JPH09505445A - ドーピングされたバリア金属層を備えるアンチヒューズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半導体基板上に絶縁層を有する集積回路においてアンチヒューズを形成する方法が提供される。この方法は、絶縁層上に第１の金属相互接続層を形成するステップと、第１の金属相互接続層上に第１のバリア金属層を形成するステップと、第１のバリア金属層上にアモルファスシリコン層を形成するステップと、アモルファスシリコン層上に別のバリア金属層を形成するステップと、第２のバリア金属層上に第２の金属相互接続層を形成するステップとを含む。バリア金属形成ステップの少なくとも１つにおいて、このバリア金属は、ドーパントなどの半導体ドーパントを含むバリア金属ターゲットをスパッタリングすることによって形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 ドーピングされたバリア金属層を備えるアンチヒューズ 発明の背景 本発明は集積回路構造および処理技術に関し、より特定的には、集積回路内の アンチヒューズおよびその製造に関する。 アンチヒューズが中に見られる集積回路の数は増大しつつあり、そのほとんど はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）である。この名称が示唆 するように、アンチヒューズはプログラムされていない（「オフ」）状態では（ 本質的に開路を形成するべく）非常に高い抵抗を有しており、プログラムされた （「オン」）状態では（本質的に短絡回路を形成するべく）非常に低い抵抗を有 している。これらの集積回路では、アンチヒューズは集積回路における色々な素 子に繋がる相互接続線の交点に位置付けられる。選択されたアンチヒューズをプ ログラミングすることにより、集積回路のさまざまな素子間の相互接続が形成さ れて、この装置の機能を規定する。 典型的なアンチヒューズ構造では、アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）の層が ２つの金属相互接続線間に挟まれる。各相互接続線の材質に依存して、ＴｉＷ（ チタン−タングステン）などのバリア金属の層が、アモルファスシリコン層と各 金属相互接続線との間に位置付けられる。バリア金属層は、半導体層、アモルフ ァスシリコン、およびアルミニウム合金などの金属層の望ましくない相互拡散を 遮断す るものである。バリア金属層は、典型的には高融点金属、それらの金属間化合物 、合金、シリサイド、窒化物、およびその組合せである。 しかしながら、現在のアンチヒューズにはさまざまな問題点が見られる。１つ の問題点は、プログラムされた抵抗（Ｒ_ON）が典型的には２０から５０Ωの間で 変動するということである。これらの値は、ＦＰＧＡがかなり的確に動作するに は十分に低いものであるが、より一層低い抵抗値で性能は著しく向上されるだろ う。したがっていかなるアンチヒューズにとっても、可能な限りＲ_ONを低くする ことが目標である。 現在のアンチヒューズにおける第２の問題点は、Ｒ_ONが時折不安定であるとい うことである。使用の際、アンチヒューズのプログラミングされた抵抗は時折ド リフトして非常に高い値まで増大し、これが装置の故障をもたらす。プログラミ ングされたＦＰＧＡにとって、１つのアンチヒューズの故障は大きな損害となる 。なぜなら集積回路内でもはやプログラムされた回路が実現されないからである 。 本発明はこれらの問題を解決する、または実質的に軽減するものである。 発明の概要 本発明は半導体基板上に絶縁層を有する集積回路においてアンチヒューズを形 成する方法に備えるものである。この方法は、絶縁層上に第１の金属相互接続層 を形成するス テップと、第１の金属相互接続層上に第１のバリア金属層を形成するステップと 、第１のバリア金属層上にアモルファスシリコン層を形成するステップと、アモ ルファスシリコン層上に別のバリア金属層を形成するステップと、第２のバリア 金属層上に第２の金属相互接続層を形成するステップとを含む。バリア金属形成 ステップのうち少なくとも１つにおいて、バリア金属は、ドーパントなどの半導 体ドーパントを含むバリア金属ターゲットをスパッタリングすることによって形 成される。 本発明はまた、第１および第２の導電線、第１および第２の導電線間のアモル ファスシリコン層、ならびにアモルファスシリコン層と導電線のうちの１本との 間における半導体ドーパント材料を含むバリア金属層から形成される少なくとも １つのアンチヒューズを有する、集積回路に備えるものである。プログラミング されるとき、アンチヒューズの抵抗および信頼性が、バリア金属層から、形成さ れるアンチヒューズリンクへのドーパントの送出により強められる。 図面の簡単な説明 本発明のより詳細な理解は、次の本発明の好ましい実施例の詳細な説明を、以 下の図面を参照して精読することによりなし遂げられるであろう。 図１は、先行技術に見られる代表的なアンチヒューズの断面図である。 図２は、プログラミング後の図１におけるアンチヒューズの過度を詳細に表わ す図である。 図３は、使用の際におけるアンチヒューズの故障メカニズムを示す代表的なグ ラフである。 好ましい実施例の詳細な説明 図１は、典型的なアンチヒューズの断面図である。このアンチヒューズは二酸 化シリコンからなる絶縁層１１の上に第１の金属相互接続層１２を有する。絶縁 層１１は半導体基板１０の上に形成されており、この半導体基板１０の表面には 集積回路のさまざまな素子が形成されている。トランジスタなどのこれらの素子 は、図面には示されていない。 第１の金属相互接続層１２は、典型的にはアルミニウム合金から形成される。 層１２は集積回路のための１組の金属相互接続線として表わされる。第１のバリ ア金属層１３が、第１の金属相互接続層１２の上に形成される。第１の金属相互 接続層１２とバリア金属層１３との上に二酸化シリコンからなる第２の絶縁層１ ７が位置付けられる。層１７を通るバイアを通じて、アモルファスシリコンから なるプログラミング層１４が第１のバリア金属層１３に接触するように絶縁層１ ７上に形成される。上で説明したように、バリア金属層１３は金属相互接続層１ ２内のアルミニウムと、アモルファスシリコン層１４内におけるシリコンとの相 互拡散を防止するものである。 アモルファスシリコン層１４の上には、別のバリア金属層１５と、続いて第２ の金属相互接続層１６とが位置付けられる。層１６は集積回路のためのもう１組 の金属相互接続線として表わされる。 図２には、図１に示したアンチヒューズの細部を示す。アンチヒューズがプロ グラミングされるとき、バリア金属層１３および１５間のアモルファスシリコン 層１４を介して導電リンクが形成される。導電リンクはプログラミング過程の最 初で、より高い電界により形成される。この電界はアモルファスシリコン層１４ の降伏を引起こし、その結果生じる高い電圧密度により中間のアモルファスシリ コン層１４と、バリア金属層１３または１５のうちどちらでもこの降伏時に負で ある方とが、溶断されたリンク内に溶融される。 溶融されたアモルファスシリコンは、溶融されたＴｉＷと混合される。アンチ ヒューズリンクへの溶融された材料の凝固したものには２つの部分、すなわちＴ ｉＷシリサイドおよびボイドを備えるドーピングされない高抵抗シリコンがある 。ボイドはこの場合ＴｉＷである溶融されたバリア金属材料の体積とほぼ等しい 。アンチヒューズリンク内のシリサイドとシリコンとの比率はほぼアンチヒュー ズ構造のジオメトリに依存する。 したがってリンクの高抵抗部分が導通されると、プログラミングされたアンチ ヒューズのＲ_ONが低くなるだろう。 別の結果としては、プログラミングされたアンチヒューズの信頼性が向上するだ ろう。プログラミングされたアンチヒューズの故障は、読出妨害現象または「ス イッチオフ」として知られており、これによってアンチヒューズは低抵抗状態か ら高抵抗状態への変換を被る。スイッチオフの電流−電圧特性は、図３に示され る。アンチヒューズリンク形成についての上述の理解に基づき、「スイッチオフ 」はある電流密度におけるリンクの溶融として考えられる。溶融の際、リンクの 材料が隣接するボイドを充填するにつれ、リンクはその連続性を失う。アンチヒ ューズは開である。 これらの問題に対処するため、本発明はリンクの高抵抗シリコンを導通させる ことに向けられている。Ｒ_ONは低くされ、かつ、高抵抗シリコンを導通させるこ とによって導電リンクの導電性である断面積が効果的に増大されるため、スイッ チオフの問題は実質的に軽減される。 本発明に従い、ＴｉＷ金属層１３および１５が、半導体ドーパント、ボロンで のＴｉＷターゲットからのスパッタリングにより配設される。アンチヒューズの プログラミングの際、溶融プロセス中にボロンドーパントが層１３または１５か らリンクに送出されるにつれ、溶融されたＴｉＷ層１３および１５はシリコン体 積の１ａｔｍ．％ドーピングをもたらすはずである。これによりＲ_ON抵抗は１桁 まで低下する。 これをなし遂げるため、先行技術のアンチヒューズに用 いられるのと同じ処理ステップが用いられる。異なるのは、バリア金属層１３お よび１５の処理については、５−３０ａｔｍ．％ボロンを伴うＴｉＷＢのターゲ ットが使用されるということである。最も有効なボロンの特定の量は、特定のス パッタリングシステムおよびターゲット構成に依存する。ＴｉＷＢ材料は製造プ ロセスの間にアンチヒューズを保持する基板上にスパッタリングされる。 さらに、層１３および１５の双方がドーピングされることが企図されていると はいえ、プログラミングメカニズムは、プログラミング中に他方のバリア金属層 に関して負であるバリア金属層だけがドーピングされることを必要とするもので あると理解される。これらの状況下において、ドーパントは溶融されたシリコン と混合される。上述の図面では、プログラミング中に負である層は、バリアメタ ル層１３である。 以上がこの発明の好ましい実施例の完全な説明であるが、さまざまな代替例、 変形例および等価物を用いてもよい。本発明は、上述の実施例に適切な変形を行 なうことによっても等しく適用可能であることは明らかであろう。たとえば、本 発明はバリア金属としてＴｉＷ、半導体ドーパントとしてボロンを用いて説明さ れてきたが、本発明が他のバリア金属および他の半導体ドーパントに応用可能で あることは容易に認識することができる。さらに、アモルファスシリコンからな るプログラミング層が説明されてきたが、 アモルファスシリコンの代わりに他の半導体材料を用いてもよい。これらの材料 は、二酸化シリコンまたはシリコン窒化物からなる単層、もしくは多層構造また はサンドイッチ構造における二酸化シリコン、シリコン窒化物、およびアモルフ ァスシリコン層の組合せを含む。 さらに、本発明は１つの集積回路における２つの金属相互接続線間におけるア ンチヒューズ構造との関連で説明されてきた。この集積回路は、２本の金属相互 接続線のみに限定されるものとして考えられるべきではない。本発明に従うアン チヒューズは、多層の金属相互接続線を有する集積回路におけるどの２本の金属 相互接続線の間に位置付けられるものであってもよい。 したがって、上の説明は本発明の範囲を限定するものとして取られるべきでは なく、この発明の範囲はこれ以降の請求の範囲によって規定されるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体基板上に絶縁層を有する集積回路においてアンチヒューズを形成する 方法であって、 前記絶縁層上に第１の金属相互接続層を形成するステップと、 前記第１の金属相互接続層上に第１のバリア金属層を形成するステップと、 前記第１のバリア金属層上に半導体プログラミング層を形成するステップと、 前記アモルファスシリコン層上に第２のバリア金属層を形成するステップと、 前記第２のバリア金属層上に第２の金属相互接続層を形成するステップとを備 え、 前記バリア金属形成ステップのうち少なくとも１つにおいて、前記バリア金属 は、バリア金属ターゲットをスパッタリングすることによって形成され、前記タ ーゲットは半導体ドーパントを含む、方法。 ２．前記少なくとも１つのバリア金属形成ステップは、ボロンを含むバリア金属 材料からなるターゲットをスパッタリングするステップを含む、請求項１に記載 の方法。 ３．前記少なくとも１つのバリア金属形成ステップは、ＴｉＷＢからなるターゲ ットをスパッタリングするステップを含む、請求項２に記載の方法。 ４．前記スパッタリングするステップは、５−３０ａｔｍ． ％のボロンを有するＴｉＷＢターゲットをスパッタリングするステップを含む、 請求項３に記載の方法。 ５．前記スパッタリングするステップは、十分なボロンを有するＴｉＷＢターゲ ットをスパッタリングするステップを含み、これにより前記アンチヒューズをプ ログラミングする際、前記ボロンは前記少なくとも１つのバリア金属層から送出 されて、ボロンでドーピングされたシリコンを有する溶断されたリンクを形成す る、請求項３に記載の方法。 ６．前記少なくとも１つのバリア金属形成ステップは、前記アンチヒューズのプ ログラミング中、他方のバリア金属層に関して電圧的に負であるバリア金属層を 形成する、請求項１に記載の方法。 ７．集積回路におけるアンチヒューズであって、 第１および第２の導電線と、 前記第１および第２の導電線間のプログラミング半導体層と、 半導体ドーパント材料を含むバリア金属層とを備え、前記バリア金属層は前記 半導体層と前記第１の導電層との間にあり、 これにより前記アンチヒューズがプログラミングされるときに、前記アンチヒ ューズが所望の抵抗を有する確率は高められる、アンチヒューズ。 ８．前記バリア金属層は、バリア金属材料およびボロンを含む、請求項７に記載 のアンチヒューズ。 ９．前記バリア金属層は、ＴｉＷＢを含む、請求項８に記載のアンチヒューズ。 １０．前記第２の導電層は、前記第１の導電層上に置かれる、請求項７に記載の アンチヒューズ。 １１．前記第２の導電層は、前記アンチヒューズがプログラミングされるときに 、前記第１のプログラミング層に関して正の電圧を有する、請求項７に記載のア ンチヒューズ。 １２．前記半導体層と前記第２の導電層との間に第２のバリア金属層をさらに含 む、請求項７に記載のアンチヒューズ。 １３．半導体基板とその上に形成される絶縁層とを有する集積回路における、ア ンチヒューズであって、 前記絶縁層上の第１の金属相互接続層と、 前記第１の金属導電層上の第１のバリア金属層と、 前記第１のバリア金属層上のアモルファスシリコン層と、 前記半導体層上の第２のバリア金属層と、 前記第２のバリア金属層上の第２の金属相互接続層とを備え、 前記バリア金属層の少なくとも１つはＴｉＷＢからなるターゲットをスパッタ リングすることにより形成され、これにより前記アンチヒューズがプログラミン グされるときに、前記アンチヒューズが所望の抵抗を有する確率は高められる、 アンチヒューズ。 １４．前記少なくとも１つのバリア金属層は、前記アンチ ヒューズをプログラミングする際、１ａｔｍ．％ボロンにドーピングされたシリ コンを有する溶断されたリンクが形成されるように、十分なボロンを有する、請 求項１３に記載のアンチヒューズ。 １５．前記ＴｉＷＢターゲットは、５−３０ａｔｍ．％のボロンを有する、請求 項１３に記載のアンチヒューズ。