DE19931082B4 - Abgleichbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein Halbleiterbauelement mit einem programmierbaren Element vorgeschlagen, das zur Programmierung eines integrierten elektrischen Schaltkreises am Ende des Herstellungsprozesses des Halbleiterbauelements dienen kann. Das Halbleiterbauelement umfaßt hierzu zwei leitende Schichten, die von einer Isolationsschicht getrennt sind und die in leitender Verbindung miteinander gebracht werden können, indem vertikal zur Oberfläche des Bauelements, auf dem die leitenden Schichten angeordnet sind, kurzzeitig ein Programmierstrom fließt.

Description

• Die Erfindung geht aus von einem Halbleiterbauelement, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon aus der JP 52 18 455 ein irreversibel programmierbares Element enthaltendes Bauelement bekannt, bei dem jedoch das programmierbare Element durch einen PN Übergang in Form einer Zappingdiode gebildet wird. Zappingdioden haben den Nachteil, daß zu ihrer Programmierung relativ hohe Ströme, beispielsweise in der Größenordnung von 300–400 mA, benötigt werden.
• Aus der EP 0 323 078 ist ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem kapazitive Strukturen unter Verwendung von Polysilizium als irreversibel programmierbare Elementen eingesetzt werden.
• Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruch hat dem gegenüber den Vorteil, daß nur relativ kleine Ströme, beispielsweise im mA-Bereich, zur Programmierung beziehungsweise zum Abgleich des Bauelements benötigt werden. Somit sind keine hochstromtragfähigen Bauelemente zu integrieren, die einzig und allein zum einmaligen Abgleich des Bauelements benötigt würden. Damit sind insbesondere großflächige Schalttransistoren zum Abgleich des Bauelements entbehrlich. Das Abgleichelement ist darüber hinaus hochtemperaturbeständig und kann somit zum Abgleich eines integrierten ASIC's (Anwenderspezifischer Integrierter Schaltkreis) verwendet werden, der unter widrigen Umweltbedingungen eingesetzt werden soll. Ferner handelt es sich um ein langzeitbeständiges Abgleichelement.
• Erfindungsgemäß ist mindestens die erste leitende Schicht aus Polysilizium aufgebaut, da das Polysilizium das Abgleichelement thermisch vom darunter liegenden Substrat isoliert und somit die bei der Programmierung entstehende Hitze relativgut in dem Bereich gehalten wird, wo sie benötigt wird, um durch eine Materialschmelze eine leitende Verbindung herzustellen. Wird darüber hinaus auch die zweite leitende Schicht aus Polysilizium aufgebaut, so geht das Programmieren des Elements besonders effektiv vonstatten, weil beide Schichten die gleichen Materialeigenschaften besitzen (höhere Zuverlässigkeit). Darüber hinaus sind bei der Herstellung des Bauelements keine zusätzlichen Prozeßschritte für das irreversibel programmierbare Element erforderlich, falls das Bauelement ohnehin Polysiliziumschichten aufweist.
• Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Bauelements möglich.
• Ist die zweite Schicht relativ dünn ausgelegt, so kann der darüber liegende insbesondere metallische Kontakt verstärkt zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung durch Legierungsbildung mit dem Schichtmaterial und Materialwanderung durch die Isolationsschicht hindurch bei relativ niedrigen Programmierströmen beitragen.
• Wird das aus den beiden leitenden Schichten, der dazwischen liegenden Isolationsschicht und den zugeordneten Kontakten bestehende irreversibel programmierbare Element durch eine Isolationsschicht von der Oberfläche des Substrats isoliert, so können zum einen keine Programmierströme die darunter liegenden logischen Schaltkreise beeinflussen und zum anderen wird darüber hinaus noch effektiver die ein Programmiervorgang entstehende Hitze auf dem Bereich isoliert, in dem der Schmelzvorgang erfolgen soll. Durch letzteres wird zum einen der darunter liegende Halbleiterkörper vor thermischer Belastung geschützt, zum anderen bleibt die Wärme dort, wo sie benötigt wird, was wiederum zur Senkung des benötigten Stroms beziehungsweise der benötigten Energie beim Abgleich beiträgt.
• Zeichnung
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine Draufsicht auf das irreversibel programmierbare Element, 2a eine Seitenansicht vor und 2b eine Seitenansicht nach Programmierung des Elements.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• 1 zeigt eine erste Polysiliziumschicht 10 in Draufsicht, die über einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, das in der Figur nicht dargestellt ist. Die erste Polysiliziumschicht 10 ist mit einem Aluminiumkontakt 13 versehen. Auf der ersten Polysiliziumschicht 10 ist eine kleinere zweite Polysiliziumschicht 12 angeordnet, wobei sich zwischen der ersten Polysiliziumschicht 10 und der zweiten Polysiliziumschicht 12 eine in 1 nicht dargestellte dielektrische Schicht zur elektrischen Isolation der beiden Polysiliziumschichten voneinander befindet. Die zweite Polysiliziumschicht 12 ist mit einem Aluminiumkontakt 14 versehen, der im wesentlichen die gesamte Oberseite der zweiten Polysiliziumschicht bedeckt. Die mit dem Buchstaben A und A' gekennzeichnete gestrichelte Linie stellt eine Orientierungslinie dar, die den Schnitt der in 2 dargestellten Querschnittsseitenansicht markiert.
• Das unprogrammierte Element ist ein offener Schaltkreis, da die beiden leitenden Schichten 12 und 10 durch eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht voneinander isoliert sind. Um das Element zu programmieren, ist eine elektrische Spannung zwischen den beiden Schichten anzulegen, die größer ist als die dielektrische Durchbruchspannung der Isolationsschicht zwischen den beiden Polysiliziumschichten. Dann bricht die Isolationschicht durch und ein Strom fließt. Der Stromfluß wird so lange aufrecht erhalten und auf solch einem Niveau aufrecht erhalten, daß sich das Element erhitzt. Diese Hitze läßt das Aluminium des Kontakts 14 in die zweite Polysiliziumschicht 12 migrieren, so daß eine Silizium-Aluminiumlegierung entsteht. Dies wiederum verursacht eine Migration des Silizium-Aluminiumgemischs durch die Isolationsschicht hindurch in die erste Polysiliziumschicht. Ist dies geschehen, so hat sich ein niederohmiger Stromkanal ausgebildet und der Stromfluß wird abgeschaltet. Nach diesem Programmiervorgang ist irreversibel eine niederohmige Verbindung zwischen den beiden Kontakten 13 und 14 hergestellt.
• In der Querschnittseitenansicht der 2A ist nun neben den beiden Polysiliziumschichten 10 und 12 auch der Querschnitt des darunter liegenden Halbleitersubstrats 20 ersichtlich. Zwischen der Oberfläche 23 des Substrats und der ersten Polysiliziumschicht 10 ist eine dielektrische Schicht 21 (mit einer Schichtdicke von bis zu 1μm unterhalb der Schicht 10) angeordnet, die mit der dielektrischen Teilschicht 21A zwischen der ersten Polysiliziumschicht 10 und der zweiten Polysiliziumschicht 12 in Verbindung steht.
• Die Teilschicht 21a hat eine Schichtdicke von weniger als 100 nm. Die zweite Polysiliziumschicht 12 ist dünner ausgelegt als die erste Polysiliziumschicht 10, die ihrerseits eine Dicke von weniger als 0,5 μm aufweist. Sie ist ferner kürzer als die darunter liegende erste Polysiliziumschicht 10.
• 2A stellt das erfindungsgemäße Bauelement in unprogrammiertem Zustand dar. Der Bereich, in dem bei der Programmierung ein Stromfluß folgen kann, wird durch die Lage der zweiten Schicht 12 auf der ersten Schicht 10 definiert. Weiterhin beeinflußt die Größe des Aluminiumkontakts 14 den Bereich des möglichen Stromflusses. Dieser ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel relativ klein ausgeführt, kann aber durchaus größere Bereiche beziehungsweise den größten Teil der Oberfläche der zweiten Polysiliziumschicht 12 bedecken.
• 2B zeigt das Halbleiterbauelement in programmiertem Zustand, in dem Element einen elektrischen Verbindungsbereich 30 aufweist, der zwischen dem Kontakt 14 und dem Kontakt 13 eine permanente niederohmige Verbindung herstellt.
• Dieser Verbindungsbereich 30 besteht im wesentlichen aus einer Silizium-Aluminiumlegierung, wobei er natürlich auch noch kleine Anteile der ursprünglich an dieser Stelle vorhandenen dielektrischen Schicht aufweist. Im wesentlichen jedoch ist eine niederohmige Verbindung durch einen kurzen Strompuls hergestellt worden, der zwischen den Kontakten 13 und 14 während des Programmiervorgangs geflossen ist, wobei die dabei zwischen den Kontakten 14 und 13 angelegte Spannung zu Beginn mindestens die Durchbruchspannung der dielektrischen Schicht 21A übersteigen mußte, um einen Stromfluß auszulösen, der nachfolgend den Schmelzverbindungsbereich 30 durch Migration von Aluminium bzw. Siliziummaterial bewirkt. Die Anordnung des Metallkontakts 14 direkt über dem Bereich, in dem die niederohmige Verbindung hergestellt werden soll, erweist sich als äußerst vorteilhaft in dem Bestreben, irreversibel eine hochtemperatur- und langzeitbeständige niederohmige Verbindung herstellen zu können, die sowohl wenig Platz als auch nur moderate Programmierströme sowie kurze Programmierzeiten benötigt. Der niedrige Platzbedarf resultiert dabei zum einem aus der vertikalen Anordnung an sich, zum anderen aus der vorteilhaften Migration des direkt über dem Programmierbereich in kleinem Abstand zum Programmierbereich angeordneten Aluminium-materials, in Verbindung mit der Verwendung von Polysilizium als Schichtenmaterial.Zener-Zapping-Techniken beispielsweise benötigen hingegen große Ströme zur Programmierung, das bedeutet, daß der Programmierstrom entweder extern zu schalten ist, was zur Folge hat, daß für jedes Bit ein Testpad benötigt wird oder aber daß große hochstromtragfähige Schalttransistoren auf dem yp integriert werden müssen. Beide Optionen sind jedoch äußerst flächenintensiv und beschränken die Methode der Programmierung eines anwenderspezifischen Schaltkreises im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Anordnung auf höchstens 100 Bits.

Claims (5)

1. Halbleiterbauelement mit mindestens einem irreversibel programmierbaren Element (14, 12, 21a; 10), bei dem auf der Oberfläche (23) eines Substrats (20) des Halbleiterbauelements eine erste leitende Schicht (10) des Elements angeordnet ist, auf der ersten leitenden Schicht (10) eine Isolationsschicht (21a) und auf der Isolationsschicht eine zweite leitende Schicht (12) des Elements aufgebracht ist, auf der zweiten leitenden Schicht ein elektrischer Kontakt (14) aufgebracht ist, so daß bei hinreichend großer angelegter elektrischer Spannung zwischen dem elektrischen Kontakt (14) und der ersten Schicht (10) durch einen kurzzeitigen Stromfluß senkrecht zur. Oberfläche (23) eine elektrisch leitende Schmelzverbindung zwischen der ersten (10) und der zweiten Schicht (12) herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des elektrischen Kontakts Aluminium ist und zur niederohmigen Überbrückung der Isolationsschicht (21a) beiträgt, wobei von den beiden leitenden Schichten (10, 12) mindestens die erste leitende Schicht (10) aus Polysilizium besteht.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (12) dünner ist als die erste Schicht (10).
3. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt (14) bis auf einen schmalen Randbereich den größten Teil der zweiten Schicht (12) bedeckt.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberfläche (23) des Substrats und der ersten leitenden Schicht (10) eine Isolationsschicht (21) angeordnet ist.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Substrat Halbleitergebiete angeordnet sind zur Ausbildung eines ASIC-Bauelements, dessen Abgleich mittels des mindestens einen Elements (14, 12, 21a, 10) insbesondere am Ende eines Herstellungsprozesses des Halbleiterbauelements bewerkstelligbar ist.