JP2011171391A - アンチヒューズ構造およびアンチヒューズ構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低い印加電圧（３Ｖ以下）で導通状態を変更可能なアンチヒューズ素子（アンチヒューズ構造）を提供する。
【解決手段】本発明のアンチヒューズ構造１００は、第一配線３と、前記第一配線３上に順次積層された、不純物を含有した第一の多結晶シリコン膜６、第一のタングステンシリサイド膜７、第一の窒化タングステン膜８からなる第一のアンチヒューズ部２０ａと、前記第一のアンチヒューズ部２０ａ上に接続された第二配線１０と、を具備してなることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、アンチヒューズ構造およびアンチヒューズ構造の製造方法に関するものである。

半導体製品では一般に、製造工程での不具合に起因した動作不良の救済や、回路機能の切り替え等の目的で、製造の最終工程において回路結線情報を更新し、所望の回路動作を起こすことが行われている。
このような回路結線変更手段の一つとしては、あらかじめ半導体製品内にヒューズ（Ｆｕｓｅ）を設けておくことが知られている。ヒューズに外部から特定の信号を入力することにより、その導通状態は変更され、所望の回路動作を起こすことができる。このような動作を起こすヒューズは、アンチヒューズ素子（または、電気ヒューズとも呼ばれる）として知られている。アンチヒューズ素子は初期状態で非導通状態となっており、外部からの信号入力に応答して、その導通状態を変更することができる（特許文献１）。

また、複数のアンチヒューズ素子を配列させることにより、１回だけ書き込み動作が可能な不揮発性メモリを構成することも可能である（特許文献２）。また、本発明に関連するものとして、不純物を含有した多結晶シリコンおよび窒化タングステン（ＷＮ）を含む電極構造が知られている（特許文献３）。また、配線と配線の間に、ゲルマニウムが含有されたアモルファスシリコン層を介挿してアンチヒューズ素子とし、記憶セルとして用いる方法も知られている（特許文献４）。

しかし従来のアンチヒューズ素子は、導通状態の変更には高電圧の印加が必要とされていた。たとえば特許文献１に開示されたアンチヒューズ素子は、電極間に挟んだ絶縁膜を破壊して導通状態とする型である。このような型のアンチヒューズ素子を導通状態にするためには、１０Ｖ程度の電圧の印加が必要であるとされている。
また特許文献２は、ポリシリコンを用いたダイオードにプログラミング電圧を印加して、電気抵抗を変える型である。このような型のアンチヒューズ素子では、プログラミング電圧として８Ｖ程度の電圧の印加が必要とされている。また特許文献４に示すような、配線と配線の間にゲルマニウムを高濃度で含有させたアンチヒューズ素子では、５Ｖ以上の書込み電圧が必要とされている。

特開平8-330430号公報 特表2008-546213号公報 特開2003-163348号公報 特開平5-343633号公報

近年の半導体素子は、低消費電力化の観点から電源電圧の低化が求められている。しかし上記のように、アンチヒューズ素子の導通状態の変更には高電圧の印加が必要とされている。この電圧は、アンチヒューズ素子を搭載した半導体素子の電源電圧よりも高くなることが一般的であるため、半導体素子の通常動作時に使用する電源回路をそのまま用いることができない。そのため、アンチヒューズ素子の導通状態の変更用に昇圧回路を別途設ける必要があり、半導体素子の高集積化の阻害要因となっていた。このため、できるだけ低い印加電圧で導通状態の変更が可能なアンチヒューズ素子が求められている。

本発明のアンチヒューズ構造は、第一配線と、前記第一配線上に順次積層された、不純物を含有した第一の多結晶シリコン膜、第一のタングステンシリサイド膜、第一の窒化タングステン膜からなる第一のアンチヒューズ部と、前記第一のアンチヒューズ部上に接続された第二配線と、を具備してなることを特徴とする。

本発明のアンチヒューズ素子（アンチヒューズ構造）によれば、従来よりも低い印加電圧（３Ｖ以下）で導通状態を変更することができる。そのため、高電圧を発生するための昇圧回路を別途設ける必要がなく、半導体素子の小型化を実現することができる。これにより、半導体素子の高集積化を実現することが可能となる。

本発明の第一の実施形態の半導体装置の一構成例を示す平面図である。 本発明の第一の実施形態である半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 本発明の第一の実施形態である半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 本発明の第一の実施形態である半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 本発明の第一の実施形態である半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 本発明の第一の実施形態である半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 本発明の第二の実施形態である半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 本発明の第二の実施形態である半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 本発明の第二の実施形態である半導体装置の一構成例を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態である半導体装置の一構成例を示す断面図である。 本発明のアンチヒューズ素子の電圧−電流特性を示すグラフである。

まず、図１および図６を用いて、第一の実施形態の半導体装置の構成について詳細に説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

＜アンチヒューズ構造１００＞
本発明の第一の実施形態であるアンチヒューズ構造１００について説明する。図１は、第一の実施形態のアンチヒューズ構造１００の概略構成を示す平面図である。また、図６に、図１のアンチヒューズ構造１００をＡ−Ａ’線に沿って垂直に切った断面図を示す。
本実施形態のアンチヒューズ構造１００は半導体基板１と、第一配線３と、第一のアンチヒューズ部２０ａと、第二配線１０と、コンタクトプラグ（第一のコンタクトプラグ１２ａ、第二のコンタクトプラグ１２ｂ）と、引出し配線（第一の引出し配線１３ａ、第二の引出し配線１３ｂ）と、から概略構成されている。

図１に本実施形態のアンチヒューズ構造１００の平面図を示す。本実施形態のアンチヒューズ構造１００は、第一配線３が第一の方向Ｘに向かって延在し、その上に第一のアンチヒューズ部２０ａが立設されている。また、第二配線１０が、第一のアンチヒューズ部２０ａの上面に接続し、かつ、第二の方向Ｙに向かって延在するように形成されている。また、第一配線３、第二配線１０の上面には第一のコンタクトプラグ１２ａ、第二のコンタクトプラグ１２ｂがそれぞれ立設されており、さらにその上面にはそれぞれ第一の引出し配線１３ａ、第二の引出し配線１３ｂが接続されている。以下、それぞれの構成について図１および図６を用いてその詳細を説明する。

＜半導体基板１＞
半導体基板１は例えばＰ型のシリコン等からなり、その表面は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる第一の層間絶縁膜２により覆われている。

＜第一配線３＞
導電膜からなる第一配線３は第一の層間絶縁膜２上に形成され、第一の方向Ｘに延在する構成となっている。ここで、導電膜の材料は特に限定されず、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、多結晶シリコン等を例示することができる。また、第一配線３は複数の材料からなる積層構造であってもかまわない。また、第一配線３はその側面と上面を酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる第二の層間絶縁膜４により覆われている。また、第二の層間絶縁膜４には第一のコンタクトホール５が形成されており、第一配線３上面を露出させている。

＜第一のアンチヒューズ部２０ａ＞
第一のアンチヒューズ部２０ａは第一配線３上に立設し、かつ、第二の層間絶縁膜４を貫通する構成となっている。また、第一のアンチヒューズ部２０ａは半導体基板１側から順に第一の多結晶シリコン膜６、第一のタングステンシリサイド膜７、第一の窒化タングステン膜８が積層した構成となっている。このうち、第一の窒化タングステン膜８は第二配線１０に組込まれた構成となっている。また、第一のアンチヒューズ部２０ａはその下面で第一配線３と接続し、また、その上部は、第一の窒化タングステン膜８およびタングステン膜９からなる第二配線１０と接続している。

（第一の多結晶シリコン膜６および第一のタングステンシリサイド膜７）
第一の多結晶シリコン膜６には不純物としてリン（Ｐ）が含有されており、第一のコンタクトホール５内を充填する構成となっている。また、第一の多結晶シリコン膜６の上面６ａは第二の層間絶縁膜４上面（第一のコンタクトホール５の上端開口部５ａ）よりも３〜１５ｎｍ程度低い位置に形成されている。
第一のタングステンシリサイド膜７は３〜１５ｎｍの膜厚で形成されている。第一のタングステンシリサイド膜７は第一の多結晶シリコン膜６上に積層されるとともに、第一のコンタクトホール５内を充填する構成となっている。また、第一のタングステンシリサイド膜７上面は第二の層間絶縁膜４上面と同じ高さに位置している。

（第二配線１０）
第二配線１０は第二の層間絶縁膜４上に立設され、第二の方向Ｙに向かって延在するように形成されている。また、第二配線１０は、半導体基板１側から順に膜厚５〜２０ｎｍの第一の窒化タングステン膜８、膜厚２０〜１００ｎｍのタングステン膜９が積層した構成となっており、その下面において第一のタングステンシリサイド膜７上面と接続している。このように、第二配線１０は第一のアンチヒューズ部２０ａのうち第一の窒化タングステン膜８が組込まれた構成となっている。また、第二配線１０はその側面と上面が酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる第三の層間絶縁膜１１により覆われた構成となっている。

＜コンタクトプラグ（第一のコンタクトプラグ１２ａ、第二のコンタクトプラグ１２ｂ）＞
第一のコンタクトプラグ１２ａおよび第二のコンタクトプラグ１２ｂは、たとえばチタン、窒化チタン、タングステンの積層膜により構成されている。
また、第一のコンタクトプラグ１２ａは、第二の層間絶縁膜４および第三の層間絶縁膜１１を貫通する構成となっており、その下面で第一配線３と接続し、その上面で後述する第一の引出し配線１３ａと接続している。
また、第二のコンタクトプラグ１２ｂは、第三の層間絶縁膜１１を貫通する構成となっており、その下面で第二配線１０と接続し、その上面で後述する第一の引出し配線１３ａと接続する構成している。

＜引出し配線（第一の引出し配線１３ａ、第二の引出し配線１３ｂ）＞
第一の引出し配線１３ａおよび第二の引出し配線１３ｂはアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）等から構成されている。また、第一の引出し配線１３ａおよび第二の引出し配線１３ｂは第三の層間絶縁膜１１上に形成され、それぞれ第一の方向Ｘ、第二の方向Ｙに向かって延在している。

次いで、第一の実施形態であるアンチヒューズ構造１００の製造方法について図１〜５を用いて説明する。図１〜５は、第一の実施形態であるアンチヒューズ構造１００の製造方法の一例を示す工程図であり、図１のアンチヒューズ構造１００をＡ−Ａ’線に沿って垂直に切った断面図である。
なお、以下の説明において参照する図面は、本実施形態のアンチヒューズ構造１００の製造方法を説明する図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のアンチヒューズ構造１００の寸法関係とは異なっている。

本実施形態のアンチヒューズ構造１００の製造方法は、第一配線３形成工程と、第二の層間絶縁膜４形成工程と、第一のアンチヒューズ部２０ａ形成工程と、第二配線１０形成工程と、コンタクトプラグ（第一のコンタクトプラグ１２ａおよび第二のコンタクトプラグ１２ｂ）形成工程と、引出し配線（第一の引出し配線１３ａおよび第二の引出し配線１３ｂ）形成工程と、から概略構成されている。以下、それぞれについて詳細を説明する。

（第一配線３形成工程）
まず、はじめに、図２に示すように、Ｐ型のシリコン等からなる半導体基板１上を覆うように、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる第一の層間絶縁膜２を形成する。
次いで第一の層間絶縁膜２上を覆うように、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、多結晶シリコン等からなる導電膜を形成する。ここで、導電膜の材料は特に限定されず、複数の材料からなる積層構造であってもかまわない。その後、導電膜をパターニングすることにより、図１、図２に示すように第一の方向Ｘに延在する構成の第一配線３が形成される。

（第二の層間絶縁膜４形成工程）
次いで、第一配線３および第一の層間絶縁膜２上を覆うように酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる第二の層間絶縁膜４を形成する。次に、所定の位置に、第二の層間絶縁膜４を貫通し、第一配線３の表面を露出させる第一のコンタクトホール５を形成する。この第一のコンタクトホール５の形成位置に、後述する第一のアンチヒューズ部２０ａが形成される。

＜第一のアンチヒューズ部２０ａ形成工程＞
（第一の多結晶シリコン膜６および第一のタングステンシリサイド膜７形成工程）
次いで図３に示すように、第一の多結晶シリコン膜６および第一のタングステンシリサイド膜７を形成する。まず、ＣＶＤ法により、第二の層間絶縁膜４上面を覆うとともに第一のコンタクトホール５内を充填するように、不純物としてリン（Ｐ）を含有した第一の多結晶シリコン膜６を形成する。次いで、エッチバックを行い、第二の層間絶縁膜４上面の第一の多結晶シリコン膜６を除去する。このとき、第一のコンタクトホール５の上端開口部５ａから若干下がった位置に第一の多結晶シリコン膜６の上面６ａが来るようにしてエッチバックを停止する。このときの第一の多結晶シリコン膜６の上面６ａの位置は、第二の層間絶縁膜４上面（上端開口部５ａ）よりも３〜１５ｎｍ程度低い位置とする。

次いで、ＣＶＤ法により、第二の層間絶縁膜４および第一の多結晶シリコン膜６上面を覆うとともに第一のコンタクトホール５内を充填するように、第一のタングステンシリサイド膜７を形成する。次いで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を行い、第二の層間絶縁膜４上面の第一のタングステンシリサイド膜７を除去する。これにより、第一のタングステンシリサイド膜７は第一のコンタクトホール５の内部にのみ、３〜１５ｎｍの膜厚で残存する。ＣＭＰでの研磨に余裕をもたせるため、あらかじめ第一のコンタクトホール５内に設ける第一のタングステンシリサイド膜７を厚めに形成しておき、ＣＭＰ後の最終的な残膜が３〜１５ｎｍとなるようにしてもよい。
第一のタングステンシリサイド膜７の膜厚が厚すぎると、導電状態（低抵抗状態）のアンチヒューズ構造の抵抗値が上昇する。また第一のタングステンシリサイド膜７の膜厚が薄すぎると、初期状態（高抵抗状態）で所定の抵抗値が得られない。このため第一のタングステンシリサイド膜７の最終的な膜厚は３〜１５ｎｍの範囲となるように設定することが好ましい。

なお、第一の多結晶シリコン膜６および第一のタングステンシリサイド膜７形成工程においては、第二の層間絶縁膜４を形成する前に、第一の多結晶シリコン膜６および第一のタングステンシリサイド膜７のパターニングを行っても良い。つまり、第一配線３形成工程後に、第一配線３および第一の層間絶縁膜２上を覆うように第一の多結晶シリコン膜６および第一のタングステンシリサイド膜７を積層する。その後、パターニングを行うことにより、第一配線３の上方に突出するピラー形状の第一の多結晶シリコン膜６および第一のタングステンシリサイド膜７を形成する。この状態を図４に示す。

図４の状態の後、第一の層間絶縁膜２、第一配線３、第一の多結晶シリコン膜６および第一のタングステンシリサイド膜７上を覆うように、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる第二の層間絶縁膜４を形成する。その後、ＣＭＰにより第一のタングステンシリサイド膜７の上面が露出するまで研磨を行う。これにより、図３に示す、第一の多結晶シリコン膜６および第一のタングステンシリサイド膜７が形成される。

（第二配線１０形成工程）
次いで、図５に示すように第二配線１０を形成する。まず、スパッタ法により、膜厚５〜２０ｎｍの第一の窒化タングステン膜８、膜厚２０〜１００ｎｍのタングステン膜９を、第二の層間絶縁膜４上を覆うように順次積層する。この後、パターニングを行うことにより、第二の方向Ｙに向かって延在するとともに、第一のタングステンシリサイド膜７上面と接続する構成の第二配線１０が形成される。これにより、第二配線１０は第一のアンチヒューズ部２０ａのうち第一の窒化タングステン膜８が組込まれた構成となる。

（コンタクトプラグ（第一のコンタクトプラグ１２ａおよび第二のコンタクトプラグ１２ｂ）形成工程）
次いで、図１、図６に示すコンタクトプラグ（第一のコンタクトプラグ１２ａおよび第二のコンタクトプラグ１２ｂ）を形成する。まず、第二の層間絶縁膜４および第二配線１０を覆うように、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる第三の層間絶縁膜１１を形成する。

次いで、第二の層間絶縁膜４および第三の層間絶縁膜１１を貫通し、第一配線３に接続する構成の第一のコンタクトプラグ１２ａを形成する。次いで、第三の層間絶縁膜１１を貫通し、第二配線１０に接続する構成の第二のコンタクトプラグ１２ｂを形成する。このとき、第一のコンタクトプラグ１２ａと第二のコンタクトプラグ１２ｂは同時に形成してもかまわない。また、第一のコンタクトプラグ１２ａおよび第二のコンタクトプラグ１２ｂの材料としては、たとえばチタン、窒化チタン、タングステンの積層膜を用いることができる。以上により、第一配線３と接続する第一のコンタクトプラグ１２ａと、第二配線１０と接続する第二のコンタクトプラグ１２ｂが形成される。

（引出し配線（第一の引出し配線１３ａおよび第二の引出し配線１３ｂ）形成工程）
次いで、第一の引出し配線１３ａおよび第二の引出し配線１３ｂを形成する。まず、第三の層間絶縁膜１１上を覆うように、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）等からなる金属膜を形成する。この後、パターニングを行うことにより、第一の方向Ｘに向かって延在するとともに第一のコンタクトプラグ１２ａと接続する構成の第一の引出し配線１３ａと、第二の方向Ｙに向かって延在するとともに第二のコンタクトプラグ１２ｂと接続する構成の第二の引出し配線１３ｂが形成される。
以上により、本実施形態の第一のアンチヒューズ部２０ａを備えたアンチヒューズ構造１００が完成する。

本実施形態のアンチヒューズ構造１００によれば、従来よりも低い印加電圧（３Ｖ以下）で導通状態を変更することが可能となる。また、アンチヒューズ構造１００への印加電圧がプログラム電圧未満の範囲では、電圧の印加による導電状態の変化は起こらない。また、プログラム電圧以上の電圧が印加されて一度でもプログラム状態となった後は、アンチヒューズ構造１００の電気抵抗が低下し、電圧印加をやめた後にもこの特性を維持することができる。

このような電圧−電流特性の不可逆的な変化が起きる原理については、現在、鋭意研究中であるが、第一の多結晶シリコン膜６を、薄膜状の第一のタングステンシリサイド膜７を介して第一の窒化タングステン膜８と対向させた構造とすることにより、各膜間の界面状態が変化するためであると推測される。
以上により、アンチヒューズ構造１００の導通状態の変更用回路を、半導体素子内の回路とは別に設ける必要がない。そのため、アンチヒューズ構造１００の小型化を実現するとともに、アンチヒューズ構造１００を搭載した半導体素子の高集積化が可能となる。

次いで、本発明の第二の実施形態であるアンチヒューズ構造１００について図９を用いて説明する。
本実施形態のアンチヒューズ構造１００は半導体基板１と、第一配線３と、第一のアンチヒューズ部２０ａと、第二配線１０と、コンタクトプラグ（第一のコンタクトプラグ１２ａ、第二のコンタクトプラグ１２ｂ）と、引出し配線（第一の引出し配線１３ａ、第二の引出し配線１３ｂ）と、から概略構成されている。以下、それぞれの構成について図９を用いてその詳細を説明する。

なお、第二の実施形態のアンチヒューズ構造１００は、第一の実施形態のアンチヒューズ構造１００とは第一のアンチヒューズ部２０ａおよび第二配線１０の構成が異なるだけであり、その他の構成については同一である。したがって第一の実施形態のアンチヒューズ構造１００と同一の構成部分については、同じ符号を付すると共にその説明を省略する。

＜第一のアンチヒューズ部２０ａ＞
第一のアンチヒューズ部２０ａは第一配線３上に立設し、かつ、第二の層間絶縁膜４を貫通する構成となっている。また、第一のアンチヒューズ部２０ａは半導体基板１側から順に第一の多結晶シリコン膜６、第一のタングステンシリサイド膜７、第一の窒化タングステン膜８が積層した構成となっている。本実施形態においては、第一のアンチヒューズ部２０ａのうち、第一のタングステンシリサイド膜７および第一の窒化タングステン膜８は、第二配線１０に組込まれた構成となっている。また、第一のアンチヒューズ部２０ａはその下面で第一配線３と接続し、その上部では、第一のタングステンシリサイド膜７と第一の窒化タングステン膜８およびタングステン膜９からなる第二配線１０を構成している。

（第一の多結晶シリコン膜６）
第一の多結晶シリコン膜６には不純物としてリン（Ｐ）が含有されており、第一のコンタクトホール５内を充填している。また、本実施形態の第一の多結晶シリコン膜６の上面６ａは第二の層間絶縁膜４上面（第一のコンタクトホール５の上端開口部５ａ）と同じ高さで形成されている。

（第二配線１０）
第二配線１０は第二の層間絶縁膜４上に立設され、第二の方向Ｙに向かって延在するように形成されている。また、第二配線１０は、半導体基板１側から順に膜厚３〜１５ｎｍの第一のタングステンシリサイド膜７、膜厚５〜２０ｎｍの第一の窒化タングステン膜８、膜厚２０〜１００ｎｍのタングステン膜９が積層した構成となっており、その下面において第一の多結晶シリコン膜６上面と接続している。このように、本実施形態の第二配線１０は、第一のアンチヒューズ部２０ａのうち第一のタングステンシリサイド膜７および第一の窒化タングステン膜８が組込まれた構成となっている。また、第二配線１０はその側面と上面が第三の層間絶縁膜１１により覆われた構成となっている。

次いで、第二の実施形態であるアンチヒューズ構造１００の製造方法について図７〜９を用いて説明する。図７〜９は、第二の実施形態のアンチヒューズ構造１００の製造方法の一例を示す工程図である。
本実施形態のアンチヒューズ構造１００の製造方法は、第一配線３形成工程と、第二の層間絶縁膜４形成工程と、第一のアンチヒューズ部２０ａ形成工程と、第二配線１０形成工程と、コンタクトプラグ（第一のコンタクトプラグ１２ａおよび第二のコンタクトプラグ１２ｂ）形成工程と、引出し配線（第一の引出し配線１３ａおよび第二の引出し配線１３ｂ）形成工程と、から概略構成されている。

第二の実施形態のアンチヒューズ構造１００の製造方法は、第一のアンチヒューズ部２０ａ形成工程と第二配線１０形成工程が異なるだけであり、その他の構成については第一の実施形態と同一である。したがって第一の実施形態のアンチヒューズ構造１００の製造工程と同一の部分については同じ符号を付すると共にその説明を省略する。

＜第一のアンチヒューズ部２０ａ形成工程＞
（第一の多結晶シリコン膜６形成工程）
まず、図７に示すように第一の多結晶シリコン膜６を形成する。次いで、第一の実施形態と同様に第一のコンタクトホール５の形成までを行う。次いで、ＣＶＤ法により、第二の層間絶縁膜４上面を覆うとともに第一のコンタクトホール５内を充填するように、不純物としてリン（Ｐ）が含有された第一の多結晶シリコン膜６を形成する。次いで、ＣＭＰにより、第二の層間絶縁膜４の上面が露出するまで研磨を行う。これにより、第一の多結晶シリコン膜６の上面６ａは第二の層間絶縁膜４上面（第一のコンタクトホール５の上端開口部５ａ）と同じ位置に形成される。

（第二配線１０形成工程）
次いで、図８に示すように第二配線１０を形成する。まず、第二の層間絶縁膜４上を覆うように、膜厚３〜１５ｎｍの第一のタングステンシリサイド膜７、膜厚５〜２０ｎｍの第一の窒化タングステン膜８、膜厚２０〜１００ｎｍのタングステン膜９を順次積層する。このとき、これらの膜は同じ製造装置を用いて、スパッタ法により連続して成膜することが可能である。
この後、これらの膜のパターニングを行うことにより、第二の方向Ｙに向かって延在するとともに、第一の多結晶シリコン膜６上面と接続する構成の第二配線１０が形成される。これにより、本実施形態の第二配線１０は第一のアンチヒューズ部２０ａのうち第一のタングステンシリサイド膜７および第一の窒化タングステン膜８が組込まれた構成となる。

この後、図９に示すように、第三の層間絶縁膜１１を形成する。次いで、第二の層間絶縁膜４および第三の層間絶縁膜１１を貫通し、第一配線３に接続する構成の第一のコンタクトプラグ１２ａと、第三の層間絶縁膜１１を貫通して、第二配線１０に接続する構成の図示しない第二のコンタクトプラグ１２ｂを形成する。
次いで、第一の方向Ｘに向かって延在するとともに第一のコンタクトプラグ１２ａと接続する構成の第一の引出し配線１３ａと、第二の方向Ｙに向かって延在するとともに第二のコンタクトプラグ１２ｂと接続する構成の図示しない第二の引出し配線１３ｂを形成する。以上により、本実施形態の第一のアンチヒューズ部２０ａを備えたアンチヒューズ構造１００が完成する。

本実施形態のアンチヒューズ構造１００の製造方法においては、隣接する第一のアンチヒューズ部２０ａ同士が影響しない範囲で、第一のアンチヒューズ部２０ａの一部（第一のタングステンシリサイド膜７および第一の窒化タングステン膜８）を第二配線１０として組み込むことが可能となる。本実施形態においては、第二配線１０をこのような構成とすることにより、第一のタングステンシリサイド膜７、第一の窒化タングステン膜８、タングステン膜９を、同じ製造装置で連続して形成することができる。そのため、第一の実施形態と比較して、製造工程数を削減することが可能となる。
すなわち、第一の実施形態よりも少ない工程で、第一の実施形態のアンチヒューズ構造１００と同じ効果を得ることができる。

次いで、第三の実施形態のアンチヒューズ構造１００について図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態のアンチヒューズ構造１００を図１のＡ−Ａ’線に沿って垂直に切った断面図である。本実施形態のアンチヒューズ構造１００は、半導体基板１と、第一配線３と、第一のアンチヒューズ部２０ａと、第二配線１０と、第二のアンチヒューズ部２０ｂと、第三配線２４と、コンタクトプラグ（第一のコンタクトプラグ１２ａ、第二のコンタクトプラグ１２ｂ）と、引出し配線（第一の引出し配線１３ａ、第二の引出し配線１３ｂ）と、から概略構成されている。以下、それぞれの構成について図１０を用いてその詳細を説明するが、第一の実施形態のアンチヒューズ構造１００と同一の構成部分については同じ符号を付すると共にその説明を省略する。

＜第一配線３＞
導電膜からなる第一配線３は第一の層間絶縁膜２上に形成され、第二の方向Ｙに延在する構成となっている。また、第一配線３はその側面と上面を第二の層間絶縁膜４により覆われている。また第二の層間絶縁膜４の所定の位置には、第二の層間絶縁膜４を貫通する構成の第一のコンタクトホール５が形成されており、第一配線３上面をそれぞれ露出させている。

＜第一のアンチヒューズ部２０ａ＞
複数の第一のアンチヒューズ部２０ａはそれぞれ第一配線３上に立設し、かつ、第二の層間絶縁膜４を貫通する構成となっている。また、第一のアンチヒューズ部２０ａは半導体基板１側から順に第一の多結晶シリコン膜６、第一のタングステンシリサイド膜７、第一の窒化タングステン膜８が積層した構成となっており、その上面で第二配線１０と接続している。以下、それぞれの構成についてその詳細を説明する。

（第一の多結晶シリコン膜６、第一のタングステンシリサイド膜７、第一の窒化タングステン膜８）
第一の多結晶シリコン膜６、第一のタングステンシリサイド膜７、第一の窒化タングステン膜８は半導体基板１側からこの順で積層されるとともに、コンタクトホール５内を充填する構成となっている。また、第一の多結晶シリコン膜６には不純物としてリン（Ｐ）が含有されており、第一のタングステンシリサイド膜７は膜厚３〜１５ｎｍ、第一の窒化タングステン膜８は膜厚５〜２０ｎｍで形成されている。また、第一の窒化タングステン膜８上面は第二の層間絶縁膜４上面と同じ高さで形成されている。

（第二配線１０）
第二配線１０（タングステン膜９）は第二の層間絶縁膜４上に立設され、第一の方向Ｘに向かって延在するように形成されている。また、第二配線１０は、膜厚２０〜１００ｎｍのタングステン膜からなり、その下面において第一の窒化タングステン膜８上面と接続している。また、第二配線１０はその側面と上面が第三の層間絶縁膜１１により覆われた構成となっている。
また、第三の層間絶縁膜１１の第一のアンチヒューズ部２０ａに対応する位置には、第三の層間絶縁膜１１を貫通する構成の第二のコンタクトホール１５が形成されており、第二配線１０上面をそれぞれ露出させている。

＜第二のアンチヒューズ部２０ｂ＞
複数の第二のアンチヒューズ部２０ｂはそれぞれ第二配線１０上に立設し、かつ、第三の層間絶縁膜１１を貫通する構成となっている。また、第二のアンチヒューズ部２０ｂは半導体基板１側から順に第二の窒化タングステン膜２１、第二のタングステンシリサイド膜２２、第二の多結晶シリコン膜２３が積層した構成となっており、その上面で第三配線２４と接続している。以下、それぞれの構成についてその詳細を説明する。

（第二の窒化タングステン膜２１、第二のタングステンシリサイド膜２２、第二の多結晶シリコン膜２３）
第二の窒化タングステン膜２１、第二のタングステンシリサイド膜２２、第二の多結晶シリコン膜２３は半導体基板１側からこの順で積層されるとともに、第二のコンタクトホール１５内を充填する構成となっている。また、第二の窒化タングステン膜２１は膜厚５〜２０ｎｍ、第二のタングステンシリサイド膜２２は膜厚３〜１５ｎｍで形成されており、また、第二の多結晶シリコン膜２３には不純物としてリン（Ｐ）が含有されている。また、第二の多結晶シリコン膜２３上面は第三の層間絶縁膜１１上面と同じ高さで形成されている。

なお、第二のアンチヒューズ部２０ｂは、半導体基板１側から第二の窒化タングステン膜２１、第二のタングステンシリサイド膜２２、第二の多結晶シリコン膜２３の順に積層した構成に限られず、その逆に、半導体基板１側から第二の多結晶シリコン膜２３、第二のタングステンシリサイド膜２２、第二の窒化タングステン膜２１の順に積層されたものであってもかまわない。

＜第三配線２４＞
タングステン膜からなる第三配線２４は第三の層間絶縁膜１１上に形成され、第二の方向Ｙに延在する構成となっている。また、第三配線２４はその下面において第二のアンチヒューズ部２０ｂ上面と接続している。

このように、本実施形態のアンチヒューズ構造１００は、第二配線１０の上下にそれぞれ第一のアンチヒューズ部２０ａ、第二のアンチヒューズ部２０ｂが配置されている。この構成により、第二配線１０は、第一のアンチヒューズ部２０ａおよび第二のアンチヒューズ部２０ｂの共通の配線として機能する。

次いで、第三の実施形態であるアンチヒューズ構造１００の製造方法について図１０を用いて説明する。
本実施形態のアンチヒューズ構造１００の製造方法は、第一配線３形成工程と、第二の層間絶縁膜４形成工程と、第一のアンチヒューズ部２０ａ形成工程と、第二配線１０形成工程と、第二のアンチヒューズ部２０ｂ形成工程と、コンタクトプラグ（第一のコンタクトプラグ１２ａおよび第二のコンタクトプラグ１２ｂ）形成工程と、引出し配線（第一の引出し配線１３ａおよび第二の引出し配線１３ｂ）形成工程と、から概略構成されている。以下、それぞれの構成について図１０を用いてその詳細を説明するが、第一の実施形態と同一の工程については同じ符号を付すると共にその説明を省略する。

（第一配線３形成工程）
まず、第一の実施形態と同様に第一の層間絶縁膜２の形成までを行う。次いで第一の層間絶縁膜２上を覆うように導電膜を形成する。その後、パターニングを行うことにより、第二の方向Ｙに延在する第一配線３が形成される。

（第二の層間絶縁膜４形成工程）
次いで、第一配線３および第一の層間絶縁膜２上を覆うように第二の層間絶縁膜４を形成する。次に、所定の位置に、第二の層間絶縁膜４を貫通し、第一配線３の表面をそれぞれ露出させる構成の第一のコンタクトホール５を形成する。

＜第一のアンチヒューズ部２０ａ形成工程＞
（第一の多結晶シリコン膜６、第一のタングステンシリサイド膜７、第一の窒化タングステン膜８形成工程）
まず、第一のコンタクトホール５内を充填するように、不純物としてリン（Ｐ）が含有された第一の多結晶シリコン膜６、３〜１５ｎｍの膜厚の第一のタングステンシリサイド膜７、５〜２０ｎｍの膜厚の第一の窒化タングステン膜８をこの順で積層する。この後、ＣＭＰにより、第二の層間絶縁膜４上の第一の窒化タングステン膜８を研磨し、第二の層間絶縁膜４表面を露出させる。

（第二配線１０形成工程）
次いで第二配線１０（タングステン膜９）を形成する。
まず、第二の層間絶縁膜４上を覆うように、膜厚２０〜１００ｎｍのタングステン膜９を形成する。この後、パターニングを行うことにより、第一の方向Ｘに向かって延在するとともに、第一のアンチヒューズ部２０ａ上面（第一の窒化タングステン膜８上面）と接続する構成の第二配線１０が形成される。

＜第二のアンチヒューズ部２０ｂ形成工程＞
次いで第二のアンチヒューズ部２０ｂを形成する。まず、第二配線１０および第二の層間絶縁膜４上を覆うように、第三の層間絶縁膜１１を形成する。次いで、第一のアンチヒューズ部２０ａに対応する位置に、第三の層間絶縁膜１１を貫通するとともに第二配線１０を露出する構成の第二のコンタクトホール１５を形成する。

次いで、第二のコンタクトホール１５内を充填するように、第二の窒化タングステン膜２１、第二のタングステンシリサイド膜２２、不純物としてリン（Ｐ）が含有された第二の多結晶シリコン膜２３をこの順で積層する。このとき、第二の窒化タングステン膜２１は５〜２０ｎｍ、第二のタングステンシリサイド膜２２は３〜１５ｎｍの膜厚とすることが好ましい。この後、ＣＭＰにより、第三の層間絶縁膜１１上の第二の多結晶シリコン膜２３を研磨し、第三の層間絶縁膜１１表面を露出させる。

なお、ここでは第二のアンチヒューズ部２０ｂを、第一のアンチヒューズ部２０ａとは逆に、第二の窒化タングステン膜２１と第二のタングステンシリサイド膜２２と第二の多結晶シリコン膜２３とを、半導体基板１側からこの順で積層するとしたが、各膜の積層順はこれに限られず、第一のアンチヒューズ部２０ａと同じ順で積層してもかまわない。つまり、第二の多結晶シリコン膜２３は、第二のタングステンシリサイド膜２２を介して第二の窒化タングステン膜２１と対向させた構造すればよい。

（第三配線２４形成工程）
次いで、第三配線２４を形成する。
まず、第三の層間絶縁膜１１上を覆うように、膜厚２０〜１００ｎｍのタングステン膜を形成する。その後、パターニングを行うことにより、第二の方向Ｙに延在するとともに、第二のアンチヒューズ部２０ｂ上面と接続する構成の第三配線２４が形成される。

（コンタクトプラグ形成工程、引出し配線形成工程）
この後、第一配線３に接続する構成の図示しない第一のコンタクトプラグ１２ａと、第二配線１０に接続する構成の図示しない第二のコンタクトプラグ１２ｂを形成する。
次いで、第一配線３、第二配線１０、第三配線２４とそれぞれ接続するように図示しない引出し配線を形成する。以上により、本実施形態のアンチヒューズ部（第一のアンチヒューズ部２０ａ、第二のアンチヒューズ部２０ｂ）を備えたアンチヒューズ構造１００が完成する。

なお、本発明のアンチヒューズ部（第一のアンチヒューズ部２０ａ、第二のアンチヒューズ部２０ｂ）を三次元的に複数配列して不揮発性メモリセルを形成する際には、各アンチヒューズ部と接続するようにＰＮ接合ダイオードを配置すればよい。これによりクロスポイント型のメモリセルアレイが構成され、一回だけ書き込み（プログラム）可能な不揮発性メモリセルが形成される。

本実施形態のアンチヒューズ構造１００は、第二配線１０の上下に第一のアンチヒューズ部２０ａと第二のアンチヒューズ部２０ｂをそれぞれ配置することができる。これにより、第二配線１０を第一のアンチヒューズ部２０ａと第二のアンチヒューズ部２０ｂそれぞれに共通の配線として機能させることができる。これにより、アンチヒューズ部（第一のアンチヒューズ部２０ａ、第二のアンチヒューズ部２０ｂ）を三次元的に複数配列した構成の不揮発性メモリセルを形成することが可能となる。
また、従来よりも低い印加電圧（３Ｖ以下）で導通状態の変更が可能なアンチヒューズ部２０を形成することができるため、アンチヒューズ部２０の導通状態の変更用回路をアンチヒューズ構造１００内に別途設ける必要がない。そのため、アンチヒューズ構造１００の小型化を実現するとともに、アンチヒューズ構造１００を搭載した半導体素子の高集積化が可能となる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例
にのみ限定されるものではない。
（実施例）
図１１を用いて、本発明のアンチヒューズ構造１００の第一のアンチヒューズ部２０ａの動作について説明する。なお、ここでは第一の実施形態のアンチヒューズ構造１００を用いた。ここで、グラフａは、第一のアンチヒューズ部２０ａのプログラム前（初期状態）の電圧−電流特性であり、第一のアンチヒューズ部２０ａに流れる電流をモニターした結果である。ここでは、第一配線３を固定の接地電位（ＧＮＤ電位）とし、第二配線１０に印加する電圧を可変とした。また、第一配線３および第二配線１０への電圧の印加は、それぞれ第一の引出し配線１３ａ、第二の引出し配線１３ｂを介して所定の電圧を入力することにより行った。

このとき、印加電圧がプログラム電圧Ｖｐ未満の範囲では、電圧の印加による導電状態の変化は起こらなかった。また、電圧の印加と停止を繰り返したところ、グラフａに示される電圧−電流特性が維持された。
また、このとき、第一のアンチヒューズ部２０ａの導電状態を判定するための電圧として、プログラム電圧Ｖｐよりも小さい値の判定電圧Ｖｊを設定した。ここでは判定電圧Ｖｊ＝１．５Ｖと設定した。このとき、判定電圧Ｖｊを第一のアンチヒューズ部２０ａに印加したところ、電流は０．１ｍＡ未満であった。

次いで、第一のアンチヒューズ部２０ａに印加する電圧を徐々に上げたところ、印加電圧がプログラム電圧Ｖｐに達したところ急激に電流が流れ、導電状態が変更された（プログラム状態となった）。このときのプログラム電圧Ｖｐは２．８Ｖであった。また、プログラム状態となった後は、電圧の印加と停止を繰り返したところ、グラフｂに示される電圧−電流特性が維持された。

また、判定電圧Ｖｊをプログラム後の状態の第一のアンチヒューズ部２０ａに印加したところ、電流は０．１ｍＡ以上であった。このように、第一のアンチヒューズ部２０ａの導電状態を判定するためには、第一配線３を固定の接地電位とした状態で、第二配線１０に判定電圧Ｖｊを印加すればよい。判定電圧Ｖｊを印加する際に流れる電流値の大小を公知の検出手段（検出回路）によって判定することにより、第一のアンチヒューズ部２０ａがプログラム前の状態（高抵抗状態）であるか、プログラム後の状態（低抵抗状態）であるかを判定することができるためである。

このように、第一のアンチヒューズ部２０ａをプログラム状態にするためには、第一配線３を固定の接地電位とした状態で第二配線１０にプログラム電圧Ｖｐ以上の電圧を印加すればよい。本実施例の第一のアンチヒューズ部２０ａは、３Ｖ未満の印加電圧でプログラム状態とすることができた。この結果、第一のアンチヒューズ部２０ａの導電状態は変更されて低抵抗状態は維持された。また、プログラム状態となった後は第一のアンチヒューズ部２０ａの電気抵抗は低下し、電圧印加をやめた後にもこの特性が維持された。

以上説明したように、本実施例のアンチヒューズ構造１００によれば、従来よりも低い印加電圧（３Ｖ以下）で第一のアンチヒューズ部２０ａの導通状態を変更することができた。そのため、第一のアンチヒューズ部２０ａの導通状態の変更のために高電圧の昇圧回路を別途設ける必要がなく、アンチヒューズ構造１００を搭載した半導体素子の小型化と高集積化を可能とすることができる。

１…半導体基板、３…第一配線、６…第一の多結晶シリコン膜、７…第一のタングステンシリサイド膜、８…第一の窒化タングステン膜、９…タングステン膜、１０…第二配線、１２ａ…第一のコンタクトプラグ、１２ｂ…第二のコンタクトプラグ、１３ａ…第一の引出し配線、１３ｂ…第二の引出し配線、２０ａ…第一のアンチヒューズ部、２０ｂ…第二のアンチヒューズ部、２１…第二の窒化タングステン膜、２２…第二のタングステンシリサイド膜、２３…第二の多結晶シリコン膜、２４…第三配線２４、１００…アンチヒューズ構造

Claims (12)

1. 第一配線と、
   前記第一配線上に順次積層された、不純物を含有した第一の多結晶シリコン膜、第一のタングステンシリサイド膜、第一の窒化タングステン膜からなる第一のアンチヒューズ部と、
   前記第一のアンチヒューズ部上に接続された第二配線と、を具備してなることを特徴とするアンチヒューズ構造。
2. 前記第一のタングステンシリサイド膜が、３〜１５ｎｍの膜厚で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンチヒューズ構造。
3. 前記第一の多結晶シリコンに、不純物としてリンが含有されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンチヒューズ構造。
4. 前記第一の窒化タングステン膜が前記第二配線の下層部に、前記第二配線と一体になるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアンチヒューズ構造。
5. 前記第一の多結晶シリコン膜および前記第一のタングステンシリサイド膜が前記第二配線の下層部に、前記第二配線と一体になるように形成されていることを特徴とする請求項
   １乃至３のいずれか一項に記載のアンチヒューズ構造。
6. 前記第二配線上に順次積層された、不純物を含有した第二の多結晶シリコン膜、第二のタングステンシリサイド膜、第二の窒化タングステン膜からなる第二のアンチヒューズ部と、
   前記第二のアンチヒューズ部上に接続された第三配線と、を具備してなることを
   特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンチヒューズ構造。
7. 半導体基板上に層間絶縁膜を介して第一配線を形成する工程と、
   前記第一配線上に、不純物を含有した第一の多結晶シリコン膜、第一のタングステンシリサイド膜、第一の窒化タングステン膜からなる第一のアンチヒューズ部を形成する工程と、
   前記第一のアンチヒューズ部上に第二配線を形成する工程と、を具備してなることを特徴とするアンチヒューズ構造の製造方法。
8. 前記第一のタングステンシリサイド膜を、３〜１５ｎｍの膜厚で形成することを特徴とする請求項７に記載のアンチヒューズ構造の製造方法。
9. 前記第一の多結晶シリコンに、不純物としてリンを含有させることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のアンチヒューズ構造の製造方法。
10. 前記第一の窒化タングステンシリサイド膜と前記第二配線が一体となるように、同時にパターニングすることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載のアンチヒューズ構造の製造方法。
11. 前記第一の多結晶シリコン膜と前記第一の窒化タングステンシリサイド膜と前記第二配線が一体となるように、同時にパターニングすることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載のアンチヒューズ構造の製造方法。
12. 前記第二配線上に、不純物を含有した第二の多結晶シリコン膜、第二のタングステンシリサイド膜、第二の窒化タングステン膜からなる第二のアンチヒューズ部を順次形成する工程と、
    前記第二のアンチヒューズ部上に第三配線を形成することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一項に記載のアンチヒューズ構造の製造方法。

Images