JP2014165444A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンタクト部の熱焼損を防ぎつつ省面積化が可能な半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第1導電型の第1半導体層211Pと、第1半導体層211P内で互いに分離するように配置された一対の第1電極212N、213Nと、一対の第1電極212N、213N間の第1半導体層211P上に誘電体膜216を間にして設けられた第2電極217と、一対の第1電極212N、213Nにそれぞれ電気的に接続された一対の接続部215A、215Bとを備えたものであり、一対の第1電極212N、213Nの少なくとも一方は、架橋部218により接続された第1領域213Aおよび第2領域213Bに分離されている。
【選択図】図1B
【解決手段】第1導電型の第1半導体層211Pと、第1半導体層211P内で互いに分離するように配置された一対の第1電極212N、213Nと、一対の第1電極212N、213N間の第1半導体層211P上に誘電体膜216を間にして設けられた第2電極217と、一対の第1電極212N、213Nにそれぞれ電気的に接続された一対の接続部215A、215Bとを備えたものであり、一対の第1電極212N、213Nの少なくとも一方は、架橋部218により接続された第1領域213Aおよび第2領域213Bに分離されている。
【選択図】図1B
Description
本開示は、OTP(One Time Programmable)素子等の記憶素子に好適な半導体装置およびその製造方法に関する。
OTP素子は、装置の電源がオフになっても情報を保存することが可能な不揮発性の記憶素子であり、従来、例えばフューズ(fuse)型やアンチフューズ(anti-fuse)型等のいくつかの構造が提案されている。
fuse型のOTP素子では、例えば、多結晶シリコン等で形成された抵抗素子に対して大電流を流すことにより抵抗体を溶断し、両電極間をショート(短絡)状態からオープン(開放)状態に変化させることによって、情報の書き込み動作を行うようになっている。但し、fuse型のOTP素子は上記のように書き込みの際に大電流を流すため、大電流を流すことが可能な電流能力の高いトランジスタや、大電流を流し得る幅の広い配線が必要となる。このため、周辺回路を含めた全体の面積が大きくなるという問題があった。
一方、anti-fuse型のOTP素子では、例えば、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型の容量素子に対して絶縁耐圧以上の電圧を印加し、誘電体膜を絶縁破壊して大電流を流すことで電極部分に形成されている合金(例えばシリサイド)を融解し、融解した金属が電極間でフィラメントを形成することで両電極間をオープン状態からショート状態に変化させるようになっている。これにより、情報の書き込み動作がなされる(例えば、特許文献1参照)。anti-fuse型のOTP素子では書き込み時にfuse型ほどの大電流は必要ではないため面積の点で有利であると共に、消費電力を抑えられる。
しかしながら、フィラメントの形成にはある程度の大電流(例えば数mA〜100mA程度)が必要であり、このフィラメント形成時に発生する熱によって電極とのコンタクト部やその先の配線部において熱焼損が発生するという虞があった。熱焼損を回避する方法としては、コンタクト部および配線部を高熱が発生する領域から離すことが考えられるが、その場合は同時に電極部分が大きくなるため素子部の面積が増大する。また、電極部分を大きくすると放熱効果が高くなるためフィラメントの形成に必要な熱が発生し難くなり、消費電力が増加すると共に、書き込み時間も増大するという問題が生じる。
本技術はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、コンタクト部の熱焼損を防ぎつつ省面積化が可能な半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本技術の半導体装置は、第1導電型の第1半導体層と、第1半導体層内で互いに分離するように配置された一対の第1電極と、一対の第1電極間の第1半導体層上に誘電体膜を間にして設けられた第2電極と、一対の第1電極にそれぞれ電気的に接続された一対の接続部とを備えたものであり、一対の第1電極の少なくとも一方は、架橋部により接続された第1領域および第2領域に分離されている。
本技術の半導体装置の製造方法は、以下の(A)〜(E)の工程を含むものである。
(A)第1導電型の第1半導体層内に少なくとも一方が第1領域および第2領域に分離された一対の第1電極を形成する工程
(B)第1半導体層上における一対の第1電極の間に誘電体膜を形成する工程
(C)誘電体膜上に配設された第2電極を形成する工程
(D)第1領域と第2領域とを電気的に接続する架橋部を形成する工程
(E)一対の第1電極に接続された一対の接続部を形成する工程
(A)第1導電型の第1半導体層内に少なくとも一方が第1領域および第2領域に分離された一対の第1電極を形成する工程
(B)第1半導体層上における一対の第1電極の間に誘電体膜を形成する工程
(C)誘電体膜上に配設された第2電極を形成する工程
(D)第1領域と第2領域とを電気的に接続する架橋部を形成する工程
(E)一対の第1電極に接続された一対の接続部を形成する工程
本技術の半導体装置およびその製造方法では、第1電極の少なくとも一方を第1領域および第2領域に分離し、この第1領域と第2領域とを電気的に接続する架橋部を設けることにより、書き込み時に一対の第1電極間に発生する熱を閉じ込めると共に、第2領域に接続された接続部への熱伝導を抑制することが可能となる。
本技術の半導体装置およびその製造方法によれば、第1電極を、書き込み時における熱閉じこめ領域(第1領域)と接続部との接続領域(第2領域)とに分割して設けるようにした。これにより、書き込み、即ち導電パスの形成に必要な熱の拡散を防ぐと共に、接続領域の接続部との接合部への熱伝導が抑制される。よって、接合部の熱焼損を防ぎつつ省面積化を図ることが可能となる。
以下、本技術の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(MOSトランジスタ構造;第1領域と第2領域との架橋部を導電体膜によって形成した例)
1−1.基本構成
1−2.記憶装置の構成
1−3.製造方法
1−4.作用・効果
2.第2の実施の形態(架橋部にシェアードコンタクトを用いた例)
3.第3の実施の形態(架橋部を絶縁膜内に形成した例)
4.変形例(ソース・ドレイン型記憶素子の例)
変形例1
変形例2
変形例3
その他の変形例
1.第1の実施の形態(MOSトランジスタ構造;第1領域と第2領域との架橋部を導電体膜によって形成した例)
1−1.基本構成
1−2.記憶装置の構成
1−3.製造方法
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2.第2の実施の形態(架橋部にシェアードコンタクトを用いた例)
3.第3の実施の形態(架橋部を絶縁膜内に形成した例)
4.変形例(ソース・ドレイン型記憶素子の例)
変形例1
変形例2
変形例3
その他の変形例
<1.第1の実施の形態>
(1−1.基本構成)
図1Aは本開示の第1の実施の形態に係る半導体装置(記憶装置1)を構成する半導体素子(記憶素子21)の平面構成を表したものである。図1Bは図1Aに示した記憶素子21のI−I線における断面構成を表している。この記憶素子21は書き込み動作によって情報の記憶が行われる素子であり、詳細は後述するが、いわゆるanti-fuse型のOTP素子である。本実施の形態における記憶素子21はMOS型トランジスタ構造を有するものであり、ソース電極およびドレイン電極に相当する半導体層212Nおよび半導体層213N(一対の第1電極)を有している。ここでは半導体層213N(ドレイン電極)が熱閉じこめ領域213A(第1領域)と接続領域213B(第2領域)とに分割された構成を有する。この熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとは導電体膜218によって電気的に接続されている。
(1−1.基本構成)
図1Aは本開示の第1の実施の形態に係る半導体装置(記憶装置1)を構成する半導体素子(記憶素子21)の平面構成を表したものである。図1Bは図1Aに示した記憶素子21のI−I線における断面構成を表している。この記憶素子21は書き込み動作によって情報の記憶が行われる素子であり、詳細は後述するが、いわゆるanti-fuse型のOTP素子である。本実施の形態における記憶素子21はMOS型トランジスタ構造を有するものであり、ソース電極およびドレイン電極に相当する半導体層212Nおよび半導体層213N(一対の第1電極)を有している。ここでは半導体層213N(ドレイン電極)が熱閉じこめ領域213A(第1領域)と接続領域213B(第2領域)とに分割された構成を有する。この熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとは導電体膜218によって電気的に接続されている。
半導体層211P(第1半導体層)は、例えば半導体基板を構成するものであり、例えばP型(第1導電型)の半導体層である。この半導体層211Pは、例えば、シリコン(Si)等にホウ素(B)等の不純物をドープさせた半導体材料からなる。また、半導体層211Pを構成する材料はこれに限らず、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板を用いてもよい。
半導体層212Nおよび半導体層213Nは、ソース電極およびドレイン電極に相当するものであり、半導体層211P内において所定の間隔を隔てて互いに分離するように配設されている。半導体層212Nおよび半導体層213Nは、例えばN型(第2導電型)の半導体層(いわゆるN+層を構成)であり、これらの半導体層212N,213Nはそれぞれ、例えば、Si等にヒ素(As)やリン(P)等の不純物をドープさせた半導体材料からなる。半導体層212Nおよび半導体層213Nの厚みは、例えば50〜200nm程度である。このような半導体層212N,213Nは、半導体層211Pの領域内において、セルフアライン(自己整合型)による手法や、所定のフォトレジストや酸化膜等のマスクパターンを用いた手法により容易に形成することできる。ここで、これらの半導体層212N,213N間の距離は、できるたけ短くすることが望ましい(例えば、50〜200nm程度)。これにより、素子サイズの小さな記憶素子21を実現することができるからである。
本実施の形態における半導体層213N(ドレイン電極に相当)は、素子分離膜214(絶縁膜214A)を間に熱閉じこめ領域213A(第1領域)と接続領域213B(第2領域)とに分離されて配設されている。この熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとは後述する導電体膜218によって電気的に接続されている。
絶縁膜214Aが一体となっている素子分離膜214は、半導体層211P内の上面に面して配設されており、半導体層212Nおよび半導体層213Nの半導体層212N−213N間を除く周囲に配設されている。素子分離膜214は(半導体層213N、特に熱閉じこめ領域213Aへの)電圧の印加によって発熱する半導体層212N−213N間に発生する熱の拡散を防ぐものである。また、熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとの間を断熱して接続領域213Bと後述するコンタクト部215Bとの接合部等を熱焼損から保護するものである。素子分離膜214の材料としては、一般的な絶縁材料、例えば酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(SiNx)等が挙げられ、その厚みは、例えば100〜800nm程度である。
誘電体膜216は、半導体層211P上において、半導体層212N,213N間に対応する領域(ここでは、半導体層212N−213N間の領域、およびこれら半導体層212N,213Nにおける一部の領域)に設けられている。この誘電体膜216は、例えば、SiO2等のMOSトランジスタにおける一般的なゲート絶縁膜と同様の絶縁材料(誘電体)からなり、その厚みは、例えば数nm〜20nm程度である。
導電体膜217はゲート電極に相当するものであり、誘電体膜216の形成領域(導電体膜217)上に設けられており、これにより、下層型の誘電体膜216と上層側の導電体膜217とからなる積層構造が形成されている。導電膜218は、熱閉じこめ領域213A,接続領域213B間に対応する領域(ここでは、熱閉じこめ領域213A−接続領域213B間の領域、およびこれら熱閉じこめ領域213A,接続領域213Bにおける一部の領域)に設けられ、これにより熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとが電気的に接続されている。導電体膜217,218は、例えば多結晶シリコンやシリサイド金属等の導電性材料からなり、その厚みは、例えば50〜500nm程度である。また、導電性膜218はチタンナイトライド(TiN)、ニッケルシリサイド(NiSi2)等の金属材料を用いて形成しても構わない。
絶縁層219は、半導体層212N,213Nおよび導電体膜217,218上を覆うように設けられている。この絶縁層219は、例えば、SiO2やSiNX等の絶縁材料からなり、その厚みは、例えば50〜2000nm程度である。
コンタクト部215A,215B(一対の接続部)はそれぞれ、例えばタングステン(W)やアルミニウム(Al)等の金属等の導電性材料からなるものである。コンタクト部215Aは、半導体層212N上においてこの半導体層212Nと配線層220とが電気的に接続されるように素子分離膜214内に設けられている。また、コンタクト部215Bは、半導体層213Nの接続領域213B上において接続領域213Bと配線層221とが電気的に接続されるように素子分離膜214内に設けられている。
図2Aはこの記憶素子21の書き込み動作前の断面構成を、図2Bは書き込み動作後の断面構成をそれぞれ表わしたものである。図2Aに示したように、書き込み動作前における記憶素子21は、半導体層211P,212N,213N(213A,213B)と、コンタクト部215A,215Bと、素子分離膜214と、絶縁層219と、誘電体膜216、導電体膜217,218とを有している。
一方、図2Bに示したように、書き込み動作後における記憶素子21では、上記した半導体層211P,212N,213N(213A,213B)、コンタクト部215A,215B、素子分離膜214、絶縁層219、誘電体膜216および導電体膜217,218に加え、以下に説明するフィラメント210(導電経路部)が形成されている。
このフィラメント210は、半導体層211Pを介して半導体層212Nと半導体層213Nとの間の領域に形成されており、これらの半導体層212N,213N同士を電気的に繋ぐ導電パス(導電経路)として機能するようになっている。換言すると、この図2Bに示した記憶素子21では、フィラメント210によって、半導体層212N,213N間が所定の抵抗値をもって(抵抗成分によって)短絡されている(ショート状態となっている)。このようなフィラメント210は、半導体層213Nの熱閉じこめ領域213Aと導電体膜217との間に所定の閾値以上の電圧V1を印加したときに、例えば電極213A、コンタクト部215A、導電体218を構成する導電体成分および電極213Aに塗布されたシリサイド合金がマイグレーションによって移動することにより形成されたものである。
このフィラメント210は、以下の原理で形成されるものと考えられる。即ち、まず、記憶素子21の半導体層213Nの熱閉じこめ領域213Aと導電体膜217との間に上記電圧V1が印加されると、誘電体膜216の少なくとも一部分において絶縁破壊が生じる。すると、導電体膜217と半導体層213Nとの間に急激に電流が流れることになる。ここで、この誘電体膜217の絶縁破壊は、電界強度が相対的に高くなる半導体層213N側で主に発生するが、誘電体膜216の界面の状態や膜厚、形状が完全には均一でないため、全体的に一様に生じるわけでなく、その中でも絶縁破壊電圧が相対的に低い局所的な領域で発生する。そのため、誘電体膜216の絶縁破壊時には、上記した電流が局所的に流れるために大きな電流密度となり、大きな発熱を伴うと共に、半導体層211Pにおける誘電体膜216の下方領域において、半導体結晶(例えばシリコン結晶)に大きなダメージが生じる。そして、このダメージにより生じたリークパスを起点として、発熱による近傍の温度上昇の影響もあり、半導体層212N,213N間の電位差によってこれらの半導体層間に瞬間的に電流が流れ、接合破壊が起こる。すると、この際に流れる電流に起因した熱によるマイグレーションによって、電極213A、コンタクト部215Bを構成する導電体成分およびコンタクト部215Aを構成する導電体成分のうちの少なくとも一方が半導体層211P内へと移動し、その結果、フィラメント210が形成されると考えられる。
このように、本実施の形態の記憶装置1の、上記の書き込み動作がなされていない(情報が書き込まれていない)記憶素子21では、図2Aに示したように、半導体層212N,213N同士が電気的に分離された開放状態(オープン状態)である。一方、上記の書き込み動作後の(情報が書き込まれた)記憶素子21では、図2Bに示したように、フィラメント210の形成によって、半導体層212N,213N同士が抵抗成分で電気的に接続された状態(ショート状態)となる。また、それと共に書き込み動作後の記憶素子21では、上記したように、誘電体膜216の少なくとも一部分が絶縁破壊されている。このようにして、記憶素子21をanti-fuse型のOTP素子として機能させることができる。
なお、上記した書き込み動作前の「オープン状態」においては、実際には微小のリーク電流が流れるため、厳密には完全なオープン状態とはなっていない。ただし、書き込み動作前(フィラメント210の形成前)と書き込み動作後(フィラメント210の形成後)とでは、半導体層212N,213N間に流れる電流の差が大きいことから、これらの動作前後の状態を区別して検出することが可能となっている。
(1−2.記憶装置の構成)
図3は本実施の形態の記憶装置1のブロック構成を表したものである。記憶装置1は、上述したように情報(データ)を1回に限り書き込むことができると共に、何度もその書き込んだ情報を読み出すことができ、且つ情報の消去は行うことができない記憶装置(いわゆる、OTP ROM(Read Only Memory))である。この記憶装置1は、複数の記憶素子21(メモリセル20)を有するメモリアレイ2と、ワード線駆動部31と、ビット線駆動部・センスアンプ32とを備えている。これらのうち、ワード線駆動部31およびビット線駆動部・センスアンプ32が、駆動部(書き込み動作部,プログラミング動作部)に対応する。
図3は本実施の形態の記憶装置1のブロック構成を表したものである。記憶装置1は、上述したように情報(データ)を1回に限り書き込むことができると共に、何度もその書き込んだ情報を読み出すことができ、且つ情報の消去は行うことができない記憶装置(いわゆる、OTP ROM(Read Only Memory))である。この記憶装置1は、複数の記憶素子21(メモリセル20)を有するメモリアレイ2と、ワード線駆動部31と、ビット線駆動部・センスアンプ32とを備えている。これらのうち、ワード線駆動部31およびビット線駆動部・センスアンプ32が、駆動部(書き込み動作部,プログラミング動作部)に対応する。
ワード線駆動部31は、行方向に平行して配置された複数(ここではm(m:2以上の整数)個)のワード線WL1〜WLmに対して、所定の電位(後述するワード線電位)を印加するものである。
ビット線駆動・センスアンプ部32は、列方向に平行して配置された複数(ここではm個)のビット線BL1〜BLmに対して、所定の電位(後述する書き込み動作用の電圧)を印加するものである。これにより、メモリセル20内の後述する記憶素子21に対して所定の電圧V1が印加され、後述する情報の書き込み動作がなされるようになっている。このビット線駆動・センスアンプ部32はまた、上記したm個のビット線BL1〜BLmを用いて、各メモリセル20から情報の読み出し動作を行うと共に、内部のセンスアンプにおいて所定の信号増幅処理を行う機能も有している。なお、以下ではビット線BL1〜BLmの総称として、ビット線BLを適宜用いるものとする。
このようにして、ワード線駆動部31およびビット線駆動部・センスアンプ32は、メモリアレイ2内の複数のメモリセル20の中から駆動対象(動作対象)となるメモリセル20を選択し、情報の書き込み動作または読み出し動作を選択的に行うようになっている。
メモリアレイ2では、例えば、図3に示したように複数のメモリセル20が行列状(マトリクス状)に配置されている。図4はメモリアレイ2の回路構成の一例を表したものである。このメモリアレイ2では、各メモリセル20に対して1つのワード電WLと1つのビット線BLとが接続されている。
また、各メモリセル20は、1つの記憶素子21と1つの選択トランジスタ22とを有しており、いわゆる「1T1R」型の回路構成となっている。このメモリセル20では、選択トランジスタ22のゲートにはワード線WLが接続されている。記憶素子21におけるソースおよびドレインのうちの一方にはビット線BLが接続され、他方には選択トランジスタ22における後述するコンタクト部215B(ここではドレイン電極)が接続されている。また、選択トランジスタ22における後述するコンタクト部215A(ここではソース電極)は、グランド(接地)GNDに接続され、コンタクト部217(ゲート電極)は、所定の電位(ゲート電位Vg)に設定されるようになっている。即ち、このメモリセル20では、ビット線BLとグランドGNDとの間で、1つの記憶素子21と1つの選択トランジスタ22とが互いに直列接続されている。
選択トランジスタ22は、駆動対象(書き込み動作対象または読み出し動作対象)の記憶素子21を選択するためのトランジスタであり、例えばMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタからなる。ただし、これには限られず、他の構造のトランジスタを用いてもよい。
(1−3.製造方法)
以下に、図5A〜図5Fを用いて記憶素子21の製造方法を説明する。なお、図1Aに示した記憶素子21の構造は、一般的なMOSトランジスタの形成工程と同様の手法(例えば、MOSトランジスタのゲートをマスクにしたセルフアラインのソース・ドレイン形成工程)を用いることにより、容易に形成することが可能である。その場合、互いに分離された半導体層212N,213N間の距離を狭く形成することができると共に、寸法の制御性も良好に形成することが可能である。
以下に、図5A〜図5Fを用いて記憶素子21の製造方法を説明する。なお、図1Aに示した記憶素子21の構造は、一般的なMOSトランジスタの形成工程と同様の手法(例えば、MOSトランジスタのゲートをマスクにしたセルフアラインのソース・ドレイン形成工程)を用いることにより、容易に形成することが可能である。その場合、互いに分離された半導体層212N,213N間の距離を狭く形成することができると共に、寸法の制御性も良好に形成することが可能である。
具体的には、まず、図5Aに示したように、半導体層211Pに素子分離膜214を配設するための凹部211Aを例えばエッチングによって形成する。続いて、図5Bに示したように凹部211Aに、例えばSiO2を埋没させ素子分離膜214を配設したのち、図5Cに示したようにイオン照射装置を用いた不純物注入を行うことにより所定の領域に半導体層212N,213Nを形成する。
次に、図5Dに示したように、素子分離膜214および半導体層212N,213Nが形成された半導体層211Pの全面に誘電体膜を塗布形成したのち、所定の領域以外の誘電体膜をエッチング等によって除去して誘電体膜216を形成する。続いて、半導体層211P上および誘電体膜216上に導電体膜を例えばスパッタ等によって成膜したのち、例えばエッチング等によって加工して導電体膜217,218を形成する。
次に、図5Eに示したように半導体層211および導電体膜217,218の全面にわたって絶縁層219を塗布形成したのち、図5Fに示したように所定の位置に貫通孔219A,219Bを形成する。最後に貫通孔219A,219B内に、例えばW等の金属材料を充填したのち、絶縁層219上に例えばAlからなる配線層220,221を形成することにより、図1A,1Bに示した記憶素子21が完成する。
(1−4.作用・効果)
この記憶装置1では、図3および図4に示したように、ワード線駆動部31が、m個のワード線WL1〜WLmに対して所定の電位(ワード線電位)を印加する。また、それと共に、ビット線駆動・センスアンプ部32が、m個のビット線BL1〜BLmに対して所定の電位(書き込み動作用の電圧)を印加する。これにより、メモリアレイ2内の複数のメモリセル20の中から駆動対象(書き込み動作対象)となるメモリセル20が選択され、その中の記憶素子21に対して後述する所定の電圧V1が印加されることにより、情報の書き込み動作(1回限り)が選択的に行われる。
この記憶装置1では、図3および図4に示したように、ワード線駆動部31が、m個のワード線WL1〜WLmに対して所定の電位(ワード線電位)を印加する。また、それと共に、ビット線駆動・センスアンプ部32が、m個のビット線BL1〜BLmに対して所定の電位(書き込み動作用の電圧)を印加する。これにより、メモリアレイ2内の複数のメモリセル20の中から駆動対象(書き込み動作対象)となるメモリセル20が選択され、その中の記憶素子21に対して後述する所定の電圧V1が印加されることにより、情報の書き込み動作(1回限り)が選択的に行われる。
一方、ビット線駆動・センスアンプ部32は、m個のビット線BL1〜BLmを用いて、駆動対象(読み出し動作対象)のメモリセル20内の記憶素子21から、情報の読み出し動作を行うと共に、内部のセンスアンプにおいて所定の信号増幅処理を行う。これにより、記憶素子21から情報の読み出し動作が選択的に行われる。
ここで、駆動対象(書き込み動作対象または読み出し動作対象)のメモリセル20(記憶素子21)を選択する際には、そのメモリセル20に接続されたワード線WLに対して所定の電位(ワード線電位)が印加されると共に、接続されたビット線BLに対して所定の電圧(書き込み動作用の電圧)が印加される。一方、駆動対象外のメモリセル20では、接続されたワード線WLに対してグランド電位(例えば0V)が印加されると共に、接続されたビット線BLがフローティング状態あるいはグランド電位(0V)に設定される。このようにして、駆動対象のメモリセル20内の選択トランジスタ22をオン状態とし、駆動対象の記憶素子21を選択したうえで、書き込み動作または読み出し動作が行われる。
ここで、書き込み動作について説明する。メモリセル20は、上述したように、トランジスタにより構成された1つの記憶素子21と、1つの選択トランジスタ22とを有している。このメモリセル20では、選択トランジスタ22のゲートにはワード線WLが接続されている。選択トランジスタ22におけるソースおよびドレインのうちの一方にはビット線BLが接続され、他方には、記憶素子21におけるソースおよびドレインのうちの一方が接続されている。また、記憶素子21におけるソースおよびドレインのうちの他方はグランドGNDに接続され、ゲートは、所定のゲート電なるVgが印加させるゲート線GLに接続されている。
この記憶素子21への書き込み動作の際には、まず、記憶素子21および選択トランジスタ22の各ゲートに対し、所定の閾値電圧Vth以上の電圧が印加され、ともにオン状態に設定される(記憶素子21のゲート電圧Vg>Vth)。次いで、ビット線BLに対して記憶素子21および選択トランジスタ22の各耐圧を超えない電圧が印加され、記憶素子21および選択トランジスタ22へそれぞれ電流が流れる状態に設定される。続いて、記憶素子21のゲート電圧Vgが下げられ(例えば、Vg=グランドGNDの電位)、記憶素子21がスナップバックモードに設定される。これにより、上記したように記憶素子21のソース・ドレイン間に大電流が流れてPN接合が破壊される結果、ソース・ドレイン間がショートする(短絡する)。即ち、この記憶素子21では一般的なanti-fuse型のOTP素子と同様に、両電極(ソース・ドレイン)間がオープン状態からショート状態に変化することにより、情報の書き込み動作がなされる。
図6Aおよび図6Bはそれぞれ、一般的な記憶素子101の平面構成および断面構成を表したものである。上述した書き込み動作においてゲート(導電体膜1017)と、例えばドレイン(半導体層1013N)との間に高電圧を印加することによって誘電体膜1016の少なくとも一部分(例えば、半導体層1013N側の領域の一部分)を絶縁破壊させ、導電体膜1016と半導体層1013Nとの間に電流が流れるようになる。その結果半導体層1012N,1013N間に、それら半導体層同士を電気的につなぐ導電パスであるフィラメント(図示せず)が形成されるが、同時に電圧印加時に発生する高熱によってコンタクト部1015や配線層1021が焼損する虞がある。
これに対して、本実施の形態の記憶素子21およびその製造方法では、ドレイン電極に相当する半導体層213Nを熱閉じこめ領域213Aおよび接続領域213Bとに分割し、この熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとの間に絶縁膜214Aを配設するようにした。また、この絶縁膜214A上に導電体膜218を設けて熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとが電気的に接続されるようにした。これにより、書き込み時に導電体217と熱閉じこめ領域213Aとの間に発生する熱の拡散を防ぐと共に、接続領域213Bへの熱伝導が抑制される。
以上のように本実施の形態では、半導体層213Nを熱閉じこめ領域213Aおよび接続領域213Bとに分割し、この熱閉じこめ領域213Aと導電体膜217との間に電圧を印加するようにした。また、接続領域213Bに配線層221と接続するコンタクト部215Bを形成するようにした。これにより、半導体層213Nの面積を大きくすることなく、熱閉じこめ領域213Aおよび導電体膜217への電圧印加において発生する熱を熱閉じこめ領域213Aに閉じ込めることができると共に、配線層221と接続するコンタクト部215Bとの接合部の熱焼損を防ぐことができる。即ち、記憶素子21の省面積化を図ることが可能となる。
なお、本実施の形態の記憶素子2はゲート・ストレス型のOTP素子であり、大電圧の印加によって発生する高熱は印加した電極、ここでは半導体層213Nの接続部(コンタクト部215A)にのみ影響、具体的には熱焼損を与える恐れがある。このため、熱焼損等の影響を受けない半導体層212N側の面積および形状などは特に問わない。
以下、第2,第3の実施の形態および変形例1〜3について説明する。なお、第1の実施の形態と同一の構成要素については同一符号を付してその説明は省略する。
<2.第2の実施の形態>
図7Aは本開示の第2の実施の形態に係る記憶装置1を構成する記憶素子31の平面構成を表したものである。図7Bは図7Aに示した記憶素子31のI−I線における断面構成を表している。この記憶素子31は熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとの間を、シェアードコンタクト222を用いて電気的に接続した点が上記第1の実施の形態とは異なる。なお、ここでは導電体膜217と同様に、導電体膜218の下層側に誘電体膜216が形成された状態であり、熱閉じこめ領域213Aは接続領域213Bを介さずに、配線層221に電気的に接続されている。具体的には、熱閉じこめ領域213Aはシェアードコンタクト222および導電体膜218を介してコンタクト部215Bに接続されている。
図7Aは本開示の第2の実施の形態に係る記憶装置1を構成する記憶素子31の平面構成を表したものである。図7Bは図7Aに示した記憶素子31のI−I線における断面構成を表している。この記憶素子31は熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとの間を、シェアードコンタクト222を用いて電気的に接続した点が上記第1の実施の形態とは異なる。なお、ここでは導電体膜217と同様に、導電体膜218の下層側に誘電体膜216が形成された状態であり、熱閉じこめ領域213Aは接続領域213Bを介さずに、配線層221に電気的に接続されている。具体的には、熱閉じこめ領域213Aはシェアードコンタクト222および導電体膜218を介してコンタクト部215Bに接続されている。
シェアードコンタクト222は、上述したコンタクト部215A,215Bと同じ材料および同一工程において形成されたものであり、例えば熱閉じこめ領域213Aから導電体膜218の側面を介して導電体膜218の上面の一部を覆うように形成されている。
シェアードコンタクト222の具体的な形成方法としては、まず、上記第1の実施の形態と同様に、半導体層212N,213Nおよび絶縁膜214Aが設けられた半導体層211Pの全面にわたって誘電体を塗布する。続いて、この誘電体膜上に導電体をスパッタ等を用いて成膜したのち、エッチングを用いて所定の位置、例えば熱閉じこめ領域213Aおよび半導体層212N上の導電体膜および誘電体膜を除去することにより、誘電体膜216A,216Bおよび導電体膜217,218を形成する。次に絶縁層219を塗布したのち、エッチングによるホール開口およびスパッタあるいは埋め込みによる金属充填を行うことにより、コンタクト部215A,215Bおよびシェアードコンタクト222を形成する。以降、第1の実施の形態と同様の方法を用いて配線層220,221を形成することにより図7Aおよび図7Bに示した記憶装置1が完成する。
以上のように本実施の形態では、熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとの間を、シェアードコンタクト222を用いて電気的に接続するようにしたので、熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとを接続する導電体膜218の形成領域の誘電体膜の除去工程が省略される。即ち、第1の実施の形態と比較して製造工程を短縮することが可能となる。
なお、上述したように熱閉じこめ領域213Aは接続部213Bを介さずに、シェアードコンタクト222および導電体膜218を介してコンタクト部215Aに直接電気的に接続するようにしたので、半導体層213Nの接続領域213Bは省略しても構わない。
<3.第3の実施の形態>
図8Aは本開示の第3の実施の形態に係る記憶装置3の構成する記憶素子41の平面構成を表したものである。図8Bは図8Aに示した記憶素子41のI−I線における断面構成を表している。この記憶素子41には、半導体層213Nの熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとの間に幅狭な領域を形成し、これを熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとを電気的に接続する架橋部(架橋構造213C)とした点が上記第1および第2の実施の形態とは異なる。
図8Aは本開示の第3の実施の形態に係る記憶装置3の構成する記憶素子41の平面構成を表したものである。図8Bは図8Aに示した記憶素子41のI−I線における断面構成を表している。この記憶素子41には、半導体層213Nの熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとの間に幅狭な領域を形成し、これを熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとを電気的に接続する架橋部(架橋構造213C)とした点が上記第1および第2の実施の形態とは異なる。
架橋構造213Cは、上述したように熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとの間の幅狭な半導体層213Nである。なお、架橋構造213Cの厚みは、熱閉じこめ領域213Aから接続領域123Bへの熱の伝導を抑えるためには、図8Bに示したように薄い方が好ましいが、半導体層213Nの厚みのままでも構わない。半導体層213Nの面積を抑えることによって、熱伝導率を十分に低減することができる。また、架橋構造213Cの下方には素子分離膜214はない方が好ましい。
以上のように本実施の形態では、熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bと分離する絶縁膜214Aに架橋構造213Cを形成するようにしたので、上記実施の形態において形成した導電体膜218やシェアードコンタクト222等の外部接続構造を形成することなく、熱閉じこめ領域213Aと接続領域213Bとが電気的に接続される。これにより、追加工程なしに、記憶素子41の構造を簡略化することが可能となる。
<4.変形例>
以下に、上記第1〜第3の実施の形態の変形例1〜3を説明する。この変形例1〜3の記憶装置2を構成する記憶素子51,61,71は、ソース・ドレイン型のOTP素子である。このソース・ドレイン型のOTP素子は以下の原理で動作すると考えられる。まず、記憶素子21の半導体層211PをGNDに設定し、熱閉じ込め領域213Aに正の電圧を印加、212Aに負の電圧を印加すると、半導体層213Aと半導体層211Pの境界に電圧がかかる。この電圧が逆方向降伏電圧を超えると急激に電流が流れる。この電流は電位差が大きい212A・213A間で流れるため、ドレイン・ソース間で大きな電流が流れ、熱が発生する。この発熱によるマイグレーションによって、電極213A、コンタクト部218Aを構成する導電体成分およびコンタクト部215Bを構成する導電体成分のうちの少なくとも一方が半導体層211P内へと移動し、その結果、フィラメント210が形成される。
以下に、上記第1〜第3の実施の形態の変形例1〜3を説明する。この変形例1〜3の記憶装置2を構成する記憶素子51,61,71は、ソース・ドレイン型のOTP素子である。このソース・ドレイン型のOTP素子は以下の原理で動作すると考えられる。まず、記憶素子21の半導体層211PをGNDに設定し、熱閉じ込め領域213Aに正の電圧を印加、212Aに負の電圧を印加すると、半導体層213Aと半導体層211Pの境界に電圧がかかる。この電圧が逆方向降伏電圧を超えると急激に電流が流れる。この電流は電位差が大きい212A・213A間で流れるため、ドレイン・ソース間で大きな電流が流れ、熱が発生する。この発熱によるマイグレーションによって、電極213A、コンタクト部218Aを構成する導電体成分およびコンタクト部215Bを構成する導電体成分のうちの少なくとも一方が半導体層211P内へと移動し、その結果、フィラメント210が形成される。
(変形例1)
図9Aは、上記第1の実施の形態の変形例に係る記憶素子51の断面構成を表したものである。図9Bは、図9Aに示した記憶素子51のI−I線における断面構成を表したものである。この記憶素子51は上記のように半導体層212Nに第1の実施の形態における半導体層213Nと同様の構造を適用したものである。具体的には、半導体層212Nを熱閉じこめ領域212Aおよび接続領域212Bに絶縁膜214Bを間に分離して配設したものであり、熱閉じこめ領域212Aと接続領域212Bとは導電体膜218Bによって電気的に接続したものである。なお、熱閉じこめ領域212A,213Aは必ずしも同じ大きさおよび同じ形状である必要はなく、各々独立して設計することができる。接続得領域212B,213Bも同様である。
図9Aは、上記第1の実施の形態の変形例に係る記憶素子51の断面構成を表したものである。図9Bは、図9Aに示した記憶素子51のI−I線における断面構成を表したものである。この記憶素子51は上記のように半導体層212Nに第1の実施の形態における半導体層213Nと同様の構造を適用したものである。具体的には、半導体層212Nを熱閉じこめ領域212Aおよび接続領域212Bに絶縁膜214Bを間に分離して配設したものであり、熱閉じこめ領域212Aと接続領域212Bとは導電体膜218Bによって電気的に接続したものである。なお、熱閉じこめ領域212A,213Aは必ずしも同じ大きさおよび同じ形状である必要はなく、各々独立して設計することができる。接続得領域212B,213Bも同様である。
(変形例2)
図10Aは、上記第2の実施の形態の変形例に係る記憶素子61の断面構成を表したものである。図10Bは、図10Aに示した記憶素子61のI−I線における断面構成を表したものである。この記憶素子61は半導体層212Nに第2の実施の形態における半導体層213Nと同様の構造を適用したものである。具体的には、熱閉じこめ領域212Aと接続領域212Bとの間を、シェアードコンタクト223を用いて電気的に接続したものである。
図10Aは、上記第2の実施の形態の変形例に係る記憶素子61の断面構成を表したものである。図10Bは、図10Aに示した記憶素子61のI−I線における断面構成を表したものである。この記憶素子61は半導体層212Nに第2の実施の形態における半導体層213Nと同様の構造を適用したものである。具体的には、熱閉じこめ領域212Aと接続領域212Bとの間を、シェアードコンタクト223を用いて電気的に接続したものである。
(変形例3)
図11Aは、上記第3の実施の形態の変形例に係る記憶素子71の断面構成を表したものである。図11Bは、図11Aに示した記憶素子71のI−I線における断面構成を表したものである。この記憶素子71は半導体層212Nに第3の実施の形態における半導体層213Nと同様の構造を適用したものである。具体的には、熱閉じこめ領域212Aと接続領域212Bとを素子分離膜214Bに設けられた溝に半導体層212Nを細線化した架橋構造212Cを形成して電気的に接続したものである。
図11Aは、上記第3の実施の形態の変形例に係る記憶素子71の断面構成を表したものである。図11Bは、図11Aに示した記憶素子71のI−I線における断面構成を表したものである。この記憶素子71は半導体層212Nに第3の実施の形態における半導体層213Nと同様の構造を適用したものである。具体的には、熱閉じこめ領域212Aと接続領域212Bとを素子分離膜214Bに設けられた溝に半導体層212Nを細線化した架橋構造212Cを形成して電気的に接続したものである。
(その他の変形例)
以上、第1〜第3の実施の形態および変形例1〜3を挙げて本技術を説明したが、本技術はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。
以上、第1〜第3の実施の形態および変形例1〜3を挙げて本技術を説明したが、本技術はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態等において説明した各層の材料等は限定されるものではなく、他の材料としてもよい。また、上記実施の形態では、記憶素子、メモリセルおよび記憶装置等の構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、他の層を更に備えていてもよい。
また、上記実施の形態等では、ビット線BLとグランドGNDとの間において、選択トランジスタ22をビット線BL側、記憶素子21をグランドGND側としてそれらを互いに直列接続させる場合について説明したが、メモリセルの回路構成はこれには限られない。即ち、逆に、選択トランジスタ22をグランドGND側、記憶素子21をビット線BL側としてそれらを互いに直列接続させるようにしてもよい。
更に、上記実施の形態等では、半導体層211PがP型の半導体層であると共に半導体層212N,213N,222N,223NがN型の半導体層である場合について説明したが、これらの半導体層における導電型(P型およびN型)の関係が逆であってもよい。
加えて、上記実施の形態等では、記憶装置内に記憶素子が複数設けられている場合について説明したが、この場合には限られず、1つの記憶素子のみが設けられているようにしてもよい。
また、上記実施の形態等では、本技術の半導体装置の一例として記憶装置を挙げて説明したが、このような記憶装置に加えて他の素子(例えば、トランジスタや容量素子、抵抗素子等)をも備えた半導体集積回路によって、半導体装置を構成するようにしてもよい。
なお、本技術は以下のような構成をとることも可能である。
(1)第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層内で互いに分離するように配置された一対の第1電極と、前記一対の第1電極間の前記第1半導体層上に誘電体膜を間にして設けられた第2電極と、前記一対の第1電極にそれぞれ電気的に接続された一対の接続部とを備え、前記一対の第1電極の少なくとも一方は、架橋部により接続された第1領域および第2領域に分離されている半導体装置。
(2)前記第1領域および前記第2領域は絶縁膜によって分離されている、前記(1)に記載の半導体装置。
(3)前記架橋部は前記絶縁膜上に設けられた第2導電膜である、前記(2)に記載の半導体装置。
(4)前記架橋部は前記絶縁膜内に設けられた架橋構造である、前記(2)に記載の半導体装置。
(5)前記一対の第1電極は第2導電型の半導体によって形成されている、前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の半導体装置。
(6)第1導電型の第1半導体層内に少なくとも一方が第1領域および第2領域に分離された一対の第1電極を形成する工程と、前記第1半導体層上における前記一対の第1電極の間に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜上に配設された第2電極を形成する工程と、前記第1領域と前記第2領域とを電気的に接続する架橋部を形成する工程と、前記一対の第1電極に接続された一対の接続部を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法。
(1)第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層内で互いに分離するように配置された一対の第1電極と、前記一対の第1電極間の前記第1半導体層上に誘電体膜を間にして設けられた第2電極と、前記一対の第1電極にそれぞれ電気的に接続された一対の接続部とを備え、前記一対の第1電極の少なくとも一方は、架橋部により接続された第1領域および第2領域に分離されている半導体装置。
(2)前記第1領域および前記第2領域は絶縁膜によって分離されている、前記(1)に記載の半導体装置。
(3)前記架橋部は前記絶縁膜上に設けられた第2導電膜である、前記(2)に記載の半導体装置。
(4)前記架橋部は前記絶縁膜内に設けられた架橋構造である、前記(2)に記載の半導体装置。
(5)前記一対の第1電極は第2導電型の半導体によって形成されている、前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の半導体装置。
(6)第1導電型の第1半導体層内に少なくとも一方が第1領域および第2領域に分離された一対の第1電極を形成する工程と、前記第1半導体層上における前記一対の第1電極の間に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜上に配設された第2電極を形成する工程と、前記第1領域と前記第2領域とを電気的に接続する架橋部を形成する工程と、前記一対の第1電極に接続された一対の接続部を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法。
1…記憶装置(半導体装置)、2…メモリアレイ、20,20A…メモリセル、21,31,41,51,61,71…記憶素子、210…フィラメント(導電パス)、211P,212N,213N,222N,223N…半導体層、212S,213S,222S,223S…シリサイド層、214…素子分離膜、215A,215B…コンタクト部、216…誘電体膜、217,218…導電体膜、219…絶縁層、220,221…配線層、22…選択トランジスタ、23…制御トランジスタ、31…ワード線駆動部、32…ビット線駆動部・センスアンプ、BL1〜BLm…ワード線、BL1〜BLm…ビット線、V1…電圧。
Claims (6)
- 第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層内で互いに分離するように配置された一対の第1電極と、
前記一対の第1電極間の前記第1半導体層上に誘電体膜を間にして設けられた第2電極と、
前記一対の第1電極にそれぞれ電気的に接続された一対の接続部とを備え、
前記一対の第1電極の少なくとも一方は、架橋部により接続された第1領域および第2領域に分離されている
半導体装置。 - 前記第1領域および前記第2領域は絶縁膜によって分離されている、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記架橋部は前記絶縁膜上に設けられた第2導電膜である、請求項2に記載の半導体装置。
- 前記架橋部は前記絶縁膜内に設けられた架橋構造である、請求項2に記載の半導体装置。
- 前記一対の第1電極は第2導電型の半導体によって形成されている、請求項1に記載の半導体装置。
- 第1導電型の第1半導体層内に少なくとも一方が第1領域および第2領域に分離された一対の第1電極を形成する工程と、
前記第1半導体層上における前記一対の第1電極の間に誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜上に配設された第2電極を形成する工程と、
前記第1領域と前記第2領域とを電気的に接続する架橋部を形成する工程と、
前記一対の第1電極に接続された一対の接続部を形成する工程と
を含む半導体装置の製造方法。
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- 2013-02-27 JP JP2013037316A patent/JP2014165444A/ja active Pending
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2014
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