DE2916732A1

DE2916732A1 - Verfahren zur herstellung eines fadenfoermigen widerstandselementes fuer eine integrierte schaltung

Info

Publication number: DE2916732A1
Application number: DE19792916732
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Corda; Vincenzo Daniele; Giuseppe Ferla; Andrea Ravaglia
Original assignee: ATES Componenti Elettronici SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1978-04-28
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1979-11-08
Also published as: US4310571A; IT7822788A0; FR2424629B1; IT1094517B; FR2424629A1; US4315239A; GB2020098A; GB2020098B; DE2916732C2; JPS54158655A; JPS6057228B2

Description

SGS - ATES Component! Elettronici S.p.A.

Verfahren zur Herstellung eines fadenförmigen Widerstandselementes für eine integrierte Schaltung

Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Herstellung integrierter Schaltungen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung fadenförmiger Widerstandselemente, die vor allem als "Schmelzsicherungen"in elektrisch programmierbaren Speichern verwendet werden.

Wie bekannt ist, besitzt ein elektrisch programmierbarer Speicher (im allgemeinen als EPROM aus dem Englischen Electrically-Programmable Read Only Memory bezeichnet) eine zweidimensionale Matrix aus Speicherzellen, von denen im. einfachsten Falle jede aus einer einzigen, aktiven Halbleiter - Komponente besteht und die jeweils mit den entsprechenden Leseleitungen über ein Schaltelement (Schmelzsicherung) verbunden sind, dessen spezifischer Widerstand in der Programmierungsphase sehr stark erhöht v/erden kann. In der Praxis ist dieses Element ein Wider-

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stand aus Metall oder dotiertem, polykristallinen] Silizium. Zur Programmierung des Speichers werden Ströme, die so hoch sind, daß sie die Sicherungen schmelzen können, jedoch nicht die aktiven Komponenten beschädigen, zu vorbestimmten Positionen der Matrix geleitet, um den logischen Zustand zu bestimmen. Die Ströme, die beim Betrieb der Vorrichtung während des Lesens durch die noch intakten Schmelzsicherungen fließen, sind zu gering, um ein Schmelzen dieser Sicherungen zu verursachen.

Gegenwärtig werden die Schmelzsicherungen mit Hilfe von "Dünnschicht" — Techniken hergestellt, d. h. , es werden dünne Streifen eines leitenden Materials auf einem isolierenden Substrat gebildet. Deren Widerstand wird bestimmt durch den Einfluß verschiedener elektrischer und konstruktiver Parameter wie beispielsweise die maximal zulässige Spannung in den Speicherzellen während der Programmierung, die zur Verfügung stehende Oberfläche oder der spezifische Widerstand des leitenden Materials» Es muß auch berücksichtigt werden, daß die Schmelzsicherungen für alle Zellen der Vorrichtung nicht genau übereinstimmen, sondern daß ihr Aufbau und ihre Abmessungen innerhalb bestimmter Grenzen variieren können, die durch die Herstellungstoleranzen vorgegeben sind. Daraus ergibt sich, daß die erforderliche Stromstärke für die Programmierung durch den kleinstmöglichen Widerstandswert vorgegeben ist.

Bei den mit bisher bekannten Techniken hergestellten Schmelzsicherungen ist dieser Minimalwert in vielen Fällen so klein, daß die Pragrammierungs - Stromstärke so hoch sein muß, daß sie für die aktiven Komponenten des Speichers gefährlich ist.

Einer der Parameter, der hauptsächlich die Bestimmung dieses Minimalwertes beeinflußt, ist die Breite der Schmelzsicherung, die aufgrund der Toleranzen, die dem Verfahren zur Festlegung des Streifens aus leitendem Material innewohnen, nicht kleiner sein kann als 2 - 3 um.

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Als Anhaltswert sei angegeben, daß zum Unterbrechen einer bekannten Schmelzsicherung mit einem Widerstand von 100OiI ein Stromimpuls von 30 mA mit einer Dauer von 0,3yü-sec. erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein "Verfahren zu schaffen, das die Herstellung von Widerstandselementen für eine integrierte Schaltung auf einem Körper aus Halbleitermaterial gestattet, welche eine sehr geringe Breite haben und "sich in vorteilhafter Weise zur Verwendung in elektrisch programmierbaren Speichern mit niedrigem Programroierstrom eignen«

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einem Verfahren gelöst, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

- Bildung einer Isolierschicht auf einer Hauptfläche des Körpers mit wenigstens einer tiefer liegenden Zone, die auf wenigstens einem Teil ihres Umfangs über eine Hinterschneidung mit dem Rest der Schicht so verbunden ist, daß ein Kanal entlang dem genannten Teil des Umfangs gebildet ist,

- Aufbringen einer Schicht aus nicht isolierendem Material auf die Isolierschicht mit der tiefer liegenden Zone und

- Abtragen wenigstens eines Bereiches der Schicht des nicht isolierenden Materials, die den Kanal aufweist, ohne die Entfernung des nicht isolierenden Materials, das auf die Wände des Kanals aufgetragen worden ist.

Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1a - e und Fig. 2a - f in vergrößerter Schnittdarstellung

einen Teil einer Halbleiteranordnung in aufeinanderfolgenden Bearbeitungs-

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phasen zur Herstellung eines Widerstandselementes nach zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 3 eine Draufsicht auf die Konstruktion,

die gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 erhalten wird β

Einein Fig. 1a mit 2 bezeichnete Scheibe _aus Halbleitermaterial, beispielsweise aus monokristallinem Silizium, sei mit Hilfe bekannter Verfahren in geeigneter Weise für die Herstellung einer in der Zeichnung nicht dargestellten integrierten Schaltung bearbeitet. Auf eine Oberfläche der Scheibe 2 wird eine Schicht 4 aus dielektrischem Material aufgebracht, die eine Dicke τοη etwa 1 jxm hat. Diese Schicht 4 kann beispielsweise aus Silizium Dioxid bestehen, das dadurch erhalten wird, daß man die Scheibe aus Silizium bei hoher Temperatur (900° C) oxydieren läßt. Anschließend wird die Schicht, 4 mit einer Schicht 6 τοη etwa 0,4A*-m Dicke aus einem anderen dielektrischen Material überzogen, beispielsweise aus Silizium - Nitrid, das durch chemische Bedampfung (CVD = chemical vapour deposition) erhalten wird.

Die Schicht 6 wird nun teilweise abgetragen, wobei ein bekanntes Photolithographie - Verfahren und ein chemisches Ätzen, beispielsweise in warmer Phosphorsäure, angewendet werden (Fig. 1b).

Dann wird die Schicht 4 aus Silizium - Dioxid einem isotropen Ätzvorgang mit einer Substanz unterworfen, die bezüglich des Silizium - Nitrids nicht aktiv ist, beispielsweise mit Fluorwasserstoffsäure. Die Säure läßt man über eine Zeit einwirken, die ausreicht, um die Schichtdicke der Schicht 4 in dem nicht mehr von der Schicht 6 bedeckten Bereich auf etwa die Hälfte zu verringern. Aufgrund der Isotropie des chemischen Ätzens bildet sich unter dem Rand der Schicht 6 ein Kanal 8 (Fig.1c).

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Anschließend wird die gesamte Oberfläche der Scheibe mit einer Schicht 10 aus leitendem Material überzogen. Dieses kann aus polykristallinen! Silizium bestehen, da3 man durch thermisches Niederschlagen (cracking) τοη Silan (SiH-) bei hoher Temperatur in Anwesenheit von Phosphor - oder Arsen - Dotierstoffen, die der Schicht 10 einen spezifischen Widerstand von 2 ϊ 10 " ΧΣ» cm verleihen, wachsen läßt.

Schließlich wird die leitende Schicht 10 einem isotropen Ätzvorgang mit einer Mischung unterworfen, beispielsweise aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure, und zwar über einen Zeitraum, der gerade ausreicht, um die Oberflächen der Schicht und der Schicht 6 freizulegen. Im Kanal 8 verbleibt ein Faden aus dotiertem, polykristallinen Silizium, dessen Querschnittsform einem Halbkreis von etwa 0,5y^m Durchmesser entspricht.

Vor diesem letzten chemischen Ätzen wurden diejenigen Teile der leitenden Schicht 10, die die Anschlüsse des durch den Faden gebildeten Widerstandselementes bilden sollen, durch gebräuchliche Photolithographie - Techniken abgedeckt. Diese Teile sind in Fig. 3 durch zwei zueinander parallele Streifen 14 dargestellt. Der Abstand zwischen den Streifen 14 wird beim Entwurf aufgrund des Widerstandes ermittelt, der durch das Widerstandselement erzielt werden soll.

Das auf diese Weise hergestellte Widerstandselement besteht aus zwei halbzylindrischen Fäden 12, <3ie man dadurch einem einzigen, zylindrischen Faden mit einem Durchmesser von 0,5yU-m gleichstellen kann. Selbstverständlich ist es möglich, nur einen der beiden Fäden zu verwenden, indem man den anderen Faden unterbricht und ihn vom ersten Faden durch bekannte Techniken isoliert.

Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, daß der minimale Schmelzstrom zum Unterbrechen einer erfindungsgemäß, hergestellten Schmelzsicherung von 1000 SL, bei dem das oben beschriebene Ma-» terial und die genannten Abmessungen angewendet werden, etwa 4

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bei einer Dauer von 0,3 te, see, beträgt.

Abgesehen davon, daß eine Schmelzsicherung gemäß der Erfindung einen Sehmelzstrom erfordert, der wesentlich (mehr als 7faeh) geringer ist als der für eine Sicherung desselben Widerstandes, die nach, gebräuchlichen Verfahren mit einer dünnen Schicht desselben spezifischen Widerstandes hergestellt worden ist, erforderliche Strom, ist darauf hinzuweisen, daß die Sicherung gemäß der Erfindung eine geringere länge hat, wie sich leicht anhand der bekannten Beziehung R. = § . l/s nachweisen läßt (R = Widerstand, 3 = spezifischer Widerstand, 1 = länge, s = Querschnittsfläche). Bas stellt einen weiteren Vorteil bezüglich des Standes der Technik dar, denn es erlaubt eine größere Integrationsdichte in den Fällen, in denen die länge traditioneller Schmelzsicherungen eine Grenze für die Abmessungen der Speicherzellen darstellte.

In den "Figuren 2a - f ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei analoge Elemente dieselben Bezugszeichen tragen wie in den Figuren 1a - e«

Auf eine^r Scheibe 2 aus monokristallinem Silizium,die ±n geeigneter Weise bearbeitet ist, läßt man eine Schicht 4 aus Silizium Dioxid wachsen, die anschließend mit einer Schicht 6' aus polykristallinem Silizium überzogen wird (Fig. 2a). Die zuletzt genannte Schicht 6' wird mit bekannten Maskierunqsmethoden und durch chemisches Ätzen' teilweise wieder abgetragen (Fig. 2b). Dann wird die Schicht 4 aus Silizium - Dioxid einem isotropen Ätzverfahren unterworfen, das gegenüber dem polykristallinen Silizium nicht w<xksam i_st, so daß ein Kanal 8 gebildet wird (Fig. 2c)₀ Dann wird die Schicht 6^! mit einem Überzug 16 aus Silizium Dioxid versehen, beispielsweise durch Oxydation bei hoher Temperatur (Fig. 2d). Anschließend wird wie beim Beispiel der Figuren 1a - e die gesamte Scheibe mit einer Schicht 10 aus dotiertem, polykristallinen Silizium überzogen (Fig. 2e), die anschließend so abgetragen wird, daß lediglich ein Faden 12 im Kanal 8 (Fig. 2f) und -zwei Streifen 14 für den Anschluß an andere Koxn-Donenten der integrierten Schaltung frei bleiben (?ig.3).

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Einem Fachmann ist es verständlich, daß wenigstens einige der

der

Bearbeitungsphasen zur Herstellung^v"Schmelzsicherungen" Standardphasen zur Herstellung einer integrierten Schaltung sein können, bei der die "Schmelzsicherungen" Einzelteile sind. Beispielsweise kann die Schicht aus polykristallinem Silizium, die dazu dient, die Fäden 12 herzustellen, dieselbe sein, die verwendet wird, um Widerstände aus einer dünnen Schicht oder Leiter zwischen Komponenten der integrierten Schaltung herzustellen; auch kann die erste Schicht 6¹ aus polykristallinem Silizium im Beispiel der Figuren 2a - f dieselbe sein, die erforderlich ist, um die Steuerelektrode (gate) eines Transistors vom Typ IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) herzustellen.

Obwohl vorstehend nur zwei besondere Anwendungsfälle des erfindungsgemäß vorgesehenen Verfahrens beschrieben und dargestellt worden sind, ist es selbstverständlich, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens zahlreiche andere Anwendungsfälle und Varianten möglich sind«, Beispielsweise kann die Abtragung der Schicht 10 aus polykristallinem Silizium durch eine bekannte Technik wie die Ionen - Bombardierung (Ionenätzung) durchgeführt werden, anstatt hierfür die chemische Ätzung einzusetzen; darüber hinaus kann das erfindungsgemäß hergestellte Widerstandselement anstatt als Schmelzsicherung als Widerstand in einer integrierten Schaltung verwendet werden, und die leitende Schicht 10 kann anstatt aus polykristallinen] Silizium aus Metall bestehen.

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Claims

Patentan Sprüche

Verfahren zur Herstellung von Widerstandselementen für eine integrierte Schaltung auf einem Körper aus Halbleitermaterial, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Bildung einer Isolierschicht (4) auf einer Hauptfläche des Körpers mit wenigstens einer tiefer liegenden Zone, die auf wenigstens einem Teil ihres Umfangs über eine Hinterschneidung mit dem Rest der Schicht (4) so verbunden ist, daß ein Kanal (8) entlang dem genannten Teil des Umfangs gebildet ist,

- Aufbringen einer Schicht.(10) aus nichtisolierendem Material auf die Isolierschicht (4) mit der tiefer liegenden Zone und

- Abtragen wenigstens eines Bereiches der Schicht (10) des nicht isolierenden Materials, die den Kanal (8) aufweist, ohne die Entfernung des nicht isolierenden Materials, das auf die Wände des Kanals (8) aufgetragen worden ist.

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, Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt zur Bildung einer Isolierschicht (4) mit wenigstens einer tiefer liegenden Zone umfaßt:

- Bildung einer ersten Schicht (4) aus isolierendem Material auf der Hauptfläche des Körpers,

- Aufbringen einer zweiten Schicht (6) eines zweiten isolierenden Materials auf die erste Schicht (4),

-*■ Abtragen eines Teils der zweiten isolierenden Schicht (6) bis zum Freilegen der darunterliegenden, ersten Schicht (4) und

- Einwirkung einer isotropen chemischen Ätzung

auf die so frei gelegte, erste Schicht (4) mit einem bezüglich des zweiten isolierenden Materials (6) im wesentlichen nicht aktiven Medium.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt zur Bildung einer Isolierschicht (4) mit wenigstens einer tiefer liegenden Zone umfaßt:

- Bildung einer ersten Schicht (4) aus isolierendem Material auf der Hauptfläche des Körpers,

- Aufbringen einer zweiten Schicht (6') eines nicht isolierenden Materials auf die erste Schicht (4),

- Abtragen eines Teils der zweiten ; nicht isolierenden Schicht (6·) bis zum Freilegen der darunterliegenden, ersten Schicht(4),

- Einwirkung einer isotropen chemischen fitzung auf die so frei gelegte, erste Schicht (4) mit einem bezüglich des nicht isolierenden Materials (6')i.^m wesentlichen nicht aktiven Medium und

- Aufbringen eines Überzugs (16) aus isolierendem Material auf die zweite Schicht (6¹).

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4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als nicht isolierendes Material polykristallines Silizium verwendet wird.

5· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (10) aus nicht isolierendem Material, die auf die Isolierschicht (4) aufgebracht ist, eine Schichtdicke hat, die wenigstens gleich der Hälfte der Breite des Kanals (8) ist, und daß der Verfahrensschritt des Abtragens wenigstens eines Bereiches der Schicht (10) ohne die Entfernung des nicht isolierenden Materials, das auf die Wände des Kanals (8) aufgetragen worden ist, mittels eines chemischen Ätzvorgangs durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Abtragens wenigstens eines Bereiches der Schicht (10) aus nicht leitendem Material, das auf die Isolierschicht (4) aufgebracht worden ist, ohne die Entfernung des nicht isolierenden Materials, das auf die Wände des Kanals (8) aufgetragen worden ist, mittels Ionen - Bombardierung durchgeführt wird.

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