶硅电阻结构而使设计受到限制。因此，如何在不增加工艺负担且保证器件工艺稳定度、不牺牲面积的情况下获得较高阻值的正温度系数多晶硅电阻结构是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上不足，提供了一种正温度系数多晶硅电阻结构及其制造方法，以规避半导体器件性能的限制，在不增加工艺负担且保证器件工艺稳定度、不牺牲面积的情况下获得较高阻值的正温度系数多晶硅电阻结构。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种正温度系数多晶硅电阻结构，包括若干个矩形形状的多晶硅单元电阻，每个所述多晶硅单元电阻包括位于中间区域的电阻值呈负温度系数变化的非金属化多晶硅区和位于两端的端部区域的电阻值呈正温度系数变化的金属化多晶硅区，其中金属化多晶硅区的电阻值随着温度的正向变化量大于或者等于非金属化多晶硅区的电阻值随着温度的负向变化量，相邻多晶硅单元电阻通过在端部区域形成的接触孔与电阻值呈正温度系数变化的金属线连接。

进一步地，本发明提供的正温度系数多晶硅电阻结构，所述正温度系数多晶硅电阻结构两端通过端部区域的接触孔与金属线电性连接并引出形成引脚。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种正温度系数多晶硅电阻结构的制造方法，包括以下步骤：

采用多晶硅材料形成若干个矩形形状的多晶硅单元电阻，将每个所述多晶硅单元电阻划分为中间区域和位于中间区域两端的端部区域；

在每个所述多晶硅单元电阻的中间区域形成电阻值呈负温度系数变化的非金属化多晶硅区，在每个所述多晶硅单元电阻的端部区域形成电阻值呈正温度系数变化的金属化多晶硅区，通过调整非金属化多晶硅区相对于金属化多晶硅区的占比，使金属化多晶硅区的电阻值随着温度的正向变化量大于或者等于非金属化多晶硅区的电阻值随着温度的负向变化量；

将相邻多晶硅单元电阻通过在端部区域形成的接触孔与电阻值呈正温度系数变化的金属线连接，以形成一体结构的正温度系数多晶硅电阻结构。

进一步地，本发明提供的正温度系数多晶硅电阻结构的制造方法，通过调整多晶硅单元电阻的中间区域相对于端部区域的长度比，来调整非金属化多晶硅区相对于金属化多晶硅区的占比。

进一步地，本发明提供的正温度系数多晶硅电阻结构的制造方法，通过在每个所述多晶硅单元电阻上覆盖的金属硅化物阻挡层，将每个所述多晶硅单元电阻划分为中间区域和两端的端部区域，其中端部区域和中间区域的交界线为接触界面。

进一步地，本发明提供的正温度系数多晶硅电阻结构的制造方法，所述金属硅化物阻挡层为氮化硅、氧化硅和氮氧化硅中的一种以上。

进一步地，本发明提供的正温度系数多晶硅电阻结构的制造方法，通过在每个所述多晶硅单元电阻上覆盖的金属硅化物阻挡层为掩模，使覆盖的中间区域形成电阻值呈负温度系数变化的非金属化多晶硅区，以及使暴露的端部区域形成电阻值呈正温度系数变化的金属化多晶硅区。

进一步地，本发明提供的正温度系数多晶硅电阻结构的制造方法，通过在暴露的端部区域沉积金属硅化物形成电阻值呈正温度系数变化的金属化多晶硅区。

进一步地，本发明提供的正温度系数多晶硅电阻结构的制造方法，所述金属硅化物为硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钽、硅化钛、硅化铂、硅化铒和硅化钯中的一种以上。

进一步地，本发明提供的正温度系数多晶硅电阻结构的制造方法，所述多晶硅材料为p型掺杂或者n型掺杂的多晶硅。

本发明提供的正温度系数多晶硅电阻结构及其制造方法，是将传统的一整块的多晶硅电阻结构，划分为若干个矩形形状的小块多晶硅单元电阻，然后通过在每个小块多晶硅单元电阻设置呈负温度系数属性变化的非金属化多晶硅区和呈正温度系数变化的金属化多晶硅区，通过调整非金属化多晶硅区相对于金属化多晶硅区的占比，使金属化多晶硅区的电阻值随着温度的正向变化量大于或者等于非金属化多晶硅区的电阻值随着温度的负向变化量，然后通过呈正温度系数变化的金属线将相邻的多晶硅单元电阻连接，从而将若干个多晶硅单元电阻形成一体结构的电阻值呈正温度系数变化的多晶硅电阻结构。与现有技术相比，本发明利用了正常情况下被忽略的电阻器件的端部区域，并通过金属线将相邻的多晶硅单元电阻连接，使端部区域在整个电阻结构中所占的比重加大，使其在达到某个比例之后，改变整个电阻的温度特性从负温度系数变为正温度系数。这样就给设计者提供了一种工艺稳定性优于现有技术中采用扩散区电阻或者阱区电阻获得的正温度系数的电阻的方案。因此，可以规避半导体器件性能的限制，在不增加工艺负担且保证器件工艺稳定度、不牺牲面积的情况下获得较高阻值的正温度系数多晶硅电阻结构。

附图说明

图1是传统的矩形形状的多晶硅电阻结构的俯视结构示意图；

图2是传统的多晶硅电阻结构的电阻值随温度变化的曲线图；

图3是在传统的多晶硅电阻结构的中间区域覆盖金属硅化物阻挡层的结构示意图；

图4是传统的多晶硅电阻结构的中间区域的电阻值随温度变化的曲线图；

图5是传统的多晶硅电阻结构的端部区域经金属硅化物金属化后的电阻值随温度变化的曲线图；

图6为本发明一实施例中间隔分布的若干个具有负温度系数的多晶硅单元电阻的结构示意图；

图7是在本发明一实施例的多晶硅单元电阻的中间区域覆盖金属硅化物阻挡层的结构示意图；

图8是在本发明一实施例的多晶硅单元电阻的端部区域形成金属硅化物层的结构示意图；

图9是将本发明一实施例的多晶硅单元电阻通过金属线连接形成一体结构的正温度系数的多晶硅电阻的结构示意图；

图10是图9的透视结构示意图；

图11是图9的简化结构示意图；

图12是本发明一实施例中改变多晶硅单元电阻的中间区域和端部区域的长度比的结构示意图；

图13是本发明一实施例中同时改变多晶硅单元电阻的中间区域和端部区域的长度比和宽度比的结构示意图；

图14是扩散区电阻与多晶硅电阻的位置关系图；

图15是阱区电阻与多晶硅电阻的位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

图3是在传统非金属化多晶硅电阻的中间区域覆盖金属硅化物阻挡层的结构示意图。请参考图3，由于多晶硅电阻结构在制造过程中，通过在其中间区域11设置金属硅化物阻挡层20，以防止中间区域11金属化，而暴露的端部区域12一般是设置接触孔13经金属硅化物金属化后通过金属线连接。图4是多晶硅电阻结构的中间区域的电阻值随温度变化的曲线图；图5是多晶硅电阻结构的端部区域经金属硅化物金属化后的电阻值随温度变化的曲线图。其中横坐标为温度值，单位为℃，纵坐标为多晶硅电阻结构的总电阻值，单位为ω。不同的是图5中的温度值采用了科学计算法表达，以1.28e+02为例进行说明，e为科学计数法符号，其含义为1.28×10²ω。请参考图4和图5，发明人经过研究发现，多晶硅电阻10的中间区域11和端部区域12的温度特性呈现相反的趋势，多晶硅电阻结构10在中间区域11由于金属硅化物阻挡层20的作用而形成未被金属化的非金属硅化区，其呈负温度系数变化保持不变，而端部区域12经金属硅化物金属化后形成由金属硅化区、金属硅化区与非金属硅化区交界、接触孔以及连接金属组成的端部区域，因为这四部分均是正温度系数，因此端部区域12总体上亦呈正温度系数变化，即端部区域12的电阻值随着温度的升高而升高。由此，发明人提出是否可以利用多晶硅电阻10的端部区域12电阻值呈正温度系数变化的特性获得正温度系数多晶硅电阻结构。以克服在扩散区电阻和阱区电阻的技术偏见，从而采用一种新的工艺结构实现不增加工艺负担且保证器件工艺稳定度、不牺牲面积的情况下获得较高阻值的正温度系数的多晶硅电阻结构。

请参考图6至图11，本发明实施例提供一种正温度系数多晶硅电阻结构100，包括若干个矩形形状的多晶硅单元电阻110，每个所述多晶硅单元电阻110包括位于中间区域的电阻值呈负温度系数变化的非金属化多晶硅区111和位于两端的端部区域的电阻值呈正温度系数变化的金属化多晶硅区112，其中金属化多晶硅区112的电阻值随着温度的正向变化量大于或者等于非金属化多晶硅区111的电阻值随着温度的负向变化量，相邻多晶硅单元电阻110通过在端部区域形成的接触孔113与电阻值呈正温度系数变化的金属线140连接。

请参考图6至图11，本发明实施例提供的正温度系数多晶硅电阻结构100，所述正温度系数多晶硅电阻结构100的整体结构的两端通过端部区域的接触孔113与金属线140电性连接并引出形成引脚。引脚用于在半导体器件等电路中作为电性连接使用。与引脚连接的金属线140进一步加强了一体结构的正温度系数多晶硅电阻结构100的电阻值呈正温度系数变化。

本发明实施例还提供一种正温度系数多晶硅电阻结构100的制造方法，包括以下步骤：

步骤201，请参考图6，采用多晶硅材料形成若干个矩形形状的多晶硅单元电阻110，将每个所述多晶硅单元电阻110划分为中间区域和位于中间区域两端的端部区域。例如请参考图6至图7，通过在每个所述多晶硅单元电阻110上覆盖的金属硅化物阻挡层120，将每个所述多晶硅单元电阻110划分为中间区域和两端的端部区域，其中端部区域和中间区域的交界线为接触界面。其中金属硅化物阻挡层120为氮化硅、氧化硅和氮氧化硅中的一种以上。其中多晶硅材料可以为p型掺杂的多晶硅，也可以为n型掺杂的多晶硅。其中p型杂质的离子可以为磷、砷和锑中的一种或几种。n型杂质的离子可以为硼、镓和铟中的一种或几种。

步骤202，请参考图6，在每个所述多晶硅单元电阻110的中间区域形成电阻值呈负温度系数变化的非金属化多晶硅区111，在每个所述多晶硅单元电阻110的端部区域形成电阻值呈正温度系数变化的金属化多晶硅区112，通过调整非金属化多晶硅区111相对于金属化多晶硅区112的占比，使金属化多晶硅区112的电阻值随着温度的正向变化量大于或者等于非金属化多晶硅区111的电阻值随着温度的负向变化量。其中非金属化多晶硅区111是多晶硅材料自身属性决定了其电阻值呈负温度系数变化，而金属化多晶硅区112的电阻值呈正温度系数变化。请参考图12，通过调整多晶硅单元电阻110的中间区域的长度l相对于端部区域的长度l1的长度比，例如，使l在满足工艺规则条件下尽量小，来调整非金属化多晶硅区111相对于金属化多晶硅区112的占比。也可以同时调整多晶硅单元电阻110的中间区域的长度l相对于端部区域的长度l1的长度比和整体的宽度比，例如原宽度为w，调整后的宽度为w1，其本质为调整长度比。

步骤203，请参考图9至图11，将相邻多晶硅单元电阻110通过在端部区域形成的接触孔113与电阻值呈正温度系数变化的金属线140连接，以形成一体结构的正温度系数多晶硅电阻结构100。

请参考图7，本发明实施例提供的正温度系数多晶硅电阻结构100的制造方法，通过在每个所述多晶硅单元电阻110上覆盖的金属硅化物阻挡层120为掩模，使覆盖的中间区域形成电阻值呈负温度系数变化的非金属化多晶硅区111，以及使暴露的端部区域形成电阻值呈正温度系数变化的金属化多晶硅区112。

请参考图8，本发明实施例提供的正温度系数多晶硅电阻结构100的制造方法，通过在暴露的端部区域沉积金属硅化物130形成电阻值呈正温度系数变化的金属化多晶硅区112。其中，金属硅化物130为硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钽、硅化钛、硅化铂、硅化铒和硅化钯中的一种以上。

本发明实施例提供的正温度系数多晶硅电阻结构100，所述金属线140可以为单一金属材料或者合金材料。单一金属例如金属铜、铝和金等。合金材料例如铜铝合金等。

本发明实施例提供的正温度系数多晶硅电阻结构100通过金属线140将若干个多晶硅单元电阻100级联，可以形成阻值较高的高阻值的正温度系数多晶硅电阻结构100。

请参考图6至图7，本发明实施例提供的正温度系数多晶硅电阻结构100的制造方法，所述金属硅化物130金属硅化物阻挡层120等于或者略大于多晶硅单元电阻110的中间区域。其中金属硅化物阻挡层120略大于多晶硅单元电阻110的中间区域，是指金属硅化物阻挡层120的宽度方向需要大于多晶硅单元电阻110的宽度w，其目的是使中间区域具有较好的覆盖率，以避免多晶硅单元电阻110的中间区域暴露而被金属化。其中，中间区域的长度l可以按照金属硅化物阻挡层120的长度计算。

为了更好的理解本发明的上述技术方案，本发明实施例提供一组多晶硅电阻单元110中的金属化多晶硅区112的电阻值、非金属化多晶硅区111的电阻值以及总电阻值随温度的变化的实验推算数据。这是一个单位阻值为1000欧姆/方块数的高阻值多晶硅电阻，常规电阻结构中，该电阻呈现负温度系数。现按照本发明结构重新做成器件，经过模型仿真推算分离后的电阻和温度的关系如下表1。宽度(w)为2微米,电阻单元中间区域长度(l)为0.3微米。

表1

温度值从零下40℃、零上25℃和零上85℃升高变化时，金属化多晶硅区电阻值、非金属化多晶硅区电阻值以及总电阻值随温度变化的实验数据如上表1。从表1中第二列可知，金属化多晶硅区112电阻值随温度的升高而升高，其电阻值随温度升高的阻值变化率为(74.72411-48.16769)÷(85+40)＝0.2125℃(四舍五入取四位有效数字),即呈正温度系数变化,从表1中第三列可知，非金属化多晶硅区111电阻值温度的升高而下降，其电阻值随温度升高的阻值变化率为(142.8749-159.7988)÷(85+40)＝-0.1354℃(四舍五入取四位有效数字)，即呈负温度系数变化。由此可知，金属化多晶硅区112随温度变化的正向电阻值变化率0.2125℃大于非金属化多晶硅区111随温度变化的负向电阻值变化率-0.1354℃。通过表1可知，在各温度时，其总阻值等于金属化多晶硅区电阻值与非金属化多晶硅区电阻值的总和，其总的阻值随着温度的升高而升高，其总电阻值变化率为(217.5991-207.9665)÷(85+40)＝0.0771℃。(四舍五入取四位有效数字)，即呈正温度系数变化。

本发明实施例提供的正温度系数多晶硅电阻结构100及其制造方法，是将传统的一整块多晶硅电阻，划分为若干个矩形形状的小块多晶硅单元电阻110，然后通过在每个小块多晶硅单元电阻110设置呈负温度系数属性变化的非金属化多晶硅区111和呈正温度系数变化的金属化多晶硅区112，通过调整非金属化多晶硅区111相对于金属化多晶硅区112的占比，使金属化多晶硅区112的电阻值随着温度的正向变化量大于或者等于非金属化多晶硅区111的电阻值随着温度的负向变化量，然后通过呈正温度系数变化的金属线140将相邻的多晶硅单元电阻110连接，从而将若干个多晶硅单元电阻110形成一体结构的电阻值呈正温度系数变化的多晶硅电阻结构100。本发明利用了正常情况下被忽略的电阻器件的端部区域，使其在整个电阻结构中所占的比重加大，使其在达到某个比例之后，改变整个电阻的温度特性从负温度系数变为正温度系数。这样就给设计者提供了一种工艺稳定性优于现有技术中采用扩散区电阻或者阱区电阻获得的正温度系数的电阻的方案。因此，可以规避半导体器件性能的限制，在不增加工艺负担且保证器件工艺稳定度、不牺牲面积的情况下获得较高阻值的正温度系数多晶硅电阻结构。

本发明不限于上述具体实施方式，凡在本发明的保护范围之内所作出的各种变化和润饰，均在本发明的保护范围之内。