JP2013187325A

JP2013187325A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2013187325A
Application number: JP2012050886A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Morita; 健士森田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-09-19

Abstract

【課題】占有面積が小さく、抵抗体を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】金属配線層上の絶縁膜中に金属配線層に達する円柱状コンタクトホールを形成し、この円柱状コンタクトホール側面に円筒状の抵抗体を形成する。内部の円筒状抵抗体は深さ方向に長く、円周上で同じ厚さで形成することが可能であるため、厚みを薄く作成することで温度変化に対する抵抗変化が少なく占有面積の少ない縦型抵抗体とする。
【選択図】図２

Description

本発明は縦型抵抗体からなる抵抗素子を有する半導体装置に関する。

半導体装置の抵抗素子には不純物を注入した多結晶シリコンからなる抵抗が使われることが多い。図４に抵抗素子を有する従来の半導体装置を示す。図の左方にＭＯＳトランジスタ領域、右方に抵抗素子領域を備えている。ＭＯＳトランジスタ領域には、ゲート電極４とソース領域５とドレイン領域６とそれらに結線された導電性金属配線８からなるＭＯＳトランジスタが形成されている。また、抵抗素子領域には、半導体基板１上のフィールド酸化膜２の上にＢＰＳＧなどの絶縁膜７を形成し、絶縁膜７上に多結晶シリコンの積層膜１２が形成され薄膜抵抗をなしている。薄膜抵抗には導電性金属配線８が電極として設けられている。（例えば、特許文献１参照）

特開平２−３１２２６７号公報

抵抗素子の半導体装置内に占める面積は大きい。抵抗素子領域の縮小により半導体装置の小型化をすることを課題とする。

上記課題を解決するために以下の手段を用いた。
１番目の手段として、半導体基板上に設けられた抵抗素子を有する半導体装置であって、前記抵抗素子は、前記半導体基板の表面の上方に第１の酸化膜を介して設けられた下層電極と、前記下層電極の上方に前記下層電極と第２の酸化膜を介して離間して設けられ、前記第２の酸化膜上でさらに互いに離間して配置された二つの上層電極と、前記下層電極と前記二つの上層電極とに両端部が接続された二つの円筒形状の縦型抵抗体と、からなることを特徴とする半導体装置とした。

さらに、前記二つの円筒形状の縦型抵抗体はそれぞれ、円柱形状の絶縁膜の周囲を同心円状に円筒形状の抵抗体材料が取り囲んでいる縦型抵抗体である上記半導体装置とした。
また、ゲート電極を有するＭＯＳトランジスタをさらに有し、前記下層電極が前記ゲート電極と同じ材料からなる上記半導体装置とした。
また、前記下層電極が第１の金属配線である上記半導体装置とした。

２番目の手段として、半導体基板上に設けられた抵抗素子を有する半導体装置であって、前記抵抗素子は、前記半導体基板の表面の上方に第１の酸化膜を介して設けられた下層電極と、前記下層電極の上方に前記下層電極と第２の酸化膜を介して離間して設けられ、前記第２の酸化膜上でさらに互いに離間して配置された二つの上層電極と、前記下層電極と前記二つの上層電極とに両端部が接続された二つの円柱形状の縦型抵抗体と、とからなることを特徴とする半導体装置とした。

上記構造を用いることで、コンタクトホール内に上下に電極を有する縦長の抵抗体を形成することができ、抵抗体の占有面積を小さくし半導体装置の小型化に貢献できる。
また、角柱の側面と異なりで円柱の側面に抵抗体を作成するため、円周上で同じ厚さで形成することが可能なため、薄く形成することで温度変化に対して抵抗値の変化が少ない縦型抵抗体として使用できる。

本発明の第一の実施形態を示す抵抗体構造を有するＭＯＳ型トランジスタの模式断面図である（ａ）本発明の第二の実施形態を示す抵抗体構造を有するＭＯＳ型トランジスタの模式断面図である。（ｂ）縦型抵抗体の拡大鳥瞰図である。本発明の第三の実施形態を示す抵抗体構造を有するＭＯＳ型トランジスタの模式断面図である。従来技術の薄膜抵抗の構造を有する半導体のＭＯＳ型トランジスタの模式断面図である。

本発明における抵抗体を有する半導体装置の構造を以下では図面を用いて説明する。
図１は本発明の第一の実施形態による抵抗素子を有する半導体装置の模式断面図である。図示した半導体装置は、半導体シリコン基板の表面にＭＯＳトランジスタと縦型抵抗体を有している。

最初にＭＯＳトランジスタが形成されている領域について説明する。Ｐ型導電性の半導体シリコン基板１の表面に、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法によって形成された素子分離のためのフィールド酸化膜２が設けられている。フィールド酸化膜２の無い領域はＭＯＳトランジスタ形成領域で半導体シリコン基板上にゲート酸化膜３を介してゲート電極４が設けられている。ゲート電極は通常多結晶シリコンを主たる成分としている。ゲート電極４の上面及び側面は第一の絶縁膜７で被覆され、また、ゲート電極４の両側の半導体シリコン基板１の表面にはソース領域５とドレイン領域６が形成されている。ソース領域５とドレイン領域６には第一の絶縁膜を貫通して第一の金属配線８の一方の端部が接触するように設けられ、それぞれソース電極とドレイン電極として機能する。第一の金属配線８の他端部は第一の絶縁膜７上にあって、上層の第二の金属配線１１ｃと接触している。なお、第一の金属配線８と第二の金属配線１１ｃの間には第二の絶縁膜９が設けられている。

次に、縦型抵抗体が配置された領域の構造について説明する。フィールド酸化膜２の上には第一の絶縁膜７が設けられ、第一の絶縁膜７の上には第一の金属配線８が形成され、第一の金属配線膜８の上には第二の絶縁膜９、そして第二の金属配線１１が順に設けられている。第一の金属配線８と第二の金属配線１１の間には第二の絶縁膜９を貫通して円柱状で縦長の縦型抵抗体１０ａ、１０ｂが形成されている。円柱の半径をＲ、縦型抵抗体１０ａ、１０ｂの縦方向の長さをＬとすると、縦長であるためには２Ｒ＜Ｌであることが必要である。導電性の高抵抗多結晶シリコンからなる縦型抵抗体１０ａ、１０ｂの上端は互いに離間した第二の金属配線１１ａ、１１ｂに各々接続され、下端は共に第一の金属配線８に接続されている。したがって、第一の金属配線８に接続された２つの縦型抵抗体１０ａ、１０ｂが抵抗素子の一つの基本単位となる。

以上説明したように、本発明の半導体装置における縦型抵抗体は、半導体基板に対して垂直に長い円筒状の膜構造で、かつ、その上下に電極を取る構造となっているため、占有面積の小さい抵抗体となる。

図２（ａ）は本発明の第二の実施形態を示す抵抗体構造を有するＭＯＳ型トランジスタの模式断面図である。
本半導体装置は、半導体シリコン基板の表面にＭＯＳトランジスタと縦型抵抗体を有する構造であり、ＭＯＳトランジスタが配置された領域の構造は上記で説明した第一の実施形態と同じである。以下、縦型抵抗体が配置された領域の構造について説明する。

フィールド酸化膜２の上には第一の絶縁膜７が設けられ、第一の絶縁膜７の上には第一の金属配線８が形成され、第一の金属配線膜８の上には第二の絶縁膜９、そして第二の金属配線１１が順に設けられている。第一の金属配線８と第二の金属配線１１の間には第二の絶縁膜９を貫通して縦長の縦型抵抗体１０ａ、１０ｂが形成されている。縦型抵抗体１０ａ、１０ｂの上端は互いに離間した第二の金属配線１１ａ、１１ｂに各々接続され、下端は共に第一の金属配線８に接続されている。図２（ａ）では縦型抵抗体１０ａ，１０ｂとしてそれぞれ２本の細長い矩形により示されているが、これは抵抗体材料である薄膜からなる円筒状の形状を有する縦型抵抗体の断面を示すためであり、２本の矩形は連続した薄膜からなる円筒状の抵抗体を縦に切断した切り口を示している。これは図２（ｂ）の鳥瞰図から理解を深めることができる。縦型抵抗体１１ａ、１１ｂは円筒状でコンタクトホールの内壁面に薄膜状に形成されている。薄膜状の縦型抵抗体１０ａ、１０ｂの中心部には円柱状の第三の絶縁膜１５が設けられている。すなわち、円筒の中心軸に沿って上から見れば同心円状である。縦型抵抗体１１ａ、１１ｂの外径を２Ｒ、内径を２ｒとし、縦方向の長さをＬとする。縦長であるので２Ｒ＜Ｌとなっている。このような形状とすることで、第一の実施形態の縦型抵抗体よりも高抵抗でボイドの無い縦型抵抗体とすることができる。また、厚みを薄く作成することで温度変化に対する抵抗変化が少なく占有面積の少ない縦型抵抗体とすることができる。第一の実施形態と同様に第一の金属配線８に接続された２つの縦型抵抗体１０ａ、１０ｂが抵抗素子の一つの基本単位となる。

なお、抵抗体の材質は導電性の高抵抗多結晶シリコンのほか、タングステンシリサイド、クロムシリサイド、モリブデンシリサイド、ニクロム、チタンのいずれかひとつから選んでも良い。また、二種類以上の材料からなる多層膜とすることも可能である。

図３は本発明の第三の実施形態を示す抵抗体構造を有するＭＯＳ型トランジスタの模式断面図である。
第二の実施形態と異なるところは二つの縦型抵抗体１０ａ、１０ｂの下端を電気的に接続している下層電極４ａがＭＯＳトランジスタのゲート電極４と同じ材料からなることである。材料としては、例えば、不純物であるリン、ヒ素あるいはホウ素を高濃度に拡散した低抵抗の多結晶シリコンを用いることができる。この構造の場合、電極４ａはフィールド酸化膜２の上に設けられるので、第二の実施形態よりも縦型抵抗体１０ａ、１０ｂの縦方向の長さを大きくすることができ、縦型抵抗体１０ａ、１０ｂの抵抗値を大きくすることが可能である。縦型抵抗体をブリーダー抵抗に用いる場合は、抵抗体に流れる電流値を小さくするために抵抗値の大きなものが使用されるので、こうした応用に好適である。さらにこの構造においては、金属配線は１層のみとすることも可能であり、半導体装置の製造工程を簡略にすることが可能である。

１半導体シリコン基板
２フィールド酸化膜
３ゲート酸化膜
４ゲート電極
５ソース領域
６ドレイン領域
７第一の絶縁膜
８第一の金属配線
９第二の絶縁膜
１０ａ縦型抵抗体
１０ｂ縦型抵抗体
１１ａ第二の金属配線
１１ｂ第二の金属配線
１１ｃ第二の金属配線
１２多結晶シリコン薄膜抵抗
１５第三の絶縁膜

Claims

半導体基板とその上に設けられた抵抗素子とを有する半導体装置であって、
前記抵抗素子は、
前記半導体基板の表面の上方に第１の絶縁膜を介して設けられた下層電極と、
前記下層電極の上方に前記下層電極と第２の絶縁膜を介して離間して設けられ、前記第２の絶縁膜上でさらに互いに離間して配置された二つの上層電極と、
前記第２の絶縁膜内に配置され、前記下層電極と前記二つの上層電極とに両端部が接続された二つの円筒形状の縦型抵抗体と、
からなることを特徴とする半導体装置。
前記二つの円筒形状の縦型抵抗体はそれぞれ、円柱形状の第３の絶縁膜の周囲を同心円状に円筒形状の抵抗体材料が取り囲んでいる縦型抵抗体である請求項１記載の半導体装置。
ゲート電極を有するＭＯＳトランジスタをさらに有し、前記下層電極が前記ゲート電極と同じ材料からなる請求項１記載の半導体装置。
前記下層電極が最下層の金属配線である請求項１の半導体装置。
前記抵抗体材料がタングステンシリサイド、クロムシリサイド、モリブデンシリサイド、ニクロム、チタン、多結晶シリコンのいずれか一つからなることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
半導体基板とその上に設けられた抵抗素子とを有する半導体装置であって、
前記抵抗素子は、
前記半導体基板の表面の上方に第１の絶縁膜を介して設けられた下層電極と、
前記下層電極の上方に前記下層電極と第２の絶縁膜を介して離間して設けられ、前記第２の絶縁膜上でさらに互いに離間して配置された二つの上層電極と、
前記第２の絶縁膜内に配置され、前記下層電極と前記二つの上層電極とに両端部が接続された二つの円柱形状の縦型抵抗体と、
からなることを特徴とする半導体装置。