JPH06260558A - プログラミング可能なアンチヒューズ要素 - Google Patents

プログラミング可能なアンチヒューズ要素

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JPH06260558A
JPH06260558A JP5305249A JP30524993A JPH06260558A JP H06260558 A JPH06260558 A JP H06260558A JP 5305249 A JP5305249 A JP 5305249A JP 30524993 A JP30524993 A JP 30524993A JP H06260558 A JPH06260558 A JP H06260558A
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クリス・ベンカトラマン・スリクリシュナン
Seshadri Subbanna
セシャドリ・サバンナ
Manu J Tejwani
マニュー・ジャムナダス・テジワニ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 集積回路素子の導体相互間に、電気的または
光学的にプログラミング可能な接続であるアンチヒュー
ズ要素を提供する。 【構成】 プログラマブル・アンチヒューズ要素は、隣
接したゲルマニウム８０と９０または９０とアルミニウ
ムの本体またはアルミニウム合金３０または３０と８０
から成り、アルミニウムとゲルマニウムの合金化が生じ
る温度まで加熱された時に、機械的特性と熱特性が良好
な低抵抗接続部を成す。アンチヒューズ要素をプログラ
ミングするための加熱は、ゲルマニウム内の電気抵抗加
熱またはレーザ放射によって行え、ゲルマニウムをドー
ピングすることにより所望の抵抗値が得られる。真正ま
たは軽度ドープのゲルマニウムの抵抗値が高いことか
ら、１０，０００：１を超える抵抗変化率が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には集積回路素
子にプログラミング可能な接続を形成するプログラミン
グ可能な構造に関し、特に、集積回路素子の回路と回路
要素の間に接続を選択的に形成するアンチヒューズ構造
に関する。
【０００２】
【従来の技術】集積回路の製造で集積度が高くなると、
製造歩留りを許容レベルに保つために、経済的には、製
造されるほぼ全ての素子に冗長な回路を設けなければな
らなくなっている。ある程度完成した形にまで集積回路
を形成した後にテストを行い、可融リンクすなわちヒュ
ーズを高い電流で破壊することによって欠陥回路を切り
離すことができる。同じようなメカニズムは、例えばMo
bsenらによる米国特許第４９４３５３８号に見られる
「アンチヒューズ」に採用されている。ここでは、接続
を断つのではなく接続を形成するために絶縁体が破壊さ
れる。この処理はしばしば溶解した導電物質の高温フロ
ーを伴う。このような手法は広く採用されているが、い
くつか大きな欠点がある。ただし経済的にはかなり有用
である。
【０００３】周知の可融リンクの破壊及び周知のアンチ
ヒューズの絶縁体は本来、少なくとも集積回路の１部で
は、電気的応力、機械的応力、及び熱応力の原因にな
り、現在の修復技術の能力を超える破損の原因にもな
る。熱応力はまた、他のコネクタ内の金属マイグレーシ
ョン等のプロセスを招き、或いはトランジスタ特性を変
化させ、集積回路の性能が犠牲になることがある。従っ
て、ヒューズ、なかでもアンチヒューズに伴う比較的荒
いプロセスにより、製造歩留りが大きく低下し得る。更
に現在の技術では、チップが破損する可能性を許容でき
る程度まで小さくして接続を破壊することしか出来ない
場合は、可融リンクが破壊された時に冗長構造が接続さ
れるように、集積回路を設計する際にしばしば複雑な調
整が必要になる。これに代えて、冗長構造を切り離され
た構造に効果的、機能的に置き換えられるよう可融リン
クが破壊されるのと同じように、冗長なピンアウトすな
わちアドレス・デコーダを変更する必要も生じる。
【０００４】ヒューズとアンチヒューズの電気的プログ
ラミングは、場合によっては難しくなる。これは変更さ
れる集積回路チップとの接続が困難だからである。プロ
グラミング対象のヒューズやアンチヒューズのそれぞれ
に異なる電気接続点をチップに設けなければならないこ
とが多い。更にプログラマブル要素が破壊された時の他
の回路要素に対する破損の恐れを少なくするために、比
較的大きい「床面積」をヒューズに割当て、各ヒューズ
付近で伝熱、放熱によって温度を下げなければならな
い。
【０００５】またヒューズやアンチヒューズのプログラ
ミングでは、プロセス許容差（プログラミングの動作マ
ージン等）は、プログラミングが終わった時にプログラ
マブル要素が完全には破壊されないほど充分に小さい。
ヒューズはまた、充分な抵抗をもたせて製造しなければ
ならず、未処理のヒューズと「破壊された」ヒューズの
抵抗差は僅か数桁（数百等）であろう。逆にヒューズや
アンチヒューズ内のプログラマブル要素の感度が高いこ
とから、電気的バーンインの間に不意にプログラミング
が生じることも多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、集積
回路素子の導体相互間に、電気的または光学的にプログ
ラミング可能な接続点としてアンチヒューズ要素を提供
することである。
【０００７】本発明の他の目的は、横寸法が小さく、電
気的、光学的にプログラミング可能な接続構造を提供す
ることである。
【０００８】本発明の他の目的は、電気的または光学的
にプログラミングでき、プログラミングされた時に、本
発明に従ったプログラミングされていない接続構造と比
較して１万倍異なる抵抗値の変化を信頼性を損なわずに
示す接続構造を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
ために用いられる集積回路は、アルミニウムを含む本体
に隣接したゲルマニウムの本体が含まれるコネクタ構造
を含む。
【００１０】本発明の他の態様に従ったアンチヒューズ
要素は、アルミニウムを含む本体の少なくとも１つと、
該アルミニウムを含む本体に隣接したゲルマニウムの本
体とを含む。
【００１１】本発明の他の態様に従ったプログラマブル
接続点の形成方法は、アルミニウムを含む本体を被着す
るステップ、アルミニウムの本体に隣接したゲルマニウ
ムの本体を被着するステップ、ゲルマニウムとアルミニ
ウムの各本体の少なくとも１部を約４５０℃まで電磁放
射によって加熱するステップを含む。
【００１２】本発明の他の態様に従ったプログラマブル
接続点の形成方法は、アルミニウムを含む本体を被着す
るステップ、アルミニウム本体に隣接したゲルマニウム
の本体を被着するステップ、ゲルマニウム本体を所定抵
抗値の範囲までドープするステップ、及びゲルマニウム
本体の少なくとも１部とアルミニウムを含む本体の少な
くとも１部を、ゲルマニウム本体の電気抵抗加熱によっ
て合金化するステップを含む。
【００１３】
【実施例】各図を参照する。図１はアンチヒューズ１０
０（図３）の初期の形成段階を示す。層１０は少なくと
も２つのトランジスタから成る集積回路を形成する複数
の層を表わす。以下これを「マスタスライス」と呼ぶ。
少なくとも２つのトランジスタを仮定するのは、冗長な
回路があり、コンタクトや他の回路に選択的に接続さ
れ、疑問のある動作や安定性がテストされてから製造プ
ロセス全体の歩留りが改良される任意の集積度の回路
に、本発明が適用できることを示すためである。実際か
かる冗長回路が形成されるのは、一般には大規模集積回
路だけであるが、本発明は原理的には、プログラミング
のために選択的な接続が行われたあらゆる素子に適用す
ることができる。従って本発明は、大規模集積回路に限
定されるものではなく、トランジスタや読取り専用メモ
リやデコーダ等、他の回路にも応用可能である。
【００１４】マスタスライス１０の表面には、絶縁層２
０と金属導体３０が順に形成されると仮定する。層間の
接着性を改良するための金属窒化物層３１、３２も示し
ているが、本発明の実現に特に重要ではない。導体３０
として望ましい物質はアルミニウムとアルミニウム銅の
合金である。アルミニウム銅合金は更に、Ａｌ−Ｃｕ／
Ｔｉ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｇｅ／Ｔｉのようにチタン、ニッケ
ル、コバルト等で合金化することができる。或いはまた
アルミニウムとシリコンの合金も本発明を実施する際に
採用できる。基本的な条件は、導体またはゲルマニウム
本体に隣接した他の物質の本体が合金化のシリコン源を
含み、アルミニウム源として機能するということであ
る。
【００１５】導体３０は、好適には重ね被着とこれに続
くエッチングによるパターニングによって形成される。
ただし導体の形成方法は本発明の主眼ではない。導体層
は、マスタスライス１０のある点（接続パッド等）に接
続され、なかの集積回路のある部分との接続点が形成さ
れる。絶縁体２０を介したこのマスタスライス１０との
接続３０は、本発明を実施する上では重要ではない。た
だし、周知の構造のスタッド４０をこのために用いるこ
とは望ましい。ただ本発明は、どのようなスタッド層に
も適用でき、例えば位置５０について後述する方法と同
じ方法で位置４０に実施することができる。
【００１６】従来のヒューズ等のプログラマブル接続構
造の基本的目的は、少なくとも同じ層か異なる層内にあ
る別の導体によってアクセス可能な点まで伸びた接続構
造を形成し、形成後に、後の動作によって構造の導電特
性が変化する接続構造を形成することである。本発明に
従って、別の絶縁酸化物層６０が完成した導体３０上に
被着され、別の導体を被着できるように平坦化される。
図の完成した導体３０は、集積回路の１部に対して接続
が出来る終端ノードを表わすとみることができ、実際の
終端は必要ない。
【００１７】次に酸化物が好適にはマスク（図示なし）
と共にパターニングされ、バイア７０が酸化物層６０を
通して、好適には（コスト的に可能であれば）導体３０
の厚みのかなりの部分までエッチングされる。次に図３
に示すように、バイアが部分的にか完全に真正な（ドー
プされていない等）ゲルマニウムで充填される。これは
好適にはバイアの底部のアルミニウムによる核生成を通
してバイア内のゲルマニウムが選択的に成長することに
よる。ゲルマン（ＧｅＨ4 ）もしくはジゲルマン（Ｇｅ
2Ｈ6）または同様のガスを用いた約３５０℃の化学的気
相成長や、平行スパッタリング、電子サイクロトロン共
鳴（ＥＣＲ）スパッタリング等も適している。本発明に
従ったアンチヒューズはこの時点で完成するとみること
ができ、後述するように、プログラミングが光学的手法
によって行われる場合（すなわち電気的プログラミング
を可能にする電気的接続１１０が上側に形成される前
に）プロセスのこの時点でプログラミングすることがで
きる。ただし、光学的手段による後のプログラミング
は、タングステン・キャップや反射アルミニウム接続点
を形成した後にも行える。光エネルギがアンチヒューズ
構造に届く必要はなく、熱がそこに伝わるだけでよいか
らである。従って、反射アルミニウム接続点がアンチヒ
ューズ構造上に形成されない場合でも、高融点物質等の
光吸収層をその上のアンチヒューズ位置に被着すること
ができる。またこの点に関しては、ゲルマニウムやアル
ミニウムの溶融は必要なく、固体拡散反応が極めて急速
に生じる温度まで加熱すればよい。
【００１８】バイア７０を部分的にのみ充填すれば、ア
ンチヒューズのプログラミング時に与えるべきエネルギ
（熱等）の量を少なくすることができる。ただし充填は
抵抗値を比較的大きくするために（一般には１ＫΩ乃至
１０ＫΩ、好適には約５ＫΩ）、導体３０の表面よりか
なり高いところまで、また酸化物６０の厚みまで行う必
要がある。かなりの程度まで充填を行う場合、電気的加
熱を促進し５ＫΩに近い抵抗値を得るにはゲルマニウム
の軽度ドーピングも必要になる。例えば、他の処理ステ
ップの熱余裕による抵抗値の変更を最小にするには、１
０００ 乃至３０００ の範囲のゲルマニウム長が望ま
しい。熱余裕はアルミニウムが僅かに拡散する原因にな
る。この長さでは、ドーピング濃度を立方センチメート
ル当たり１０14原子乃至１０16原子にすれば適切な抵抗
値が得られる。真正のゲルマニウムの固有抵抗値が室温
で５０Ω／ｃｍと高い場合、約１００ の長さが限度に
なる。これは長さと抵抗値がこれ以上大きいと、他の要
素と許容範囲内で区別できる電気抵抗加熱に充分な電流
が得られなくなるからである。同時にゲルマニウムのド
ーピングのレベルは充分小さくする必要があり、得られ
る抵抗値は、バーンイン電圧を集積回路に印加する際に
プログラミング温度にならないように充分高くする必要
がある（これも５ＫΩ付近等）。
【００１９】バイア７０の残りの部分は、好適にはゲル
マニウムと同じ温度で被着可能なタングステンで充填さ
れる。従って１つのツールで２回の被着が可能になる。
これに代えて、バイア全体を光プログラミングの場合に
は真正のゲルマニウムで、また集積回路の他の部分が耐
えられる電圧で電気的プログラミングが行われる時に、
大きい差分抵抗加熱が可能なように適切にドーピングす
る場合は、不純物をドープしたゲルマニウムで充填する
ことができる。ただし、ゲルマニウムを延長した場合に
は、特に真正ゲルマニウムが用いられる場合は、充分な
拡散が難しいこともある（加熱時間の延長等）。
【００２０】ただし他のバイア構造も、ゲルマニウムを
充填したバイアに比べて低い加熱条件の光プログラミン
グには同じ効果が得られ、電気的プログラミングの可能
性も保たれる。例えば光プログラミングの場合、空所８
０はアルミニウムで充填し、空所９０にゲルマニウムを
被着することによってバイアを完全に充填するのが望ま
しい。その場合、ゲルマニウムの厚みも抵抗値が５ＫΩ
に近くなるように選択される。この構造ではゲルマニウ
ムは表面にとどまり、プログラミングに用いられるレー
ザ光に対して「可視」である。アルミニウムの本体また
は導体から独立し、ゲルマニウム本体に隣接したアルミ
ニウムを含む物質を含むこの種の構造はまた、銅やゲル
マニウムとの合金化が比較的容易ではない金属等、融点
が高い金属が導体３０に用いられる場合に有益である。
後者の場合、必要に応じてゲルマニウムの後にタングス
テンの層を被着することができる。
【００２１】バイア構造が本発明に従った上記のいずれ
かの手法で完成した後、好適には、更に別の接続部１１
０が、アンチヒューズと被着されたパシベーション層に
追加される。光プログラミングの場合、接続部１１０に
はスタッド位置の１部に合わせて開口１２０も作られ
る。ただし導体の接続断面積が小さくならない、光学的
に有効な開口を形成するのは現実的ではない場合があ
り、従って、先に述べたまたは暗い高融点物質等、光エ
ネルギの吸収を高める物質を被着し、接続部１１０を通
して伝熱を活かすのが望ましい。水晶／シリコンのパシ
ベーション層を追加しても、後の光プログラミングに大
きな影響は出ない。電磁放射（好適には二酸化炭素レー
ザの赤外線）が水晶やポリイミドの絶縁層に、予測可能
な深さまで浸透するからである。別にチップ全体が約３
５０℃乃至３８０℃まで加熱された場合、プログラミン
グのために追加されるレーザの熱量は比較的少なく、光
アクセスは重要ではなくなり、必要なくなると考えられ
る。
【００２２】ここで少し図５を参照する。これはゲルマ
ニウムとアルミニウムの合金の位相図である。４２０℃
より僅かに上の温度では、ゲルマニウムがアルミニウム
に溶解することによってゲルマニウムとアルミニウムの
安定な合金が形成されることが分かる。これらは全て抵
抗値が低い。文献には、固有抵抗値が６μΩ−ｃｍと低
い共晶アルミニウム−ゲルマニウム合金が報告されてい
る。０．５×０．５ミクロンのスタッドの典型的な抵抗
値０．２Ωでは、形成されたままの抵抗値５ＫΩに対し
て、抵抗変化率が非常に高くなる（２５，０００：１
等）。（そのため重要ではないが、ここで望まれること
は、共晶合金の熱安定度は最大であるので、８０、９０
の相対的な空所を調整したり、ゲルマニウムに隣接した
アルミニウムを含む導体の伝熱に対して、電気的または
光学的加熱率を調整して、共晶合金内のアルミニウムと
ゲルマニウムの割合を近似することである。）従って、
アンチヒューズを通して、それを選択的に加熱すること
によって、接続部を選択的に形成でき、図４に示す２０
０等の合金プラグが形成される（或いはゲルマニウムが
最初に空所８０ではなく空所９０に被着された場合は空
所９０内に）。合金プラグは基本的には共晶合金から成
るが、全て導電率が高いので合金の詳細は重要ではな
い。これらの合金は全てアルミニウムとシリコンの合金
化が、トランジスタ内の接合部の「スパイキング」（ア
ルミニウム・コンタクトが用いられる場合にアルミニウ
ムのスパイクがシリコン内に拡散する等）を防ぐ周知の
方法であることから推定して機械的に安定度が高いとさ
れる。
【００２３】このようなプログラマブル構造には、直接
には明らかではないこともあるが多くの利点がある。ま
ず合金プラグは安定度が高く、よってアクティブ素子に
かなり近づけて使用することができる。これはまた、合
金化が可能な温度が比較的低いという利点でもある。第
２に、ヒューズが「飛ぶ」ことはなく、プログラミング
のプロセスは比較的低い温度で行われるので、隣接した
構造が破損する恐れはほとんど或いは全くない。第３
に、チップを他の構造と共に組合わせる際、はんだリフ
ローのための接合温度は４００℃以下に制限され、アン
チヒューズがこれによって大きく影響を受けることはな
い。例えば、極端な例として１０時間、４００℃の熱余
裕があると、アルミニウムがゲルマニウムに拡散する距
離は３００未満または好適なアンチヒューズ長の約１０
％である。バーンインとして知られる電気的応力では、
電圧と電流は通常、チップ温度を約１５０℃に制限する
ように調整される。この温度では拡散がかなり遅くな
る。従って、プログラミングされていないヒューズにお
いてはアルミニウムがある程度ゲルマニウムに拡散する
が、プラグの合金化の際に抵抗値が大きく変化して回路
に対する影響が制限される。これは拡散が比較的浅く、
ゲルマニウムのバルク抵抗に大きくは影響しないからで
ある。従って、ゲルマニウムの抵抗値がドーパント濃度
によって適切に制御されて、バーンイン電圧を超える電
圧が必要になった場合、後の処理ステップの間かバーン
インの間にプログラミングが偶発的に生じる可能性は極
めて小さい。第４に、接続部を光学的に形成することに
よって他のプログラミング方式が利用でき、プログラミ
ングのための電気的分離や、電圧上昇から集積回路の他
の要素への破損を防ぐための設計上の制限や変更が不要
になる。第５に、本発明に従ったアンチヒューズは、抵
抗変化率が１０，０００：１をゆうに超え、プログラミ
ング時にプロセスの自由度と許容差がかなり大きくなる
他、信頼性と再現性も高まる。第６に、プログラミング
が光学的に行われる場合は、ゲルマニウムのドーピング
は不要になり、真正ゲルマニウムの固有抵抗全体を活用
することで、抵抗変化率を高めることも、またアルミニ
ウムがゲルマニウムに拡散することによる大きな抵抗変
化に対する耐性をも高めることができる。
【００２４】更に補足すれば、電気的プログラミング
は、好適には約５Ｖのパルス（典型的なバーンイン電圧
４Ｖ乃至４．５Ｖに比較して）で行われ、消費電力は約
５ｍＷになる。局部温度を約４５０℃にし、回りの構造
をかなり加熱することがないようにするには、チップ温
度を考慮して（予め加熱されている場合等）スタッドの
大きさとパルス長を選択する必要がある。普通、パルス
時間は１ミリ秒の数分の１が適当である。必要なら米国
特許出願第９９６７６６号明細書に記載の測定方法によ
って、ほぼリアル・タイムに抵抗値の変化をモニタし制
御することができる。
【００２５】上記の内容から分かるように、本発明に従
ったアンチヒューズ構造の要点は、加熱時に固体拡散が
生じるように、アルミニウムの本体に隣接した真正また
は軽度ドープのゲルマニウムの本体にある。電気抵抗加
熱によるプログラミングで消費電力を所望のレベルにす
るにはドーピングが必要になることもあるが、これは本
発明の基本的な考え方からは不要である。また構造が簡
単なため、本発明を実施する際に他にも多くの構造を採
用することができる。例えば、本発明はスタッド構造に
限定されるものではなく、導体を構成するかまたは導体
に接合されるアルミニウムまたはアルミニウムを含む合
金の２つの被着物の間にゲルマニウムを被着することに
よって、単層の素子にも応用することができる。上述の
ように温度を４５０℃まで上げると、スタッド構造と同
じようにゲルマニウム−アルミニウムの合金接続部が形
成される。ただし、アンチヒューズはスタッドのレベル
で形成するのが望ましい。アンチヒューズはチップ上の
フットプリントが最小になるので、放熱のために他の素
子から分離しやすく、ヒート・シンクには導体を長くす
ることもできる。
【００２６】
【発明の効果】本発明は、電気的、光学的、またはその
組合わせによってプログラミングできるアンチヒューズ
要素を提供する。アンチヒューズ要素はまた、横寸法を
小さくすることができ、抵抗変化率が高くなる他、プロ
グラミング或いは他のプロセスによる偶発的なプログラ
ミングの際に周囲の構造が破損される恐れがほとんど或
いは全くない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従ったアンチヒューズの形成を示す図
である。
【図２】本発明に従ったアンチヒューズの形成を示す図
である。
【図３】本発明に従ったアンチヒューズの形成を示す図
である。
【図４】本発明に従ったアンチヒューズの形成を示す図
である。
【図５】本発明の原理を説明するゲルマニウム−アルミ
ニウムの合金の位相図である。
【符号の説明】
１０ マスタスライス ２０ 絶縁層 ３０ 金属導体 ３１、３２ 金属窒化物層 １２０ 開口 ２００ 合金プラグ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリス・ベンカトラマン・スリクリシュナ ン アメリカ合衆国12590、ニューヨーク州ワ ッピンガーズ・フォールズ、シャーウッ ド・ハイツ 33 (72)発明者 セシャドリ・サバンナ アメリカ合衆国12533、ニューヨーク州ホ ープウェル・ジャンクション、ルート 376、ナンバー・エフ−15、ホープウェ ル・ガーデン・アパートメント （番地な し) (72)発明者 マニュー・ジャムナダス・テジワニ アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ、イーザン・コート 1327

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルミニウムを含む本体に隣接したゲルマ
    ニウムの本体を含むコネクタ構造を含む集積回路。
  2. 【請求項２】アルミニウムを含む少なくとも１つの本体
    と、該アルミニウムを含む本体に隣接したゲルマニウム
    の本体から成るアンチヒューズ要素。
  3. 【請求項３】上記ゲルマニウムの本体が絶縁層内のバイ
    ア内の被着によってスタッドとして形成された、請求項
    ２記載のアンチヒューズ要素。
  4. 【請求項４】アルミニウムを含む本体を被着するステッ
    プと、 上記アルミニウムの本体に隣接してゲルマニウムの本体
    を被着するステップと、 上記ゲルマニウムとアルミニウムの本体のそれぞれの少
    なくとも１部を約４５０℃まで電磁放射によって加熱す
    るステップと、 を含む、プログラマブル接続部の形成方法。
  5. 【請求項５】アルミニウムを含む本体を被着するステッ
    プと、 上記アルミニウムの本体に隣接してゲルマニウムの本体
    を被着するステップと、 上記ゲルマニウムの本体を所定の抵抗値範囲までドーピ
    ングするステップと、 上記ゲルマニウムの本体の電気的抵抗加熱によって、該
    ゲルマニウムの本体の少なくとも１部を、上記アルミニ
    ウムを含む本体の少なくとも１部と合金化するステップ
    と、 を含む、プログラマブル接続部の形成方法。
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