JP4400620B2 - 半導体装置および、その製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザートリミング処理が実施される素子とこの下位層で当該素子の端部に接続する電極引き出し部とを有する半導体装置に関する。

従来、半導体装置の製造において、完成した装置の性能調整のために、ヒューズや薄膜抵抗体などをレーザー光照射によって溶断または部分削除するレーザートリミング処理がよく行なわれている。このようなレーザートリミング処理が実施される半導体装置では、ヒューズ等に照射したレーザー光が、ヒューズ等の位置より下に存在する配線パターンやトランジスタ素子などを損傷させない構造がとられている。

例えば、引用文献１に示される半導体装置では、基板の上に、タングステンを主成分とする線状の配線と、窒化チタンもしくはポリシリコンを主成分とする面状の共通線と、アルミを主成分とするヒューズとが、この順番に層間膜を介して形成されている。ヒューズの一端は共通線にスルーホールで接続され、ヒューズの他端は、面状の共通線に開口された穴部を通したスルーホールで線状配線の端部に接続されている。このような構成によれば、面状の共通線によって線状配線の上方が覆われる構造となるため、線状配線を、ヒューズ溶断時のレーザー光照射によって損傷させないようにすることができる、としている。

また、特許文献２に示される半導体装置では、シリコン基盤の主面に、第一層目絶縁膜、第一層目配線パターン、第二層目絶縁膜、第二層目配線パターン、第三層目絶縁膜、薄膜抵抗体がこの順番に積層形成されている。薄膜抵抗体の両端はスルーホールを介して第二層目配線パターンと電気的に接続されている。第二層目配線パターンは金属材料パターンとその表面に形成された高融点金属とからなり、第二層目配線パターンの一部は薄膜抵抗体の下の領域に延伸して形成されて、レーザー光透過防止膜を構成している。このような構成では、薄膜抵抗体の下の領域で薄膜抵抗体からシリコン基盤までの間にレーザー光透過防止膜があるので、レーザートリミング処理時のレーザー光がレーザー光透過防止膜によりシリコン基盤とは反対側に反射され、レーザー光がシリコン基盤に照射されるのを防止できる、としている。
特開２００５−０１９４９８号公報 特開２００５−２５１８２２号（図１５、段落［００１３］，［０１４９］，［０１５０］，［０１５４］など）

しかしながら、特許文献１に示される半導体装置では、ヒューズ端部と線状配線端部とを接続するスルーホールを通す開口を面状の共通線に開けているため、ヒューズ溶断時のレーザー光が開口を通過してシリコン基盤の拡散層にも照射されてしまう虞がある。

また特許文献２では、配線パターンの金属材料表面に高融点金属を形成してなるレーザー光透過防止膜を薄膜抵抗体からシリコン基盤までの層内に配置することが開示されているだけで、シリコン基盤表面の拡散層をむき出しにしないようにレーザー光透過防止膜を形成する旨の示唆は全くない。

したがって、いずれの従来技術においてもヒューズ溶断時のレーザー光がシリコン基盤表面の拡散層にも照射されてしまう虞がある。この拡散層に、ヒューズを溶断できる程に高い熱エネルギーのレーザー光が照射されると、熱拡散によりPN接合部に結晶欠陥が生じ、このPN接合部の結晶欠陥から電流が漏れ出てしまう現象（以下、接合リークと呼ぶ）が起こることを本発明者らは見出した。

この問題の発生メカニズムについて、ヒューズを有する半導体装置の構成例を挙げて説明する。図７Ａ，７Ｂおよび図８に、ヒューズ溶断から接合リークまでのプロセスを示す。

上記問題が生じる半導体装置構成としては、図７Ａ，７Ｂのように、半導体装置表面にアルミニウム素材で出来たアルミヒューズ１が露出されている。アルミヒューズ１の両端はそれぞれ、下位層のスルーホール２によってタングステン３に接続されている。さらに、各タングステン３が下位層のコンタクト４を介して、Ｐ型シリコン基盤（P-Ｓub）５表面のＮ型拡散層６からなる導線の端部に接続されている。つまり、ヒューズの電極引き出し部に、シリコン基盤５の最表層にて一方向に延びる拡散層６が用いられている。そして、このように配線された複数のアルミヒューズ１が半導体装置表面に隣接して配置されている。

一方、アルミヒューズ１に照射されるレーザー光７はヒューズを確実に溶断するためにアルミヒューズ１よりやや大きい径のレーザスポット８になるように調整されてある。

アルミヒューズ１はレーザー光７を照射されヒューズ素材の融点まで熱せられたことで瞬間的に溶断される。レーザー光７はヒューズ部付近で熱エネルギーが最高値になるようフォーカスされている。しかし、焦点先では漏れたレーザー光が層間膜を透過して末広がり状に広がっていき、その熱エネルギーはシリコン基盤５まで到達する。図７Ａの点線Ｐは焦点先のレーザスポット径を示している。

この熱エネルギーが、レーザー光７が照射されているヒューズ部に隣接するアルミヒューズ１の電極引き出し部である拡散層６に照射されると、熱拡散によりPN結合部に結晶欠陥が生じる。拡散層６内にもともと拡散工程で生成されていた結晶欠陥はPN結合部を通して連鎖的にＰ型シリコン基盤５まで達し接合面は抵抗化されることで接合リークが発生する（図８）。

例えば、ヒューズ電極の一方がヒューズ用ラッチ回路へ接続され又、もう一方はグラウンドなどのマイナス電源VSSに接続されていた場合、ヒューズ用ラッチ回路は、VSS接続かフローティング状態かどうかをラッチ回路に流れる電流やその抵抗値から検知することでヒューズが溶断されているかどうかを判定する。しかし、接合リークによって、流れる電流もしくは抵抗値がVSS接続とフローティング状態の中間値だった場合、誤判定によりラッチ回路は誤動作を引き起こしてしまう。

この現象を防ぐため、レーザー照射実験などの結果データを基に、図９Ａ，９Ｂに示す様にレーザー光７が溶断対象のヒューズ３に照射されても接合リークが発生しない程度以上の距離Ｂを隣接ヒューズ間に設けている。この必要な距離がヒューズの集積度の低下の原因になっている。更にチップ面積の増大にも繋がっている。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、シリコン基盤の不純物拡散層に関し、レーザートリミング時のレーザー光照射に起因する結晶欠陥の増大を防止して、PN接合部の電流リークを抑制することにある。また、それにより、ヒューズなどのレーザートリミング対象素子の集積度を向上させることも目的とする。

本発明は、シリコン基盤の主面側に形成された、レーザートリミングが実施される1つ以上のトリミング対象素子と、該トリミング対象素子の位置よりも下方に配置された該トリミング対象素子の電極引き出し部とを有する半導体装置を対象とする。

この半導体装置において、前記トリミング対象素子の電極引き出し部が、前記シリコン基盤の最表層に形成された拡散層で構成されている。そして、この拡散層が、前記シリコン基盤上に直接形成されたドープドポリシリコンからなる保護膜によって被覆されていることで、上記課題が解決される。

すなわち、トリミング対象素子の下方周辺領域に別の素子の電極引き出し部として配置される拡散層が存在している場合、そのトリミング対象素子の下方周辺領域にレーザー光が漏れても、保護膜であるドープドポリシリコンで被覆されている拡散層にはレーザー光の熱は殆ど届かない。その結果、拡散層のＰＮ結合部で電流リークは発生しない。この事から、隣接するトリミング対象素子間の間隔を、従来例のように、接合リークが発生しない程度以上の距離に設定する必要が無くなる。その結果、ヒューズや薄膜抵抗体などのレーザートリミング対象素子の集積度を上げることが出来る。

本発明によれば、ヒューズなどのトリミング対象素子の下方周辺領域にその電極引き出し部として配置されるシリコン基盤の拡散層を保護膜（ドープドポリシリコン）で直接被覆することにより、レーザー光照射による拡散層の結晶欠陥発生を防止して、ＰＮ接合部のリーク電流を抑制することができる。その結果、レーザートリミング対象素子の集積度も向上させることが可能となる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ここでは、図７Ａ，７Ｂに示したヒューズを有する半導体装置の構成例を用いて説明することとし、その構成と同一要素には同一符号を用いた。

図１Ａは本発明の半導体装置の基本構成を示す平面透視図、図１Ｂはその断面模式図である。これらの図に示すように、アルミヒューズ１の電極引き出し部である拡散層６が保護膜９によって直接被覆されている。この保護膜９の素材にはドープドポリシリコンが使用されている。

さらに、図２に基づき、図１Ａ，１Ｂに示される半導体装置の作用を説明する。

比較的濃度の高いＮ+型拡散層６が形成されているＰ型シリコン基盤５の表層部分に、ポリシリコンに不純物をドープしたドープドポリシリコンで保護膜９が形成されている。レーザートリミング対象のヒューズの下方周辺に漏れたレーザー光７がドープドポリシリコンで出来た保護膜９に照射されると、保護膜９によってレーザー光７が遮へいされ、拡散層６に達するレーザー光７は殆ど無い。

それにより、レーザー光７による熱エネルギーは拡散層６に殆ど伝わらなくなることから、レーザー光７の熱による結晶欠陥の発生を抑えることができる。この結果、拡散層形成時の拡散工程にて生成されていた結晶欠陥はPN結合部を通してＰ型シリコン基盤５に達することがないため、PN結合部での電流リークを抑制することができる。

また、一般的にアルミ材質の融点は６６０℃である。通常、レーザー光のエネルギー量、照射スポット径、照射時間はこのアルミ素材であるヒューズ１だけを熔かす程度にコントロールされている。一方、ポリシリコンの融点は１４００℃であり、アルミ材質の６６０℃に対し２倍ほど高い。そのため、仮にレーザー光がポリシリコンに照射されても熔けるまでは至らない。

以上のように本発明では、アルミヒューズ１の電極引き出し部である拡散層６をポリシリコンによる保護膜９で直接被覆した。このため、図３Ａ，３Ｂのようにアルミヒューズ１などのレーザートリミング対象素子の下方周辺領域に別のアルミヒューズ１の電極引き出し部として配置される拡散層６が存在している場合、そのレーザートリミング対象素子の下方周辺領域にレーザー光７が漏れても保護膜９で遮へいされ、拡散層６にレーザー光７は照射されない。その結果、拡散層６のＰＮ結合部で電流リークは発生しない。

この事から、隣接するレーザートリミング対象素子間の間隔を、従来例のように、接合リークが発生しない程度以上の距離に設定する必要が無くなる。その結果、ヒューズや薄膜抵抗体などのレーザートリミング対象素子の集積度を上げることが出来る。

また、拡散層６の不純物濃度を低くすればするほど、レーザー光の熱エネルギーによる結晶欠陥の発生は少なくなり、本発明の効果が得られる。これを図４および図５で説明する。図４では、イオンの注入によって形成するが上記よりも濃度の低いＮ-型の拡散層６が形成されている例を示す。この場合、拡散層形成時の拡散工程で生成された結晶欠陥は、Ｎ+型の拡散層に比べ、浅い箇所にしか存在していないため、レーザー光の熱による結晶欠陥の発生率は低減する。一方、図５はイオンの注入を行わないで形成されたN--型の拡散層６を持つ構成を示している。図４の場合では、拡散層６における結晶欠陥の発生要因はドープドポリシリコン形成時の拡散工程の熱だけであるため、結晶欠陥は殆ど存在しない。そのため、レーザー光の熱による結晶欠陥は極端に少なく起こりにくい。以上のことから、拡散層６の不純物濃度が低くければ低いほど、レーザー光照射による接合リークの発生を低減できる。

なお、以上説明した半導体装置は次のように製造される。シリコン基盤５の表層にアルミヒューズ1の電極引き出し部として拡散層６を形成する。この拡散層６上に、ポリシリコンに不純物をドープしたドープドポリシリコンからなる保護膜９を生成する。このドープドポリシリコンを含むシリコン基盤５上に少なくとも層間膜を形成し、該層間膜にスルーホール２、タングステン３、コンタクト４などを形成する。この層間膜上にアルミヒューズ1を形成するとともにスルーホール２の上端にアルミヒューズ1の端部を接続する。

このような製法による半導体装置が例えばDRAMである場合、シリコン基盤５表層の拡散層６の部分を直接被覆する保護膜（ドープドポリシリコン）９の生成は、既存のDRAM製造工程におけるポリシリコン生成工程（例えばメモリセルアレイ部のセルコンタクト製造工程）で行なうことができる。また、保護膜（ドープドポリシリコン）９の形成以外の工程も同様に既存のDRAM製造工程を適用することができる。

次に、その他の実施形態を示す。

図６Ａ，６Ｂは図１Ａ，１Ｂに示される基本構成を複数個配置した例である。図６Ａ，６Ｂに示すように、複数のアルミヒューズ１が近接して高密度で配置されている場合でも、アルミヒューズ１の電極引き出し部である拡散層６に対し、レーザー光照射による結晶欠陥発生を防止し、リーク電流を抑制することができる。また、本発明はヒューズなどのレーザートリミング対象素子の集積度を上げることを特徴としているため、図６Ａのようにレーザートリミング対象素子の配置数が多いほど本発明の効果が大きい。

以上の各実施形態では、レーザー光により溶断可能な金属製のヒューズを備えた半導体装置を示しているが、レーザートリミング対象となる素子は金属製ヒューズに限らず、抵抗素子であってもよい。そのため、例えば図６のように複数のアルミヒューズ１が高密度配置されている半導体装置以外にも、ヒューズおよび抵抗体が半導体装置表面側に高密度配置されている半導体装置にも本発明は適用可能である。

本発明の半導体装置の基本構成を示す平面透視図である。 本発明の半導体装置の基本構成の断面模式図である。 図１ＢのＣ部の拡大断面において本発明の作用を説明する図である。 本発明の効果を説明するための、装置の平面透視図である。 本発明の効果を説明するための装置断面模式図である。 拡散層の不純物濃度の違いによる結晶欠陥発生状況を説明する図である。 拡散層の不純物濃度の違いによる結晶欠陥発生状況を説明する図である。 本発明の他の実施形態を示す平面透視図である。 本発明の他の実施形態の断面模式図である。 従来例を示す平面透視図である。 従来例の断面模式図である。 図７ＢのＡ部の拡大断面において従来例の課題を説明するための模式図である。 従来例の課題を説明するための平面透視図である。 従来例の課題を説明するための断面模式図である。

符号の説明

１ アルミヒューズ
２ スルーホール
３ タングステン
４ コンタクト
５ シリコン基盤
６ 拡散層
７ レーザー光
８ レーザスポット
９ 保護膜（ドープドポリシリコン）

Claims (4)

1. シリコン基盤の主面側に形成された、レーザートリミングが実施される1つ以上のトリミング対象素子と、該トリミング対象素子の位置よりも下方に配置された該トリミング対象素子の電極引き出し部とを有する半導体装置において、
   前記電極引き出し部が、前記シリコン基盤の最表層に形成された拡散層で構成され、該拡散層が、前記シリコン基盤上に直接形成された、ポリシリコンに不純物を注入したドープドポリシリコンによって被覆されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記ドープドポリシリコンの融点が前記トリミング対象素子の融点よりも高い、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記トリミング対象素子が金属製のヒューズである、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. シリコン基盤の主面側に形成された、レーザートリミングが実施される1つ以上のトリミング対象素子と、該トリミング対象素子の位置よりも下方に配置された該トリミング対象素子の電極引き出し部とを有する半導体装置の製造方法であって、
   前記電極引き出し部を、前記シリコン基盤の最表層に形成した拡散層によって形成し、該拡散層を、ポリシリコンに不純物を注入したドープドポリシリコンで被覆し、該ドープドポリシリコンを含む前記シリコン基盤上に少なくとも層間膜を形成し、該層間膜に電気的コンタクト部を形成し、該層間膜上に前記トリミング対象素子を形成するとともに該電気的コンタクト部の上端に前記トリミング対象素子の端部を接続する、半導体装置の製造方法。
   

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