JPH0247863B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フイールドプログラマブル集積回路
等に用いられる低電流、低電圧で溶断可能なヒユ
ーズ装置と、そのヒユーズ装置の製造方法に関す
る。

ヒユーズ装置は、フイールドプログラマブル集
積回路における固定情報の蓄積媒体として有用で
ある。例えば、ヒユーズ形読出専用メモリのメモ
リセル、又は冗長回路構成を採つた集積回路の冗
長回路の切替装置に広く用いられている。これら
のヒユーズ装置は、半導体基板上にトランジスタ
と共に混載され、ヒユーズ装置の溶断に必要な電
流はトランジスタを介して供給されている。従つ
て、この種のヒユーズ装置は、低電流でかつ低電
圧で溶断できることが望まれる。

しかし、従来のこの種のヒユーズ装置では、
Ni−Cr薄膜あるいは多結晶シリコン薄膜のよう
な融点の高い材料で構成していたため、溶断には
比較的大電流と高電圧を必要としていた。例え
ば、市販されているNi−Cr薄膜や多結晶シリコ
ン薄膜を用いた従来のヒユーズ装置では、20〜
30mA、12〜25Vを必要とする欠点があつた。ま
た、ヒユーズ装置に電流を供給するために大形の
トランジスタや高圧回路を必要とする欠点があつ
た。

本発明は、多結晶シリコン薄膜領域と、シリコ
ンとアルミニウムの混和した薄膜領域とよりな
り、前記２つの領域の境界が溶断部に設けられた
ことを特徴とし、その目的は、低電流低電圧で溶
断可能にしてしかも構成の簡単なヒユーズ装置お
よびそのヒユーズ装置の製造方法を提供すること
にある。

本願発明者らは、多結晶シリコン薄膜領域とシ
リコンとアルミニウムの混和した薄膜領域との境
界を経由して電流を流すと、境界近傍が低電流で
溶断することを発見した。この発見に基づき、多
結晶シリコン薄膜領域とシリコンとアルミニウム
の混和した薄膜領域との境界を溶断部に設けたこ
とを特徴とする本発明のヒユーズ装置を提案する
ものである。

第１図は本発明のヒユーズ装置の基本構成であ
る。１と２は電極、３と４は溶断部であり、１と
３は多結晶シリコン薄膜領域、２と４はシリコン
とアルミニウムの混和した薄膜領域である。５は
前記２領域の境界、６と７はリード線である。

第２図ａ〜ｅは本発明のヒユーズ装置の実施例
で、第１図の基本構成の変形である。

第２図ａは溶断部が３領域で形成されたヒユー
ズ装置である。１と１′は電極、３，３′および４
は溶断部、６と７はリード線である。１，１′，
３および３′は多結晶シリコン領域、４はシリコ
ンとアルミニウムの混和した薄膜領域、５と５′
は各２領域の境界である。

第２図ｂは溶断部が３領域で形成された別のヒ
ユーズ装置である。２と２′は電極、３，４およ
び４′は溶断部、６と７はリード線である。２，
２′，４および４′はシリコンとアルミニウムの混
和した薄膜領域、３は多結晶シリコン薄膜領域で
形成された溶断部、５と５′は各領域の境界であ
る。

第２図ｃは、第１図の基本構成のシリコンとア
ルミニウムの混和した薄膜領域の電極としてアル
ミニウム薄膜領域８を有するヒユーズ装置であ
る。

第２図ｄは第２図ｃの変形でシリコンとアルミ
ニウムの混和した薄膜領域の一端を覆うアルミニ
ウム薄膜領域８を電極としたヒユーズ装置であ
る。

第２図ｅは第２図ａのシリコンとアルミニウム
の混和した薄膜領域の中央部を覆うアルミニウム
薄膜領域８を設けたヒユーズ装置である。

第２図ａ，ｂ，ｅは２個の境界をもつヒユーズ
装置であつて、対称構造という特徴がある。

第２図ｃ，ｄ，ｅは、後述のように、本発明の
ヒユーズ装置の製造法と関連して、実用価値の高
い形態である。すなわち、用いられるアルミニウ
ム薄膜領域から、アルミニウムを多結晶シリコン
薄膜領域に浸透させることにより、シリコンとア
ルミニウムの混和した薄膜領域を容易に形成でき
る。

以上の実施例で示したように、本発明のヒユー
ズ装置の基本は、溶断部に多結晶シリコン薄膜領
域とシリコンとアルミニウムの混和した薄膜領域
の境界を設けたことである。境界の個数、電極の
構成、材料、各部の形状等は任意に設定できる。

次に、本発明のヒユーズ装置の作用について述
べる。第１図において、電極１と２間に電圧を印
加し、溶断部３および４に電流を流すことによつ
て境界５近傍を第３図に示す如く溶断できる。本
発明の装置においては、溶断時の電流と電圧が従
来のヒユーズ装置に比較して大幅に小さい利点が
ある。

第４図は第２図ｄに示した実施例についての実
験結果で、電極間の印加電圧に対する溶断部を流
れる電流の特性である。印加電圧の増加と共に電
流は増加するが、電流のピーク値において本ヒユ
ーズ装置は溶断する。溶断時の電流のピーク値を
溶断電流、電流のピーク値における印加電圧を溶
断電圧と呼ぶ。

実験に使用したヒユーズ装置の各部の寸法を第
２図ｄ中に示したように溶断部の膜厚ｄ、幅ｗ、
多結晶シリコン薄膜領域の長さｌで示す。溶断部
の多結晶シリコン薄膜領域の長さｌは本発明のヒ
ユーズ装置の溶断特性にとつて重要である。すな
わち、溶断電圧はシリコンとアルミニウムの混和
した薄膜領域に比べ非常に抵抗の高い多結晶シリ
コン薄膜領域に集中してかかり、該多結晶シリコ
ン薄膜領域で溶断に必要な電力のほとんどが消費
されるからである。いいかえれば、シリコンとア
ルミニウムの混和した薄膜領域の長さは、溶断特
性に大きな影響を与えないため、任意に設定でき
る。

第４図の特性測定に用いた本発明のヒユーズ装
置の第２図ｄに示した溶断部の寸法は、膜厚ｄが
100nm、幅ｗが3μmであり、多結晶シリコン薄膜
領域の長さｌについては、特性９が2μm、特性１
０が7μm、特性１１が17μm、特性１２が6μmで
ある。多結晶シリコン薄膜領域の比抵抗は特性
９，１０，１１が約５×10^-3Ω・cm、特性１２が
約７×10^-3Ω・cmである。

なお、特性１３は多結晶シリコン薄膜で形成さ
れた従来のヒユーズ装置の実験結果で、本発明の
ヒユーズ装置との比較のために記載してある。従
来の多結晶シリコン薄膜領域の溶断部の膜厚ｄは
100nm、幅ｗは3μm、比抵抗は約５×10^-3Ω・cm
であり、特性９〜１１の本発明のヒユーズ装置の
多結晶シリコン薄膜領域と全く同じである。但
し、溶断部の多結晶シリコン薄膜領域の長さｌは
10μmである。

実験結果から明らかなように、従来のヒユーズ
装置の溶断電流が約11mAであるのに対し、本発
明のヒユーズ装置では1/2以下の約5mAと低電流
である。また、従来のヒユーズ装置では、溶断部
の多結晶シリコン薄膜領域の長さｌによつて溶断
電流が変る欠点があつたが、本発明のヒユーズ装
置の溶断電流は特性９，１０，１１から明らかな
ようにほぼ一定である。従つて、溶断部の多結晶
シリコン薄膜領域の長さｌを短縮することによつ
て、溶断電流を一定に保つたまま溶断電圧を低減
できる。例えば、溶断部の多結晶シリコン薄膜領
域の長さｌが2μmの本発明のヒユーズ装置では、
特性９から分かるように、溶断電圧を約3.5Vと
従来のヒユーズ装置の1/3以下に低減できる。従
つて、溶断に必要な電力は従来のヒユーズ装置の
１／６以下に低減できる。このように、本発明のヒ
ユーズ装置では、溶断電流と溶断電圧を大幅に低
減でき、溶断に必要な電力を大幅に低減できる利
点がある。

また、従来のヒユーズ装置の溶断電流は溶断部
の材料の比抵抗により変化する欠点があつた。し
かし、本発明のヒユーズ装置の溶断電流は、特性
１２から分かるように多結晶シリコン薄膜領域の
比抵抗がかなり変動しても一定に保たれる。すな
わち、本発明のヒユーズ装置では多結晶シリコン
薄膜領域の比抵抗のばらつきを大幅に許容でき、
ヒユーズ装置の設計および製造上のマージンを広
くとれる利点がある。

次に、第５図を用いて本発明のヒユーズ装置の
製造方法の一例を工程順に説明する。第５図は第
２図ｄに示したヒユーズ装置の一点鎖線に沿つた
断面構造を工程順に示した図であり、図ａ〜ｆは
以下の工程(a)〜(f)に対応している。

工程 (a) 絶縁基板１４の表面に、例えば、化学気相成長
法で多結晶シリコン薄膜１５を堆積する。多結晶
シリコン薄膜15の堆積中あるいは堆積後、りん、
ひ素等の特定の不純物をドープし、熱処理を行
い、多結晶シリコン薄膜１５の抵抗を所定の値に
設定する。

工程 (b) 多結晶シリコン薄膜１５をフオトリソグラフイ
技術により加工成形し、電極１および溶断部３を
つくる。

工程 (c) アルミニウム薄膜１６を例えば真空蒸着法によ
つて堆積する。

工程 (d) フオトリソグラフイ技術により、アルミニウム
薄膜１６が電極１および溶断部３の多結晶シリコ
ン薄膜領域の一部に接触するように加工成形し、
電極８をつくる。

工程 (e) 熱処理を行い、電極８と溶断部３の接触部１７
よりアルミニウムを溶断部３の多結晶シリコン・
薄膜領域中に浸透させ、シリコンとアルミニウム
の混和した薄膜領域の溶断部４を形成する。第５
図(e)中に示した溶断部４の長さｘを熱処理の温度
と時間によつて制御し、多結晶シリコン薄膜領域
とシリコンとアルミニウムの混和した薄膜領域と
の境界５を所定の位置に設定する。

工程 (f) 酸化シリコン等の絶縁薄膜１８を堆積し、フオ
トリソグラフイ技術によりスルホール１９を形成
し、電極１および電極８からそれぞれリード線６
および７を引き出し、ヒユーズ装置を完成する。

なお、以上説明した工程以外にも、本発明のヒ
ユーズ装置を実現する多くの製造方法がある。例
えば、工程(a)中の不純物のドープと工程(b)の加工
成形を逆順にすること、工程(b)と工程(c)の間に絶
縁薄膜を形成する工程と、多結晶シリコン薄膜と
アルミニウム薄膜とを接触させるためのスルホー
ル形成工程を含めること等多くの変形をとること
ができる。

以上、第２図(d)の本発明のヒユーズ装置の製造
法について述べたが、第２図(a)，(b)，(c)，(d)のヒ
ユーズ装置のシリコンとアルミニウムの混和した
薄膜領域および境界も第２図(d)と同様の製造方法
によつて形成できる。すなわち、所定の電極およ
び溶断部を多結晶シリコン薄膜領域で形成した
後、この多結晶シリコン薄膜領域の所定の位置に
接触したアルミニウム薄膜領域を形成する。例え
ば、第２図(a)，(b)の場合には溶断部の中央の多結
晶シリコン薄膜領域に、同図(b)の場合には溶断部
の中央部を除く多結晶シリコン薄膜領域に、同図
(c)の場合には溶断部の一部の多結晶シリコン薄膜
領域にアルミニウム薄膜領域を形成する。つづい
て、熱処理によつて該アルミニウム薄膜領域より
アルミニウムを多結晶シリコン薄膜領域中に浸透
させ、シリコンとアルミニウムの混和した薄膜領
域を形成し、溶断部に境界を位置させる。なお、
第２図(a)，(b)の場合には、アルミニウム薄膜領域
のアルミニウムをすべて多結晶シリコン中に浸透
させるか又は一部浸透させた後、残部のアルミニ
ウム薄膜領域をエツチング等によつて除去して、
ヒユーズ装置を形成できる。

要するに、本発明の製造方法の主旨は、所望の
断面積と比抵抗をもつ多結晶シリコン薄膜の形成
工程と、この多結晶シリコン薄膜に接触してアル
ミニウム薄膜を形成する工程と、熱処理によつて
シリコンとアルミニウムの混和した薄膜領域を形
成し混和した薄膜領域と残部の多結晶シリコン薄
膜領域との境界を溶断部に設ける工程とを含むこ
とにある。

次に本発明のヒユーズ装置の効果について述べ
る。

本発明の第１の効果は、従来のヒユーズ装置に
比べ低電流で溶断可能なことである。このため、
ヒユーズ装置に溶断電流を供給するトランジスタ
を小形化できる利点がある。例えば、本発明をヒ
ユーズ形読出専用メモリに適用した場合、ヒユー
ズ装置とそのヒユーズ装置の制御用トランジスタ
で構成されたメモリセルを小形化できる。従つ
て、チツプ面積の減少による製造歩留りの向上、
あるいはチツプ当りのメモリ容量の増大によるビ
ツトコストの低下が図れ、ヒユーズ形読出専用メ
モリの小形化・経済化が図れる。

本発明の第２の効果は、従来のヒユーズ装置に
比べ溶断電圧を大幅に下げられることである。す
なわち、従来のヒユーズ装置では溶断電圧を決め
る溶断部の長さｌはフオトリソグラフイ技術の最
小加工寸法で制限されていた。しかし、本発明に
よるヒユーズ装置では、製造方法で述べたように
アルミニウムを多結晶シリコン薄膜領域に浸透さ
せて形成するシリコンとアルミニウムの混和した
薄膜領域の長さｘ（第５図ｅ参照）すなわち境界
５の位置は熱処理の温度と時間によつて制御でき
るため、溶断電圧を決める溶断部の長さｌは熱処
理条件によつて加工寸法以下に設定できる。この
ため、本発明のヒユーズ装置の溶断電圧は数Ｖ程
度まで下げられる。これにより、従来のヒユーズ
装置で必要としていた高圧回路は不要となる。従
つて、高圧回路の設計は省略でき、しかも高耐圧
トランジスタ形成の製造プロセスを省略できる利
点がある。

本発明の第３の効果は、溶断電流が多結晶シリ
コン薄膜の比抵抗に依存せず、一定なことであ
る。従来のヒユーズ装置では溶断電流が比抵抗の
ばらつきの影響を受けるため、比抵抗のばらつき
が大きいと所望の電流で溶断できなくなる場合が
あつた。しかし、本発明のヒユーズ装置では多結
晶シリコン薄膜の比抵抗のばらつきは大幅に許容
されるため、回路設計および製造プロセスにおけ
る多結晶シリコン薄膜の比抵抗制御が容易になる
利点がある。

本発明の第４の効果は、従来のヒユーズ装置に
比べ低電力で溶断でき、しかも溶断箇所を局所的
にできることである。従来のヒユーズ装置では溶
断に必要な電力は大きく、溶断部全体がはげしく
溶断し、周辺部への影響が大きいため、溶断部を
絶縁被膜内に埋め込んで溶断することは不可能で
あつた。しかし、本発明のヒユーズ装置は低電力
で局所的に溶断できるため、溶断部を絶縁物被膜
内に埋め込んだ状態で溶断できる。従つて、ヒユ
ーズ装置を保護膜で覆うことができ、ヒユーズ装
置および周辺回路の信頼性を高められる利点があ
る。

このように、本発明のヒユーズ装置は従来のヒ
ユーズ装置に比べ、溶断条件が優れ、ヒユーズ装
置を用いた集積回路の小形化、経済化及び高信頼
化に優れた効果を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のヒユーズ装置の基本構成を示
す斜視図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは本発明の
実施例を示す斜視図、第３図は本発明のヒユーズ
装置の溶断状態を示す斜視図、第４図は第２図ｃ
の実施例の電流−電圧特性の実測例を示す特性
図、第５図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは第２図ｄの
実施例の製造工程を示す縦断面図である。 １，１′……多結晶シリコン薄膜領域で形成さ
れた電極、２，２′……シリコンとアルミニウム
の混和した薄膜領域で形成された電極、３，３′
……多結晶シリコン薄膜領域で形成された溶断
部、４，４′……シリコンとアルミニウムの混和
した薄膜領域で形成された溶断部、５，５′……
シリコンとアルミニウムの混和した薄膜領域と多
結晶シリコン薄膜領域の境界、６，７……リード
線、８……アルミニウム薄膜領域、９，１０，１
１，１２……本発明のヒユーズ装置の電流対電圧
特性例、１３……従来のヒユーズ装置の電流対電
圧特性例、１４……絶縁基板、１５……多結晶シ
リコン薄膜、１６……アルミニウム薄膜、１７…
…多結晶シリコン薄膜とアルミニウム薄膜の接触
部、１８……絶縁膜、１９……スルーホール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多結晶シリコン薄膜領域と、シリコンとアル
   ミニウムとの混和した膜領域とを備え、前記２つ
   の領域の境界が溶断部に設けられたことを特徴と
   するヒユーズ装置。 ２ 多結晶シリコン薄膜を形成する工程と、該多
   結晶シリコン薄膜の一部に接触してアルミニウム
   薄膜を形成する工程と、前記アルミニウム薄膜か
   らアルミニウムを前記多結晶シリコン薄膜内に浸
   透させシリコンとアルミニウムとの混和した薄膜
   領域を形成し該混和した薄膜領域と残部の多結晶
   シリコン薄膜領域との境界を溶断部に設ける工程
   とを含むことを特徴とするヒユーズ装置の製造方
   法。