JP2008060564A - 異なる熱安定性の抵抗材料を有する電気ヒューズ - Google Patents

異なる熱安定性の抵抗材料を有する電気ヒューズ Download PDF

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Abstract

【課題】比較的低電圧で単一のプログラミングパルスにより確実にプログラミングできる電気ヒューズの提供。
【解決手段】基板25上に形成された抵抗を有する電気ヒューズである。抵抗は、第1の領域10と第1の領域に埋め込まれた第2の領域12を有する。第1の領域10は第1の材料で形成され、第2の領域12は第1の材料よりも熱安定性が低い第2の材料で形成される。異なる熱安定性のため、第2の領域12は、プログラミング電圧が印加されるときに破断しやすい。このように形成した電気ヒューズはより信頼性が増し、使われるプログラミング電圧をより低くできる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気ヒューズ(eヒューズ)に関し、特に異なる熱安定性の材料で製造された抵抗を使用するeヒューズに関する。
電気ヒューズ(eヒューズ)は、いくつかの利点のため、多くの大規模集積回路(LSI)製品チップにおいてレーザヒューズに代るものとされている。その利点には、チップ上の占有スペースがより少ないこと、low−k誘電体を有するバックエンド集積方式においてフレキシブル性が増すこと等がある。また、eヒューズはレーザヒューズよりも腐食、亀裂、スプラッタの発生を受けにくい。
ほとんどのeヒューズは、その破断によって抵抗の値を変えるように設計されている。一般に、感知電圧とプログラミング電圧は、抵抗を破断するのに十分な大きさ(例えば3.3V)である。プロセス技術がますます小さい形状に進むにつれて、最大動作電圧は低い値に縮小しており、eヒューズに対する電力を得ることをさらに困難にしている。また通常、電流をeヒューズへ送る金属被覆した電力バスを大きくする必要がないよう、プログラミング動作により必要とされる電流量を最小にすることが望ましい。
重要な電圧の制限に直面する場合、例えばサブナノメートル技術において、eヒューズのプログラミングで生じる共通の困難性の1つは、単一のプログラミングパルスにおいてヒューズが確実にとぶように十分な電力を供給することである。時には、複数のプログラミングパルスが、所望の抵抗を得るために必要とされ、eヒューズの信頼性を低下させ、効率を悪くする。
改良されたeヒューズ、特に改善された信頼性を有し比較的低電圧でプログラミングすることができるeヒューズが必要とされている。
本発明は、一観点によれば、基板上に形成された抵抗を有する電気ヒューズ(eヒューズ)を対象にしている。抵抗は、第1の領域を規定する第1の材料と、その第1の領域中に埋め込まれる第2の領域を規定する第2の材料とを有する。第2の材料は、第1の領域よりも低い熱安定性を有する。プログラミング電圧が印加されるとき、抵抗は第1の領域よりも第2の領域で破断しやすい。
第1の実施形態では、eヒューズはポリシリコン上に金属シリサイド、例えばニッケルシリサイドを有する第1の領域と、ポリシリコンゲルマニウム上に金属シリサイドを有する第2の埋め込まれた領域とを有する抵抗を含んでいる。埋め込まれた領域に存在する材料、例えばニッケルシリサイドゲルマニウム(NiSi(1−y)Ge)は、外部部分に存在するニッケルシリサイドよりも熱的に安定していない。eヒューズは、この材料の低い熱安定度のためプログラミング電圧を印加されると第2の領域で破断しやすい。
第2の実施形態では、eヒューズは、金属シリサイドの外部部分と、基板上に形成され金属シリサイド層の深さ全体よりは浅く延在するポリシリコンの内部部分とを有する抵抗を含んでいる。第1の領域は、金属シリサイドのより厚い部分により規定され、第2の領域はポリシリコンの内部部分に重なる金属シリサイドのより薄い部分により規定される。この領域の金属シリサイドの薄い層は、隣接する領域の金属シリサイドのより厚い領域よりも熱的に安定ではない。そのため、第2の領域はプログラミング電圧が印加されると、第1の領域よりも破断しやすい。
第3の実施形態では、eヒューズは基板上に形成された二金属抵抗を有している。その抵抗は、第1の領域を規定するコバルトシリサイドのような第1の金属の外部部分と、第2の領域を規定するニッケルシリサイドのような第2の金属の内部部分とを有する。薄い内部部分は、より厚い外部部分よりも熱的安定度が低い。そのため、内部領域はプログラミング電圧が印加されると外部部分よりも破断しやすい。
第4の実施形態では、eヒューズはシリコン・オン・インシュレータ基板上に形成され、シリコンで形成される外部部分と、シリコンゲルマニウムで形成される内部部分とを有する。金属シリサイド層は、シリコン上の金属シリサイドの第1の領域とシリコンゲルマニウム上の金属シリサイドゲルマニウムの第2の領域とを規定する内部部分及び外部部分を覆って設けられる。この第2の領域の材料は、第1の領域の金属シリサイドよりも熱的安定度が低く、そのためプログラミング電圧が印加されると破断しやすい。
第5の実施形態では、eヒューズは、シリコン・オン・インシュレータ基板上に形成される抵抗を有している。その抵抗は、シリコンで形成される外部部分と、シリコン部分により全体的に包囲されるシリコンゲルマニウムで形成される内部部分とを含んでいる。金属シリサイド層は、シリコン上に設けられ、シリコン上の金属シリサイドの第1の領域と、シリコンゲルマニウム上のシリコン上の金属シリサイドの第2の領域とを規定する。下にシリコンゲルマニウムを有する第2の領域の金属シリサイドは、第1の領域の金属シリサイドよりも熱的安定度が低く、そのためプログラミング電圧が印加されると破断しやすい。
第6の実施形態では、eヒューズは、上にシリコンゲルマニウムの層を有する絶縁体基板上に形成された抵抗を有している。抵抗の外部部分はシリコンで形成され、内部部分は金属シリサイドゲルマニウムで形成される。金属シリサイド層は、シリコン領域上に設けられ、シリコン上の金属シリサイドの第1の領域と、シリコンゲルマニウム上の金属シリサイドゲルマニウムの第2の領域とを規定する。第2の領域の金属シリサイドゲルマニウムは、第1の領域の金属シリサイドよりも熱的安定度が低く、そのためプログラミング電圧が印加されると破断しやすい。
本発明のeヒューズは、より信頼性があり予測可能なプログラミングに備える。さらにeヒューズは、熱安定性がより低い領域のためより低い電圧でプログラムすることができる。
本発明の目的、特徴、利点は、以下の本発明のある実施形態のより詳細な説明と添付図面から明白になるであろう。
なお、以下の説明において素子間の様々な接続について説明する。これらの接続は、一般に、特に明記されていなければ直接的でも間接的でもよく、本明細書はこの点に関して限定することを意図していない。
本発明のeヒューズは、様々な用途に使用することができ、その限定ではない実例には、シリコン・オン・インシュレータの相補型金属酸化物半導体の大規模システム集積回路(SOI CMOS LSI)装置、バルクCMOS・LSI装置、プログラム可能な読取り専用メモリ(PROM)、現場でプログラム可能なゲートアレイ(FPGA)、プログラム可能なアレイロジック(PAL)装置、SRAM及び/またはDRAMを有する超大規模システム集積回路(VLSI)チップが含まれる。
図1及び図2Aは、本発明の第1の実施形態によるeヒューズの平面図及び断面図をそれぞれ示している。eヒューズは、シャロートレンチアイソレーション(STI)基板25上に形成された抵抗を有する。抵抗は、ポリシリコンで形成される外部部分10とポリシリコンゲルマニウム(poly−Si(1−x)Ge)で形成される内部部分12とを有している。また、抵抗は外部部分10及び内部部分12上の金属シリサイド層14を含んでおり、ポリシリコン上のニッケルシリサイドの第1の領域と、ポリシリコンゲルマニウム上のニッケルシリサイドゲルマニウム(NiSi(1−y)Ge)の第2の領域をそれぞれ規定している。
ニッケルシリサイド(NiSi)の代りとして、金属シリサイド層14を多数の他のタイプの金属シリサイドから選択することができ、その限定的ではない例には、コバルトシリサイド(CoSi)、チタニウムシリサイド(TiSi)、パラジウムシリサイド(PdSi)、プラチナシリサイド(PtSi)、イッテルビウムシリサイド(YbSi)、エルビウムシリサイド(ErSi)が含まれており、ここでxは0.3乃至2である。
本明細書中で用語が使用される際に、領域は、その表面領域が他の領域内に全体的にまたは部分的に含まれるとき、別の領域中に「埋め込まれる」と考えられる。例えば、図2に示す実施形態では、(内部領域のポリシリコンゲルマニウム12により規定され、その上に金属シリサイド層14の部分が重なっている)第2の領域は、方形の断面を有し、その3つの側面が(ポリシリコン10により規定され、その上に金属シリサイド14の部分が重なっている)第1の領域に接触している。以下さらに詳しく説明する図6の実施形態では、(内部部分32により規定されている)第2の領域は、方形の断面を有し、その2つの側面は(外部部分24により規定されている)第1の領域に接触している。その他の変形は、本発明の技術的範囲を逸脱せずに行うことができる。例えば、第2の領域は、第1の領域内に含まれる1つまたはそれ以上の表面を有する方形ではない断面を有することができる。
第2の領域の材料は第1の領域の材料よりも熱的に安定ではないので、第2の領域はプログラミング電圧が印加されるときに破断しやすい。図1及び2に示されている実施形態の金属シリサイド層14では、例えば、内部部分に存在するニッケルシリサイドゲルマニウム(NiSi(1−y)Ge)は、外部部分に存在するニッケルシリサイドよりも熱的に安定ではない。また、低い熱安定度のニッケルシリサイドゲルマニウムは、eヒューズが低いプログラミング電圧で破壊することを可能にする。典型的には、効率的なプログラミング電圧は通常のeヒューズの代表値である3.3Vと比較して、典型的には約1.8乃至2.5の範囲である。別の利点は、低い熱安定性によりeヒューズが破断する位置、即ち第2の領域を確実に予測できることである。
図1を参照すると、抵抗の例示的な寸法は、200乃至5000nmの全長hを含んでいる。ヒューズの長さhは100乃至1500nmであり、ヒューズの幅lは10乃至150nmである。図2Aを参照すると、抵抗の深さdは30乃至200nmであることができる。図2Bを参照すると、埋め込まれた第2の領域12は、約20−200nmの長さwと、約10−100nmの深さdを有することができる。第2の領域12の幅は、ヒューズの幅lと同じであってもよい。これらの寸法は例示であり限定ではないことを認識すべきである。eヒューズ及び/またはそのコンポーネントの実際の寸法は、与えられた例示的な寸法から変化してもよい。
図3及び4は、十分にケイ化された(FUSI)ゲートを使用している本発明の第2の実施形態によるeヒューズを示している。このeヒューズは、STI基板25上に形成された抵抗を有している。抵抗は、ニッケルシリサイド18(NiSi)のような外部部分の金属シリサイドと、基板25上に形成され、ニッケルシリサイド18層の深さ全体までは延在しない内部部分のポリシリコン22を有する。第1の領域はニッケルシリサイド18の厚い部分により規定され、一方、第2の領域はポリシリコン22に重なるニッケルシリサイド18の薄い部分により規定される。薄い部分のニッケルシリサイドの厚さは、例えば約10−100nmの範囲である。NiSiのこの薄い層は、隣接する領域のより厚いNiSi部分よりも熱的に安定していない。その理由は、薄いNiSi層が凝集する傾向があるためである。そのため、第2の領域はプログラミング電圧が印加されるとき、第1の領域よりも破断しやすい。
第2の実施形態のeヒューズは、以下のようなステップを用いて製造することができる。通常のCMOSプロセスを使用してゲート電極のパターニング及びソース/ドレインの形成が行われた後、ゲートポリシリコンは過剰なNi金属をスパッタリングすることにより十分にケイ化される。この構造はFUSIとして知られている。FUSIの形成中、薄い酸化シリコン層がポリゲートの上部に存在すると、NiSiの成長が抑制される。この実施形態では、NiSiの薄い層は薄い酸化シリコン層を有する部分でのみ生成される。
図5及び6は、本発明の第3の実施形態によるeヒューズを示している。このeヒューズは、STI基板25上に形成された二金属抵抗を有する。抵抗はコバルトシリサイド24(CoSi)のような第1の金属の外部部分と、ニッケルシリサイド32のような第2の金属の内部部分とを有する。第1の領域はコバルトシリサイド24により規定され、第2の領域はニッケルシリサイド32により規定される。薄いニッケルシリサイド32の内部部分は、厚いコバルトシリサイド24の外部部分よりも熱的に安定ではない。そのため、ニッケルシリサイド32はプログラミング電圧が印加されるとコバルトシリサイド24よりも破断しやすい。使用することができる第1及び第2の他の組み合わせの限定ではない例は、それぞれNiSiとNiSi、WとNiSi、TiNとNiSi、及びTaCとNiSiを含んでいる。
第3の実施形態のeヒューズは、置換ゲートを有するデュアル金属ゲートプロセスを用いて製造することができる。このプロセスは、2つのタイプの金属を使用する点を除いて、FUSIと類似している。ダミーポリゲートの一部分は、第1の金属(例えば、図6の領域24)で置換され、ダミーポリゲートの別の部分はハードマスク(例えば、図6の領域32)を用いて置換されないように保護される。第1の金属24の形成後、残りのダミーポリゲートは第2の金属32を形成するために十分にケイ化される。
図7及び8は、本発明の第4の実施形態によるeヒューズの平面図と断面図をそれぞれ示している。この抵抗はシリコン・オン・インシュレータ(SOI)基板35上に作成される。絶縁体は、例えば二酸化シリコン(SiO)であってもよい。抵抗は、シリコンで形成される外部部分40とシリコンゲルマニウム(Si(1−x)Ge)で形成される内部部分42とを含んでいる。内部部分は、例えば約20−200nmの長さと、約10−100nmの深さを有することができる。金属シリサイド層14は、外部部分40及び内部部分42上に設けられる。ニッケルシリサイドが金属シリサイドとして使用される場合、第1の領域はシリコン上のニッケルシリサイドを含み、第2の領域はシリコンゲルマニウム上のニッケルシリサイドゲルマニウム(NiSi(1−y)Ge)を含む。第2の領域のNiSi(1−y)Geは、第1の領域のNiSiよりも熱的に安定ではなく、それゆえプログラミング電圧が印加されると破断しやすい。
第4の実施形態の構造は、埋め込まれたSiGeソース/ドレインにより製造することができ、これは進歩したCMOSプロセスで商業的に使用されている。SOI基板は、部分42でエッチングすることができ、その後にシリコンゲルマニウムの選択エピタキシャル成長が行われる。部分40は、通常の技術を使用して、このエッチングと選択SiGe成長から保護することができる。
図9及び10は、本発明の第5の実施形態によるeヒューズの平面図と断面図をそれぞれ示している。抵抗は、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)基板35に作成される。抵抗は、シリコンで形成された外部部分40とシリコンゲルマニウム(Si(1−x)Ge)で形成されシリコン部分40により全体的に包囲された内部部分43とを含んでいる。内部部分43は、例えば約20−200nmの長さと、約10−100nmの深さを有することができる。内部部分43上方の領域のシリコンの厚さは、約5乃至約30nmであることができる。ニッケルシリサイドのような金属シリサイドの層14は、シリコン40上に設けられ、シリコン上のニッケルシリサイドの第1の領域と、シリコンゲルマニウム(Si(1−x)Ge)上のニッケルシリサイドの第2の領域とを規定する。第2の領域のNiSiは、その下にシリコンゲルマニウムを有し、第1の領域のNiSiよりも熱的に安定ではなく、プログラミング電圧が印加されると破断しやすい。
図9及び10に示す実施形態のeヒューズは、シリコン、酸化物、シリコン、シリコンゲルマニウム、単結晶シリコンの5つの層を有する市販の基板を使用して製造することができる。この実施形態のeヒューズは、第4の実施形態について前述したステップと同様のステップを使用して製造することが可能であるが、選択的なSiGeエピタキシャル成長の後にSiエピタキシャル成長が行われる点が異なっている。
図11及び12は、本発明の第6の実施形態によるeヒューズの平面図と断面図をそれぞれ示している。抵抗は、絶縁体基板35上に形成される。シリコンゲルマニウム52の層は、基板35上に設けられる。外部部分50は、シリコンで形成され、内部部分55はニッケルシリサイドゲルマニウム(NiSi(1−y)Ge)で形成される。内部部分は、約20−200nmの長さと、約10−100nmの深さを有することができる。金属シリサイド層14は、シリコン領域50上に設けられ、シリコン上のニッケルシリサイドの第1の領域と、シリコンゲルマニウム上のニッケルシリサイドゲルマニウム(NiSi(1−y)Ge)の第2の領域とを規定する。第2の領域のNiSi(1−y)Geは、第1の領域のNiSiよりも熱的に安定ではなく、それゆえプログラミング電圧が印加されると破断しやすい。
図11及び12に示す実施形態のeヒューズは、シリコン、酸化シリコン、シリコン、シリコンゲルマニウム、上部の単結晶シリコンの5つの層を有する市販の基板、SGOI基板を使用して製造されることができる。この実施形態のeヒューズは、Siエッチング部分55により製造することができ、その後にNi・SALICIDEプロセスを含む通常のCMOSプロセスが続く。サリサイド化プロセスに続いて、NiSi(1−y)Geは、SiGe層上に生成することができ、NiSiはSi層上に生成することができる。
本発明の特定の実施形態を説明し例示したが、当業者は変更を行うことができるので、本発明はこれに限定されないことが理解されよう。本発明の応用は本明細書中で開示し請求している基礎となる発明の技術的範囲と趣旨に含まれる任意及び全ての変形を考慮する。
本発明の第1の実施形態によるeヒューズの平面図。 図1のeヒューズの断面図。 図2Aに示す抵抗の第2の領域の寸法を示す図。 本発明の第2の実施形態によるeヒューズの平面図。 図3のeヒューズの断面図。 本発明の第3の実施形態によるeヒューズの平面図。 図5のeヒューズの断面図。 本発明の第4の実施形態によるeヒューズの平面図。 図7のeヒューズの断面図。 本発明の第5の実施形態によるeヒューズの平面図。 図9のeヒューズの断面図。 本発明の第6の実施形態によるeヒューズの平面図。 図11のeヒューズの断面図。

Claims (18)

  1. 基板上に形成された抵抗を備える電気ヒューズであり、
    前記抵抗は、第1の領域を規定する第1の材料と、前記第1の領域に埋め込まれた第2の領域を規定する第2の材料とを備え、
    前記第1の材料は第1の熱安定性を有し、前記第2の材料は前記第1の熱安定性よりも低い第2の熱安定性を有している電気ヒューズ。
  2. 前記第1の材料はポリシリコン上に金属シリサイドを備え、前記第2の材料はポリシリコンゲルマニウム上に金属シリサイドを備える請求項1に記載の電気ヒューズ。
  3. 前記金属シリサイドは、NiSi、CoSi、TiSi、PdSi、PtSi、YbSi、及びErSiからなるグループから選択され、前記xは0.3乃至2である請求項2に記載の電気ヒューズ。
  4. 前記第1の材料は金属シリサイドを備え、前記第2の材料はポリシリコン上の金属シリサイドを備える請求項1に記載の電気ヒューズ。
  5. 前記金属シリサイドは、NiSi、CoSi、TiSi、PdSi、PtSi、YbSi、及びErSiからなるグループから選択され、前記xは0.3乃至2である請求項4に記載の電気ヒューズ。
  6. 前記第1の材料はNiSiであり、前記第2の材料はCoSiである請求項1に記載の電気ヒューズ。
  7. 前記第1の材料はNiSiであり、前記第2の材料はNiSiである請求項1に記載の電気ヒューズ。
  8. 前記第1の材料はWであり、前記第2の材料はNiSiである請求項1に記載の電気ヒューズ。
  9. 前記第1の材料はTiNであり、前記第2の材料はNiSiである請求項1に記載の電気ヒューズ。
  10. 前記第1の材料はTaCであり、前記第2の材料はNiSiである請求項1に記載の電気ヒューズ。
  11. 前記基板はシリコン・オン・インシュレータを備え、前記第1の材料はシリコン上の金属シリサイドであり、前記第2の材料はシリコンゲルマニウム上の金属シリサイドゲルマニウムである請求項1に記載の電気ヒューズ。
  12. 前記金属シリサイドは、NiSi、CoSi、TiSi、PdSi、PtSi、YbSi、及びErSiからなるグループから選択され、前記xは0.3乃至2である請求項11に記載の電気ヒューズ。
  13. 前記基板はシリコン・オン・インシュレータを備え、前記第1の材料はシリコン上の金属シリサイドであり、前記第2の材料はシリコンゲルマニウム上のシリコン上の金属シリサイドである請求項1に記載の電気ヒューズ。
  14. 前記金属シリサイドは、NiSi、CoSi、TiSi、PdSi、PtSi、YbSi、及びErSiからなるグループから選択され、前記xは0.3乃至2である請求項13に記載の電気ヒューズ。
  15. 前記基板は絶縁体上にシリコンゲルマニウムを備え、前記第1の材料はシリコン上の金属シリサイドであり、前記第2の材料は金属シリサイドゲルマニウムである請求項1記載の電気ヒューズ。
  16. 前記金属シリサイドは、NiSi、CoSi、TiSi、PdSi、PtSi、YbSi、及びErSiからなるグループから選択され、前記xは0.3乃至2である請求項15に記載の電気ヒューズ。
  17. 請求項1に記載の電気ヒューズを備えるシリコン・オン・インシュレータ相補型金属酸化物半導体の大規模システム集積回路(SOI・CMOS・LSI)装置。
  18. 請求項1に記載の電気ヒューズを備えるバルク相補型金属酸化物半導体の大規模システム集積回路(CMOS LSI)装置。
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