JP2525672B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2525672B2
JP2525672B2 JP1175167A JP17516789A JP2525672B2 JP 2525672 B2 JP2525672 B2 JP 2525672B2 JP 1175167 A JP1175167 A JP 1175167A JP 17516789 A JP17516789 A JP 17516789A JP 2525672 B2 JP2525672 B2 JP 2525672B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、抵抗値が印加電界により不可逆的に、高抵
抗より低抵抗へ変化する半導体装置で、特に電気的にプ
ログラム可能な読み出し専用記憶素子を有する半導体装
置に関する。
〔従来の技術〕
従来、抵抗値が印加電界により不可逆的に、高抵抗よ
り低抵抗へ変化する半導体装置として、アモルファスシ
リコン層を電極間に挿入した、いわゆる、アンタイフュ
ーズ素子が用いられてきた。特に、電気的にプログラム
可能な読み出し専用記憶素子に、アンタイフューズ素子
を用いる場合、読み出し専用記憶素子回路を簡単に構成
する為、各々の記憶素子部にダイオードを付加する方法
が用いられてきた。そのダイオードの形成の方法は、不
純物濃度の薄いN形半導体層上に、プラチナを用いたシ
ョットキー接合層を形成するものであった。
第1の従来例として、シリコン基板内に設けられた拡
散層を、記憶素子の一方の電極として用いる場合につい
て、第2図を用いて、説明する。第2図は、従来の半導
体装置を示す主要断面図を示し、図において、201はシ
リコン等からなるP形半導体基板、202はフィールド絶
縁膜となる選択酸化膜、203はN+形拡散層、204はシリ
コン酸化膜等からなる層間絶縁膜、205はN-形拡散層、
206はプラチナシリサイド層、207はアモルファスシリコ
ン膜、208は金属配線膜を示す。
この素子は、下部電極として、N+形拡散層203と接触
しているN-形拡散層205の上に、プラチナシリサイド層
206、アモルファスシリコン膜207及び上部電極である金
属配線層208が積層されているものである。この様に構
成することによって、電極間に、アモルファスシリコン
膜がなだれ降伏をおこす以上の電界を印加し、その時、
発生するジュール熱により、アモルファスシリコン膜の
一部が変化する。このような事によって、形成された低
抵抗領域、かつ、プラチナシリサイド層とN-形拡散層
間のショットキーダイオードの整流性により、従来の電
気的にプログラム可能な読み出し専用記憶素子がつくら
れていた。
第2の従来例として、U.S.PATENTNo.4442507の様に、
シリコン基板上に設けられた多結晶シリコン層を、記憶
素子の一方の電極として用いる場合について説明する。
この素子は、不純物濃度の高いN形にドープされた多結
晶シリコン層上に、不純物濃度の低いN形にドープされ
た多結晶シリコン層を設け、その上に、プラチナシリサ
イド層、アモルファスシリコン膜、及び、上部電極であ
る金属配線を積層したものであり、プラチナシリサイド
層と不純物濃度の低いN形ドープされた多結晶シリコン
層間のショットキーダイオードを用いるものであった。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、前述の従来技術では、ショットキー接合をつ
くるために、不純物濃度の薄いN形拡散層を設けている
事により、下記の問題点を有している。
プログラム後の抵抗値が、不純物濃度の薄いN形拡
散層の抵抗の分だけ高くなる事。
同一下部電極上に、直列にプログラム素子を形成し
た場合に、下部電極抵抗が、不純物濃度の薄いN形拡散
層の分だけ、さらに抵抗値が高くなる事。
薄いN形拡散層の抵抗値は、電圧変調を受けやすい
ため、動作状態において、プログラム後の抵抗値が変動
し易い事。
ショットキー接合をつくるための薄いN形拡散層を
設ける際、合わせ余裕を見込む必要があり、パターン面
積が広くなる事。
そこで、本発明は、このような問題点を解決するもの
で、その目的とするところは、プログラム後の抵抗値を
低く、安定していて、かつ、パターン面積が狭い、抵抗
値が印加電界により不可逆的に、高抵抗より低抵抗へ変
化し、かつ、変化後に、整流性を有する半導体装置を提
供するところにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の半導体装置は、第一導電形を有する半導体層
上に積層された第一導電形と異なる第二導電形の不純物
を格子間に含む半導体層と、上部電極層とからなる事を
特徴とする。
〔作用〕
本発明の上記の構成によれば、例えば、N形の半導体
上に積層された、不純物濃度の薄いP形不純物を含む、
アモルファス半導体膜ないしは多結晶半導体膜ないし
は、イオン打ち込みなどにより結晶破壊された半導体膜
は、プログラム前は、非結晶あるいは多結晶の半導体膜
の格子間にP形不純物が存在し、電気的に不活性であ
る。このために、電圧印加方向によらず高抵抗を示す。
しかし、一担、上記積層膜に高電界を印加し、なだれ降
伏を生じさせ、過大な電流を流す事によって発生するジ
ュール熱により、不純物濃度の薄いP形不純物を含むプ
ログラム膜の一部の結晶構造が変化するとともに、P形
不純物が活性化し、高抵抗体であった上記積層膜は、順
方向特性の抵抗値の低いダイオードへと転ずるものであ
る。
〔実施例〕
第1図は、本発明と比較するための比較例1における
半導体装置の主要断面図を示し、101はシリコン等から
なるP形半導体基板、102はフィールド絶縁膜を示し、
シリコン酸化膜等からなる選択酸化膜、103はN+形拡散
層、104はシリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜、105
は、P形不純物を含むアモルファスシリコン膜、106は
アルミニウム、Mo、Ti、W等の高融点金属あるいはその
高融点金属のシリサイド等の単層または積層からなる金
属配線膜である。このように下部電極であるN+形拡散
層103上にP形不純物を含むアモルファスシリコン膜10
5、及び上部電極である金属配線膜106を積層した構造を
とる事により、作用で説明した様に、プログラム前に高
抵抗であったプログラム素子が、プログラムする事によ
って、整流性を持つ素子となる。次に、比較例1の製造
方法について、詳細な説明を行なう。まず、P形半導体
基板101上に、選択酸化膜102を形成後、プログラム素子
の下部電極となるN+形拡散層103を、イオン打ち込み法
により、燐を60kevで、4×1015cm-2、シリコンからな
るP形半導体基板101に打ち込み、熱アニールを行なう
事によって形成する。次に、CVD法により、シリコン酸
化膜を堆積し、層間絶縁膜104をつくり、N+形拡散層10
3と直接、接続をとるために必要な開口部、及び、プロ
グラム素子の主要部であるP形不純物を含むアモルファ
スシリコン層105を介して接続をとるために必要な開口
部を形成したのち、CVD法により560℃の低温状態でSiH4
を分解することによって、アモルファスシリコン膜を15
00Å堆積し、次に、イオン打ち込み法により、所望のダ
イオード特性が得られる様に、沸化硼素を、60kevで、1
011〜1015cm-2の範囲で打ち込むことにより、P形不純
物を含むアモルファスシリコン膜105を形成する。最後
に、所望のパターンにアモルファスシリコン膜を加工し
たのち、バリアメタルとアルミニウムの積層膜を、スパ
ッター法により埋積し、所望のパターンに加工し、金属
配線膜106を形成する。
以上の工程を経て、抵抗値が印加電界により不可逆的
に、高抵抗より低抵抗へ変化し、かつ、整流性を持つ素
子が形成される。
ここで、選択酸化膜102は、いわゆるLOCOS法により形
成される以外に、半導体基板に溝を形成して、その溝に
絶縁物等を埋め込んだ、いわゆる溝掘り素子分離領域に
用いられる構造としてもよい。さらに、バリアメタルと
はMo、Ti、W等の高融点金属、その高融点金属のシリサ
イドまたはその高融点金属の窒化物等を用いるものであ
る。そして、このバリアメタルは通常アルミニウムの下
側に位置する。
次に、上記素子の電気特性について説明する。試作例
として、沸化硼素を60kevで1×1015cm-2打ち込んだP
形不純物を含むアモルファスシリコン膜を使用し、か
つ、アモルファスシリコン膜を被着している箇所のスル
ーホール径が1.2μmの場合について述べる。第3図
(a)は、プログラム前の電気特性を示し、第3図
(b)は、電界を印加しなだれ降伏を生じさせ、2〜3m
A電流を流す事によりプログラムしたプログラム後の電
気特性を示す。プログラム前の電気特性は、電圧印加方
向に対して、ほぼ対称で、5Vで、10nAの電流が流れる程
度の高抵抗体である。しかし、一担、電圧を印加してプ
ログラムすると、アモルファスシリコン膜上のアルミニ
ウム膜である上部電極に正電圧を印加した場合、順方向
特性をを示し、負電圧を印加した場合、逆方向特性を示
す。ちなみに、不純物を含まないアモルファスシリコン
膜の場合は、プログラム後、電圧印加方向に対して、ほ
ぼ対称な低抵抗体となる。以上の電気特性の変化は、作
用で説明した様に、アモルファスシリコン膜の一部が、
電流によって発生したジュール熱により、構造変化が生
じ、かつ、P形不純物が活性化し、下部電極であるN+
拡散層との間にP−Nのダイオードが形成されたためで
あると考えられる。
本発明の比較例2は、下部電極として、N+形拡散層
のかわりに、酸化膜上のN+形多結晶シリコン膜を使用
するものである。第4図は、本発明の第2の比較例にお
ける半導体装置の主要断面図を示し、401はP形半導体
基板、402は選択酸化膜、403はN+形多結晶シリコン
膜、404は層間絶縁膜、405はP形不純物を含むアモルフ
ァスシリコン膜、406は前述の実施例のように、例えば
バリアメタル上にアルミニウムを設けた2層構造の金属
配線膜である。この様に、酸化膜上のN+形多結晶シリ
コン膜を用いる事によって、パターンレイアウト上の自
由度が増えるのみならず、下部電極としてのN+形多結
晶シリコンがシリコン酸化膜等の絶縁膜により周囲を囲
まれているのでプログラム時に発生したジュール熱がに
げにくいため、より低い電流で、プログラムする事がで
きる。
本発明の第1の実施例は、下部電極として、抵抗の低
いMo、Ti、W等の金属あるいはそれら金属の硅化物であ
る例えばMoSi2上にスルーホールを介し、その上に、N+
形多結晶シリコン及びP形アモルファスシリコン膜を設
けたものである。第5図は、本発明の第1実施例におけ
る主要断面図を示し、501はP形半導体基板、502は選択
酸化膜等からなる絶縁膜、503はMoSi2膜、504は層間絶
縁膜、505はN+多結晶シリコン膜、506はP形不純物を
含むアモルファスシリコン膜、507は、金属配線膜であ
る。
次に、製造方法について説明を行なう。まず、シリコ
ン等からなる半導体基板501上に、シリコン酸化膜から
なる絶縁膜502を形成後、プログラム素子の下部電極と
なる金属膜503、例えば、MoSi2をスパッターで、0.2μ
m形成し、所望のパターンに加工する。次にCVD法によ
りシリコン酸化膜を堆積し、層間絶縁膜504をつくり、
P形不純物を含むアモルファスシリコン膜506を被着す
る箇所に、スルーホールを形成する。次に、多結晶シリ
コンを0.2μm形成した後、燐を60kevで4×1015cm-2
オン打ち込みを行ない、電気炉でアニールし、活性化
し、N形多結晶シリコン膜505を形成し、所望のパター
ンに加工する。次に、CVD法により、560℃の低温状態
で、SiH4を分解する事により、アモルファスシリコン層
を1500Å形成し、イオン打ち込み法により、所望のダイ
オード特性が得られる様に、沸化硼素を80kevで1×10
11cm-2〜1×1015cm-2の範囲で打ち込むことにより、P
形不純物を含むアモルファスシリコン膜506を形成す
る。その後、上記、N形多結晶シリコン膜505′を覆う
様に、P形不純物を含むアモルファスシリコン膜506
を、エッチングする事によって、所望のパターンに加工
する。最後に、下部電極の金属膜503と直接接続をとる
箇所に、スルーホールを形成し、バリアメタル膜及びア
ルミニウム膜を順に、スパッター法により蒸着して金属
配線膜507を形成したのち、所望のパターンに加工す
る。
以上の工程を経て、本発明の絶縁破壊によるプログラ
ム可能な読み出し専用記憶素子が形成される。
本実施例は、P形半導体膜の製造方法として、CVD法
とイオン打ち込み法を用いたが、これはスパッタ法でも
構わない。又、CVD法ないしは、スパッタ中に不純物を
添加しても構わない。又、P形の多結晶シリコンないし
は、イオン打ち込みなどにより結晶破壊された多結晶シ
リコンや結晶シリコンでも構わない。さらには、P形半
導体膜を用いたが、下部電極がP+形拡散層の場合は、
N形半導体膜でも構わない。
下部電極の金属膜として、MoSi2を用いたが、TiSi2
WSi2でも構わない。またPolycide構造でも構わない。ま
た、本実施例において半導体基板はP形シリコンでもN
形シリコンでもどちらでもかまわない。
本発明の第2の実施例は、下部電極として、抵抗の低
い金属あるいは硅化金属である例えばMoSi2上にN+多結
晶シリコン膜を積層したものに、スルーホールを介し、
アモルファスシリコン膜を設けたものである。第6図
は、本発明の第2の実施例における主要断面図を示し、
601はP形半導体基板、602は選択酸化膜等からなる絶縁
膜、603はMoSi2膜、604はN+形多結晶シリコン膜、605
は層間絶縁膜、606は、P形不純物を含むアモルファス
シリコン膜、607は金属配線膜である。
次に、製造方法について説明を行なう。まず、シリコ
ン等からなる半導体基板60上に、シリコン酸化膜等から
なる絶縁膜602を形成後、プログラム素子の下部電極と
なる金属膜、例えば、MoSi2603をスパッターで、0.2μ
m形成する。その上に、多結晶シリコンを0.2μm形成
した後、燐を60kevで4×1015cm-2イオン打ち込みを行
ない、電気炉でアニールし、N形多結晶シリコン膜604
を形成する。次に、金属膜603及びN形多結晶シリコン
膜604を、所望の形状に、ホトエッチング技術により、
加工する。その後、CVD法により、シリコン酸化膜を堆
積し、層間絶縁膜605をつくり、P形不純物を含むアモ
ルファスシリコン膜606を被着する箇所に、スルーホー
ルを形成する。次に、CVD法により、560℃の低温状態で
SiH4を分解する事により、アモルファスシリコン層を15
00Å形成する。その後、イオン打ち込み法により、所望
のダイオード特性が得られる様に、沸化硼素を80kevで
1×1011cm-2〜1×1015cm-2の範囲で打ち込むことによ
り、P形不純物を含むアモルファスシリコン膜606を形
成し、所望のパターンに加工する。最後に、下部電極の
一部であるN形多結晶シリコン膜604と直接接続をとる
箇所に、スルーホールを形成し、バリアメタル膜及びア
ルミニウム膜を順にスパッター法により蒸着して金属配
線膜607を形成したのち、所望のパターンに加工する。
以上の工程を経て、本発明の絶縁破壊によるプログラ
ム可能な読み出し専用記憶素子が形成される。
本実施例は、P形半導体膜の製造方法として、CVD法
とイオン打ち込み法を用いたが、これはスパッタ法でも
構わない。又、CVD法ないしは、スパッタ中に不純物を
添加しても構わない。又、P形の多結晶シリコンないし
は、イオン打ち込みなどにより結晶破壊された多結晶シ
リコンや結晶シリコンでも構わない。さらには、P形半
導体膜を用いたが、下部電極がP+形拡散層の場合は、
N形半導体膜でも構わない。
下部電極の金属膜として、MoSi2を用いたが、TiSi2
WSi2でも構わない。またPolycide構造でも構わない。ま
た、本実施例において半導体基板はP形シリコンでもN
形シリコンでもどちらでもかまわない。
第1及び第2の実施例のように、下部電極にMo、Ti、
W等の金属ないしはそれら金属の硅化物を用いることに
よって、下部電極の抵抗値が下がり、直列にプログラム
領域を配列したりする場合に、少ないプログラム電流で
プログラムを行なう事ができる。
以上、本実施例の第1と第2は、P形不純物を格子間
に含む半導体膜として、CVD法とイオン打ち込み法によ
って形成された膜を用いたが、この膜の形成はスパッタ
ー法でも構わない。又、P形不純物をイオン打ち込みし
た多結晶シリコン膜ないしは、イオン打ち込みなどによ
り結晶破壊された多結晶シリコン結晶シリコンでも構わ
ない。さらには、P形不純物を格子間に含む半導体膜を
用いたが、下部電極がP+形拡散層の場合は、N形不純
物を格子間に含む半導体膜でも構わない。また、第1及
び第2の実施例において、下部電極の金属膜として、Mo
Si2を用いたが、TiSi2やWSi2やWやMoなどでも構わな
い。さらに、実施例1と実施例2において上部電極とな
る金属配線膜106、406、507及び607はアルミニウム、
W、Ti、Mo等の高融点金属、それら高融点金属の硅化物
(シリサイド)、それら高融点金属の窒化物の単層また
は積層の膜を使えることは言うまでもない。以上のよう
に、本発明は、実施例1と実施例2に限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であ
ることは、いうまでもない。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明によれば、第一電極と第二
電極間の電圧印加により高抵抗状態から低抵抗状態へ不
可逆的に抵抗が変化する構造で、第一導電形を有する多
結晶シリコン層の抵抗値が低く、電圧変調を受けず、構
造が単純な為パターン面積を少なく形成することができ
るという効果を有する。また、導体層を基板上に設けた
配線とすることで、ジュール熱が有効に使われるため、
より低い電流でプログラム可能である。さらには、下部
電極としてMo、Ti、W等の高融点金属やこの高融点金属
の硅化物、例えばMoSi2、TiSi2、WSi2を用いれば、下部
電極の配線抵抗が低くなるため、高速動作が可能な読み
出し専用メモリ素子が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の半導体装置の第1の比較例を示す主
要断面図。 第2図は、従来の半導体装置を示す主要断面図。 第3図(a)、(b)は、本発明の半導体装置の電気特
性を示すグラフであり、第3図(a)は、プログラム前
の電気特性を示すグラフであり、第3図(b)はプログ
ラム後の電気特性を示すグラフである。 第4図は、本発明の半導体装置の第2の比較例を示す主
要断面図。 第5図は、本発明の半導体装置の第1の実施例を示す主
要断面図。 第6図は、本発明の半導体装置の第2の実施例を示す主
要断面図。 101、401、501、601……P形半導体基板 102、402、502、602……選択酸化膜 103……N+形拡散層 104、404、504、605……層間絶縁膜 105、405、506、606……P形不純物を含むアモルファス
シリコン 106、406、507、607……金属配線膜 403,505,604……N+形多結晶シリコン膜 503、603……MoSi2膜 201……P形半導体基板 202……選択酸化膜 203……N+形拡散層 204……層間絶縁膜 205……N-形拡散層 206……プラチナシリサイド層 207……アモルファスシリコン膜 208……金属配線層

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第一電極及び第二電極間の電圧印加により
    高抵抗状態から低抵抗状態へ不可逆的に抵抗が変化する
    構造を有する半導体装置において、半導体基板上に第一
    絶縁膜を介して設けられた金属を含む導体層、前記導体
    層上に設けられた第二絶縁膜、前記第二絶縁膜に設けら
    れた前記導体層に達する第一スルーホール、前記第一ス
    ルーホールに設けられた第一電極、前記第一スルーホー
    ルと一定距離離間した前記第二絶縁膜に設けられた前記
    導体層に達する第二スルーホール、前記第二スルーホー
    ル中に前記導体層に接するように設けられた第一導電型
    の多結晶シリコン層、前記第二スルーホール中に設けら
    れた前記第一導電型の多結晶シリコン層上に設けられた
    第二導電型の半導体層、前記第二導電型の半導体層の上
    方に接続するように設けられた第二電極からなることを
    特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】前記半導体層は、多結晶シリコン、アモル
    ファスシリコン、結晶破壊されたシリコンから選ばれる
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】第一電極及び第二電極間の電圧印加により
    高抵抗状態から低抵抗状態へ不可逆的に抵抗が変化する
    構造を有する半導体装置において、半導体基板上に第一
    絶縁膜を介して設けられた金属を含む導体層、前記導体
    層上に延在する第一導電型の多結晶シリコン層、前記第
    一導電型の多結晶シリコン層上に設けられた第二絶縁
    膜、前記第二絶縁膜に設けられた前記導体層に達する第
    一スルーホール、前記第一スルーホールに設けられた第
    一電極、前記第一スルーホールと一定距離離間し前記第
    二絶縁膜に設けられた前記第一導電型の多結晶シリコン
    層に達する第二スルーホール、前記第二スルーホール中
    に前記第一導電型の多結晶シリコン層に接するように設
    けられた第二導電型の半導体層、前記第二導電型の半導
    体層の上方に接続するように設けられた第二電極からな
    ることを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項4】前記半導体層は、多結晶シリコン、アモル
    ファスシリコン、結晶破壊されたシリコンから選ばれる
    ことを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
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