(57)【要約】      （修正有）【課題】抵抗が高く、熱的安定性に優れ、抵抗温度係数が低く、一定の抵抗特性を備えており、且つ再現性良く製造することができ、また、アナログ集積回路に組込む調整用抵抗として用いられるのに適した薄膜抵抗体を提供する。【解決手段】鉄族を主成分とする金属粒子１１が、酸化物を主成分とする絶縁体膜１２中に分散して混入している薄膜抵抗体を利用する。さらに、前記金属粒子の平均粒径が１〜１０nmである。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄族を主成分とする金属粒子が、酸化物を主成分とする絶縁体膜中に分散して混入している薄膜抵抗体であり、
前記金属粒子の平均粒径が１〜１０nmであることを特徴とする薄膜抵抗体。
【請求項２】
絶縁体膜を構成する主成分が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または酸化シリコン（ＳｉＯ２）であることを特徴とする請求項１の薄膜抵抗体。
【請求項３】
薄膜抵抗体が、鉄族を５０〜８０atom％含有しており、膜厚が１０〜１００nmであることを特徴とする請求項２の薄膜抵抗体。
【請求項４】
前記鉄族が、コバルト及び／又はニッケルから選択されることを特徴とする請求項３の薄膜抵抗体。
【請求項５】
薄膜抵抗体が、鉄族を５０〜８０atom％含有しており、膜厚が１０〜１００nmであることを特徴とする請求項１の薄膜抵抗体。
【請求項６】
前記鉄族が、コバルト及び／又はニッケルから選択されることを特徴とする請求項１の薄膜抵抗体。
【請求項７】
鉄族よりも酸化されやすい原子の酸化物と鉄族とをスパッタリングし、基板表面に堆積させた薄膜抵抗体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜抵抗体に関する。特に、比抵抗や面積抵抗が高く、抵抗温度係数が低い薄膜抵抗体に関する。本発明の薄膜抵抗体は、アナログ集積回路に組込むのに適している。
【背景技術】
【０００２】
アナログ集積回路が優れたパーフォーマンスを発揮する用途が数多く存在し、アナログ集積回路に対する需要が根強く存在する。多くのアナログ集積回路は、回路パラメータを調整するための調整用抵抗を必要とする。アナログ集積回路の小型化に追従して調整用抵抗も小型化することが求められている。調整用抵抗体を小型化するためには、抵抗体の比抵抗（Ω・ｍ）や面積抵抗（Ω／□）を高くしなければならない（以下では単に抵抗が高いということがある）。調整用抵抗体は、高抵抗であると同時に、抵抗温度係数が小さくなければならない。
【０００３】
現在、アナログ集積回路の調整抵抗を、ボロン等の不純物をドープした多結晶シリコン薄膜で構成する技術が開発されている。不純物をドープした多結晶シリコン薄膜からなる調整用抵抗体は、抵抗が高く、半導体基板上に作り込みやすいという優れた特徴を有する。しかしながら、抵抗温度係数が高く、熱的安定性が低いという問題がある。
一方、ニクロム合金、シリコンクロム合金、窒化タンタル等の合金からなる薄膜抵抗体が知られている。これら合金材料からなる薄膜抵抗体は、金属の特性であるオーミック特性を有し、雰囲気温度の変化に対して抵抗値の変化が小さく、熱的安定性が高いという特徴を有する。しかしながら、合金材料からなる薄膜抵抗体は、比抵抗及び面積抵抗が低いという問題がある。
【０００４】
一方、磁気ヘッドや薄膜インダクタ等に利用される磁性薄膜の分野では、強磁性体からなる金属粒子を、非磁性体からなる絶縁体膜中に分散した軟磁性薄膜が知られている。図７に、軟磁性薄膜の構造の模式図を示す。金属微粒子１１が絶縁体膜１２中に分散したグラニュラー構造体が得られている。
【０００５】
特許文献１には、クロムを主成分とする金属粒子が絶縁体膜中に分散したグラニュラー構造の薄膜が、熱的安定性に優れていることに着目し、薄膜抵抗体として利用する技術が記載されている。
【特許文献１】特開平４−２１８９０１号公報（その公報の図１参照）
【０００６】
特許文献１に開示されている薄膜抵抗体は、酸化シリコンの絶縁体膜中にクロムの微粒子を分散したグラニュラー構造を有しており、抵抗温度係数が低い。例えば発熱素子として利用する場合、加熱の前後において、抵抗値の変化が小さいという特徴を有する。
しかしながら、本発明者らの研究によって、酸化シリコンの絶縁体膜中にクロムの微粒子を分散したグラニュラー構造は、同一条件で製造しても高抵抗を有する抵抗特性が安定しづらく、高抵抗値で低抵抗温度特性の抵抗特性を備えた薄膜抵抗体を安定して製造することが困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現状で得られる薄膜抵抗体には何かしら問題があり、欠陥のない薄膜抵抗体は得られていない。不純物をドープした多結晶シリコン薄膜からなる薄膜抵抗体では、抵抗温度係数が高すぎて熱的安定性が得られない。合金材料からなる薄膜抵抗体では抵抗が低すぎて調整用抵抗を小型化することができない。クロムの微粒子のグラニュラー構造体からなる薄膜抵抗体では、一定の抵抗特性を備えた薄膜抵抗体を安定して製造することが困難である。
本発明の目的は、抵抗が高く、熱的安定性に優れ、抵抗温度係数が低く、一定の抵抗特性を備えた薄膜抵抗体を再現性良く製造することができる薄膜抵抗体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、鉄族を主成分とする金属粒子のグラニュラー構造体で薄膜抵抗体を構成する。即ち、鉄族を主成分とする金属粒子が酸化物を主成分とする絶縁体膜中に分散して混入している薄膜によって抵抗体を構成する。本発明では、鉄族を主成分とする金属粒子の平均粒径を１〜１０nmとする。
本発明者らは、グラニュラー構造体と抵抗特性の関係を詳細に検討した結果、グラニュラー構造体の金属相と絶縁相の界面が、グラニュラー構造体の抵抗特性に大きく影響しているということを見出し、金属相として鉄族を用いることが有効であることを見出した。
特許文献１に記載されるように、金属相にクロムを用いると、絶縁体相のシリコン及び／又は酸素とその界面においてクロムが化学結合し易い。この化学結合は、金属層と絶縁体相の界面において、抵抗特性を劣化させる。クロムの化学結合の度合を一定に維持することが困難であることから、金属相にクロムを用いると、高抵抗で一定の抵抗特性を備えた薄膜抵抗体を再現性良く製造することができない。
本発明では、金属相に鉄族を用いる。鉄族を用いると、金属相と絶縁体相の界面に化学結合が形成されにくく、相分離されたグラニュラー構造体を得ることができる。
本発明者らは、金属単体では抵抗の低い鉄族を用いた場合であっても、金属相と絶縁体相の相分離が高まることによって、界面における抵抗特性の劣化を低減することができ、その結果、高抵抗の薄膜抵抗体を実現することに成功した。
金属粒子の平均粒径が１nm以下になると比抵抗及び面積抵抗が過剰に大きくなり、抵抗温度係数が大きくなりすぎる。金属粒子の平均粒径が１０nm以上であると、抵抗が小さくなりすぎて、調整用抵抗を小さくすることが困難となる。また、金属相の平均粒径が小さいほど、レーザートリミング加工しやすい。薄膜抵抗体を形成したあとに、薄膜抵抗体にレーザーを照射してトリミングすることによって薄膜抵抗体の抵抗値を一定抵抗値に調整することが多い。グラニュラー構造体の金属粒子の平均粒径が大きいと、レーザーでトリミング加工した断面の凹凸が顕著になり、微細加工が困難となる。レーザートリミング加工の面からも、金属粒子の平均粒径を１０nm以下にすることが有利である。金属粒子の平均粒径は、１〜１０nmが好適である。
【０００９】
さらに、金属相と絶縁体相が相分離する薄膜抵抗体は、高抵抗であると同時に再現性よく製造することができる。従来のグラニュラー構造体では、金属相と絶縁体相の界面における化学結合の進行度合が不安的となり、一義的に制御できなかった。したがって、同一条件で製造しても、薄膜抵抗体の抵抗特性が一定しなかった。一定の抵抗特性を具備した薄膜抵抗体を再現性よく得るのは困難であった。
金属相に鉄族を用いた場合、金属相と絶縁相とが相分離するため、界面において化学結合が形成されにくい。したがって、グラニュラー構造体の製造条件をそれほど厳密に管理しなくとも、一定の抵抗特性を具備した薄膜抵抗体を再現性よく製造することができる。
【００１０】
絶縁体膜を構成する主成分が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または酸化シリコン（ＳｉＯ２）であることが好ましい。この場合、酸化アルミニウムと酸化シリコンの混合物であっても構わない。
アルミニウムまたはシリコンは鉄族よりも酸化され易く、したがって金属相と絶縁相がきれいに相分離したグラニュラー構造体を形成する。またアルミニウムまたはシリコンは通常の半導体形成工程で多用される金属であるため、特別な反応装置等を付加することなく使用することができる。製造プロセスの面でも酸化アルミニウムまたは酸化シリコンを利用することが好ましい。
【００１１】
薄膜抵抗体が、鉄族を５０〜８０atom％含有しており、その膜厚が１０〜１００nmであることが好ましい。
鉄族が５０atom％以下であると、抵抗温度係数が高くなる。鉄族が８０atom％以上であると、抵抗が小さくなり、調整用抵抗を微細化することが難しくなる。薄膜抵抗体の膜厚が１０nm以下であると、抵抗が過剰に大きくなり、抵抗温度係数が高くなる。薄膜抵抗体の膜厚が１００nm以上であると抵抗が低くなり、調整用抵抗を微細化することが難しくなる。
【００１２】
磁気ヘッドや薄膜インダクタ等に用いられる軟磁性薄膜では、金属相が鉄族(例えばコバルト)からなり、絶縁体相が酸化アルミニウムからなる軟磁性薄膜は既に知られていた。しかしながら、軟磁性薄膜の膜厚は、本発明の態様の薄膜抵抗体に比して膜厚が大きい。透磁率等の磁気特性を向上させるために、典型的には膜厚がおよそ１μmを超えている。
１０〜１００ｎｍの厚みの薄膜は、薄膜抵抗体として用いるときに始めて意味を持つ厚みであり、従来には存在しない。
【００１３】
鉄族が、コバルト及び／又はニッケルから選択されることが好ましい。この場合、コバルトとニッケルの混合物であっても構わない。
鉄族にコバルト又はニッケルを利用すると、その薄膜抵抗体は抵抗が高く、熱的安定性に優れ、抵抗温度係数が低く、一定の抵抗特性を備えることが本明細書中で実証されている。さらに、コバルト又はニッケルは通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有用である。
【００１４】
本発明の薄膜抵抗体は、鉄族よりも酸化しやすい原子の酸化物と鉄族とをスパッタリングして基板表面に堆積させた薄膜抵抗体ということもできる。
半導体製造プロセスで多用される手法によって薄膜抵抗体を形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、抵抗（比抵抗や面積抵抗）が高く、抵抗温度係数が低くて熱的安定性に優れ、一定の抵抗値を有する薄膜抵抗体を再現性よく安定的に製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
最初に実施例の主要な特徴を列記する。
（第１実施形態）  薄膜抵抗体はレーザートリミング加工が可能である。
（第２実施形態）  薄膜抵抗体は半導体基板上に形成されている。
（第３実施形態）  薄膜抵抗体の両端には電極が接続されている。
（第４実施形態）  薄膜抵抗体が調整抵抗としてアナログ集積回路に集積されている。
（第５実施形態）  薄膜抵抗体の比抵抗が１mΩ・cm以上であり、面積抵抗が１kΩ／□以上であり、第１次抵抗温度係数が±１００ppm／℃以下であり、第２次抵抗温度係数が±１ppm／℃２以下である。
【実施例】
【００１７】
本発明の態様の実施例を、図面を参照して以下に詳細に説明する。
（第１実施例）  本実施例の薄膜抵抗体の製造方法を図１〜図６を参照して説明する。図では、膜の厚みについては極めてデフォルメして表示している。
図１に示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板２０を準備し、基板２０表面を熱酸化法によって酸化し、シリコン酸化膜２２を形成する。シリコン酸化膜２２の膜厚はおよそ１μmである。
次に、多元スパッタリング法によって、コバルトを主成分とする金属粒子が酸化アルミニウムを主成分とする絶縁体膜中に分散して混入している薄膜抵抗体層２４をシリコン酸化膜２２上に蒸着する。薄膜抵抗体層２４の膜厚はおよそ３０nmである。
スパッタリング条件を選択することによって、コバルトとアルミニウムと酸素の供給量を調整することができる。スパッタリング条件を選択することによって、所望の組成の薄膜抵抗層２４を再現性良く形成することができる。なお、スパッタリング条件は、使用する機器等に合わせて適宜調整すればよい。なお、コバルトとアルミニウムは、通常のＩＣ製造プロセスで使用可能な金属であり、好適である。環境汚染等の点からも使いやすい。
形成された薄膜抵抗層２４の金属粒子の平均粒径を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって計測すると、３〜７nmの範囲であり、コバルトの金属粒子が、絶縁体相の酸化アルミニウム中に分散しているグラニュラー構造であった。なお、Ｘ線回折のピーク幅から、シュラー式によって平均粒径を算出しても良い。この場合でも、平均粒径が１〜１０nmの範囲であることが好適である。
【００１８】
次に、薄膜抵抗体層２４上にフォトレジスト２６を塗布形成し、図２に示すように、所定の位置に対応するフォトレジスト２６を残してパターニングする。
次に、図３に示すように、露出する薄膜抵抗体層２４をドライエッチング法によってエッチングした後、残存するフォトレジスト２６を除去した。グラニュラー構造の薄膜抵抗体層２４がシリコン酸化膜２２上に所定形状で形成される。薄膜抵抗体層２４の形状は、幅１００μｍ、長さ５００μｍ、厚みは３０nmである。
【００１９】
次に、図４に示すように、薄膜抵抗体層２４上に、スパッタリング法によって膜厚がおよそ５０nmのチタン膜３２を形成する。
次に、チタン膜３２上に、スパッタリング法によって膜厚がおよそ１μmのアルミニウム膜３４を形成する。
次に、図５に示すように、図示しないフォトレジストを塗布形成し、薄膜抵抗体２４の両端部にチタン膜３２とアルミニウム膜３４が積層したアルミニウムパッド部３６が形成されるように、チタン膜３２とアルミニウム膜３４をエッチング除去する。
【００２０】
次に、図６に示すように、半導体装置の上部を覆って、プラズマＣＶＤ法によって膜厚がおよそ０．５μｍのシリコン窒化膜４２を形成する。
次に、アルミパッド部３６に、例えばアルミからなる配線を接続し、調整抵抗の機能を有する薄膜抵抗体が形成される。
【００２１】
表１には、上記の製造方法と同一の製造工程（但し、スパッタリング条件は異なる）によって形成され、金属相のコバルトと絶縁体相のアルミニウムの組成が異なる場合の抵抗特性を評価した結果が示されている。比較例として同一構造を有し、薄膜抵抗体層がＣｒ−Ｓｉからなる合金である比較例１と、ボロンをドープしたシリコンである比較例２の結果が示されている。なお、表１中の原子記号に付される数字は、薄膜抵抗体の構成成分のうち、その元素のatom％を表している。
また、表２に、コバルトに代えてニッケルを利用した薄膜抵抗体の抵抗特性を評価した結果を示す。
【００２２】
【表１】
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【表２】
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【００２３】
膜厚（ｄ）はそれぞれの薄膜抵抗体の膜厚である。
面積抵抗（Ｒ□）はそれぞれの薄膜抵抗体の抵抗値（Ｒ）を、その抵抗体の幅（Ｗ）で乗じ、長さ（Ｌ）で除した値である。
抵抗温度係数αとβは、−５０℃〜１５０℃まで温度を変化させた場合に、それぞれの温度での薄膜抵抗体の抵抗値を求め、次式の２次関数で近似したときの係数である。
Ｒ（Ｔ）＝Ｒ（２５）（１＋α（Ｔ−２５）＋β（Ｔ−２５）２）
ここで、Ｔは温度（℃）であり、Ｒ（Ｔ）は温度Ｔにおける薄膜抵抗体の抵抗値である。また、αの物理的意味は、室温２５℃を基準としたときの抵抗温度特性の傾きに相当し、βの物理的意味は、室温２５℃を基準としたときの抵抗温度特性の放物線の曲がりの大きさに相当する。複合ＩＣなどの高集積化したＩＣに用いられる薄膜抵抗体に所望する特性としては、αは±１００ppm／℃以下であり、βは±１ppm／℃２以下が好ましい。また、面積抵抗は１kΩ／□以上が好ましい。
抵抗経時変化は、薄膜抵抗体を１５０℃で１０時間放置し、放置前後の抵抗値の差分を放置後の抵抗値で除した値であり、放置前後の抵抗の変化率である。
【００２４】
表１から、薄膜抵抗体の構成成分のうち、コバルトのatom％が約５０〜８０％で様々に変えた１〜６の結果では、面積抵抗や第１次抵抗温度係数や第２次抵抗温度係数のいずれも薄膜抵抗体に所望する特性を具備していることが分かる。
同様に、表２の結果から、ニッケルを利用した場合でも面積抵抗や第１次抵抗温度係数や第２次抵抗温度係数のいずれも薄膜抵抗体に所望する特性を具備していることが分かる。
一方、比較例１の従来から知られるＣｒ−Ｓｉの合金は、第１次抵抗温度係数や第２次抵抗温度係数の特性は満足している。しかし、面積抵抗は所望する１kΩ／□よりも小さく、０．３２kΩ／□である。したがって、集積回路の薄膜抵抗体としては面積が大きくなり、微細化に対応することができない。
また、比較例２のボロンをドープしたシリコンは、面積抵抗の特性は満足している。しかし、第１次抵抗温度係数や第２次抵抗温度係数が大きく熱的安定性が問題である。
このように、コバルト又はニッケルを主成分とする金属相と酸化アルミニウムを主成分とする絶縁体相によって形成されるグラニュラー構造体の薄膜抵抗体は、面積抵抗や第１次抵抗温度係数や第２次抵抗温度係数のいずれの特性も具備しており、集積回路に用いられる抵抗薄膜体としての抵抗特性を満足している。とくにニッケルは、耐酸化性や耐食性などに優れた材料であるため、抵抗の経時変化が小さいという利点を有する。このことは、表２の抵抗経時変化がコバルトに比して小さいことからも実証されている。したがって、長期間にわたって安定した抵抗値が維持されることから、好適な材料と言える。
また、抵抗経時変化も小さい値であることが分かる。複合ＩＣなどのＩＣ製造プロセスでは、高温の雰囲気温度の熱処理が含まれる場合がある。このような熱処理の前後においても、本発明の薄膜抵抗体の抵抗特性は劣化しない。
【００２５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の薄膜抵抗体の製造工程を示す（１）。
【図２】本発明の薄膜抵抗体の製造工程を示す（２）。
【図３】本発明の薄膜抵抗体の製造工程を示す（３）。
【図４】本発明の薄膜抵抗体の製造工程を示す（４）。
【図５】本発明の薄膜抵抗体の製造工程を示す（５）。
【図６】本発明の薄膜抵抗体の製造工程を示す（６）。
【図７】グラニュラー構造体の模式的な断面図を示す。
【符号の説明】
【００２７】
２０：基板
２２：酸化膜
２４：薄膜抵抗層
２６：フォトレジスト
３２：チタン膜
３４：アルミニウム膜
３６：アルミパッド部
４２：シリコン窒化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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