JP3931719B2

JP3931719B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3931719B2
Application number: JP2002109751A
Authority: JP
Inventors: 勝道上▲柳▼; 睦雄西川; 克之植松
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JP2003249565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に高い温度環境下で用いられる自動車用、計測用または校正用などの各種半導体集積回路において抵抗素子として使用されるポリシリコン抵抗を備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路において、導体の変形や回路不良を引き起こす原因となるエレクトロマイグレーションの発生率に影響する要素は、電流密度、温度および結晶構造であることが知られている（「ＣＭＯＳＶＬＳｌ設計の原理システムの視点から」、富沢孝、松山泰男監修、丸善株式会社発行、１２２頁）。しかし、これら３つの要素のうち、温度の影響については未だ十分な検討がされていないため、温度に関する具体的な制約条件などについては不明である。
【０００３】
ところで、自動車用やプラント計測用、その他の高い温度（たとえば常温よりも高い温度）環境下で用いられる半導体集積回路では、温度的なストレスが半導体集積回路に及ぼす影響を十分考慮する必要がある。特に、各種センサ装置のように、検知した物理量に応じて生成したアナログ微小信号を５０倍から１０００倍程度まで増幅する装置では、その微小信号が伝搬する導体の抵抗値が変動すると、その影響がそのまま増幅される。そのため、このような装置では、たとえばポリシリコン抵抗を金属配線に電気的に接続するポリシリコンコンタクトなどの微妙な断面構造の部分における抵抗変化に敏感に反応してしまう。
【０００４】
従来より、ポリシリコン抵抗の抵抗値のばらつきやコンタクト抵抗のばらつきを抑制する提案がなされている。たとえば、特開平９−２３２５２１号公報には、ポリシリコン抵抗の抵抗値をモニターしながら熱処理をおこなうことによって、ポリシリコン抵抗の上のＢＳＧ膜から不純物を拡散させて抵抗値を調整する構成の半導体装置およびその製造方法が開示されている。また、特開平１１−１５００１０号公報には、ポリシリコン抵抗と金属配線とのコンタクト位置を調整することにより抵抗値を調整する方法が開示されている。また、特開平１１−３３０３６５号公報には、ポリシリコン抵抗の上に窒化膜を形成し、コンタクトホールを開口する際のポリシリコン抵抗へのオーバーエッチングによるダメージを抑制することによって、コンタクト抵抗のばらつきを抑制する構成の半導体装置およびその製造方法が開示されている。これらはいずれも製造段階において抵抗値を設計値に近づけるための提案であり、高温環境下での抵抗値の経時変化を抑制することを目的としたものではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、発明者らは、ポリシリコン抵抗に対する温度の影響について検討をおこなった。その際、ポリシリコン抵抗をポリシリコンコンタクトを介して金属配線に電気的に接続した構成とし、その構成は、半導体集積回路において従来より一般的に用いられている構成とした。その結果、従来の構成のポリシリコン抵抗およびポリシリコンコンタクトよりなる半導体装置を高い温度環境下に放置すると、図９に示すように、その抵抗値が拡散抵抗よりも大きく変動することがわかった。
【０００６】
これは、高い温度環境下、たとえば常温よりも高い温度環境下でポリシリコンコンタクトの抵抗値が大きく変動することが原因である。図９は、従来のポリシリコン抵抗よりなる半導体装置と拡散抵抗について、２２０℃で放置したときの抵抗値の変動量を比較するためのグラフである。なお、自動車用などの半導体集積回路の使用環境の温度は、最高でも１５０℃程度であるが、ここではそれよりも高温に設定して加速試験をおこなっている。
【０００７】
したがって、このような従来の構成のポリシリコン抵抗よりなる半導体装置を、高い温度環境下で使用される回路のアンプ増幅回路に用いた場合には、高温環境下において時間の経過とともにアンプ増幅率が変動してしまうため、長期信頼性を確保することが困難であるという問題点がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、高温環境下で使用しても、抵抗値が殆ど変動しないポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置は、半導体基板上に絶縁膜を介して形成された２つの端部を有するポリシリコン抵抗と、該ポリシリコン抵抗の前記２つの端部に、接続手段を介して電気的に接続された２つの金属配線と、からなる半導体装置において、前記ポリシリコン抵抗の抵抗値をＲｐｏｌｙとし、前記接続手段の抵抗値の合計をＲｃｏｎとすると、ＲｐｏｌｙとＲｃｏｎとがつぎの式で表される関係を満たすことを特徴とする。
【００１０】
Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）≦０．０２
【００１１】
そして、前記接続手段は、一つまたは複数のポリシリコンコンタクトからなるものであってもよい。
【００１２】
ここで、この半導体装置は、同一半導体基板上に集積されたアナログ回路、特にセンサ素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路内の抵抗素子として用いられる。この増幅回路は、高い温度環境で用いられ、たとえば自動車用や計測用や校正用の集積回路に含まれる。
【００１３】
この発明によれば、ポリシリコンコンタクトの抵抗値Ｒｃｏｎが、ポリシリコンコンタクトの抵抗値Ｒｃｏｎとポリシリコン抵抗の抵抗値Ｒｐｏｌｙとの和の２％以下に抑えられるため、ポリシリコンコンタクトの抵抗変化の影響が少ない半導体装置を構成することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明者らが本発明を完成するに至るまでにおこなった検討内容について説明する。この検討にあたっては、以下に説明する第１〜第４のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を用意した。図１〜図３は、それぞれ第１〜第３のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置の概略構成を示す平面図である。これら３つの半導体装置は、ポリシリコン抵抗の幅および抵抗値が異なるだけであり、その他の構成は同じである。したがって、これらの図１〜図３Ａ−Ａにおける縦断面構造は同じであり、図４に示す構造となる。また、図５および図６は、第４のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置の概略構成を示す平面図、およびそのＢ−Ｂにおける縦断面図である。なお、図１〜図６では、各部の大きさや長さについては正確に表されているわけではない。
【００１５】
第１のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置は、図１および図４に示すように、半導体基板１上にＢＰＳＧやＰＳＧなどの絶縁膜２を介して矩形状のポリシリコン抵抗３が形成され、このポリシリコン抵抗３の略両端が、それぞれ、酸化膜等の層間絶縁膜６を貫通するポリシリコンコンタクト４を介してアルミニウム等の金属配線５に電気的に接続された構成となっている。ポリシリコンコンタクト４は、金属配線５の形成時にコンタクトホール内に被着した金属膜により構成されている。ここで、ポリシリコン抵抗３の幅は２μｍである（図１参照）。ポリシリコンコンタクト４，４間の距離、すなわちポリシリコン抵抗３の抵抗値Ｒｐｏｌｙに寄与する部分の長さは１００μｍである（図４参照）。このとき、ポリシリコン抵抗３のシート抵抗を３１Ω／□とすると、ポリシリコン抵抗Ｒｐｏｌｙの値は１．５５ｋΩである。
【００１６】
また、ポリシリコンコンタクト４の大きさ、厳密にはコンタクトホールの開口寸法は、設計ルールで定められたものであり、この場合は２μｍ×２μｍであり、コンタクト抵抗Ｒｃｏｎはコンタクト１箇所につき５４Ωである。したがってこの例では、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）は約７％となる。なお、ポリシリコンコンタクト４の大きさ（２μｍ×２μｍ）は、設計ルールで定められているため、つぎに説明する第２乃至第４のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置においても同じである。
【００１７】
図２に示す第２のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置では、ポリシリコン抵抗７の幅は４μｍであり（図２参照）、このときのＲｐｏｌｙの値は７９０Ωである。したがってこの例では、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）は約１２％となる。また、図３に示す第３のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置では、ポリシリコン抵抗８の幅は７．６μｍであり（図３参照）、このときのＲｐｏｌｙの値は４００Ωである。したがってこの例では、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）は約２１％となる。また、上記２つの場合においても同様にコンタクトホールの開口寸法は２μｍ×２μｍであり、コンタクト抵抗Ｒｃｏｎはコンタクト１箇所につき５４Ωである。
【００１８】
図５および図６に示す第４のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置では、ポリシリコン抵抗９の幅は９．２μｍであり、前記ポリシリコン抵抗９上のポリシリコンコンタクト１０４，１０４間の最短距離は４００μｍである。このときのＲｐｏｌｙの値は約１．３５ｋΩである。したがってこの例では、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）は１．９６％となる。設計ルールでコンタクトホールの形状が定められており、コンタクト抵抗はコンタクト１箇所につき５４Ωであるため、所望のコンタクト抵抗の値Ｒｃｏｎを得るためには、コンタクトホールを複数個設ければよく、図５に示す例では、片側につき４箇所のコンタクトホールを設けている。
【００１９】
ポリシリコンコンタクト１０４の底面は、金属配線５の形成時にコンタクトホール内に金属配線５と同じ金属（たとえばアルミニウム）を被着した金属膜でポリシリコン抵抗９に接している。ポリシリコンコンタクト１０４の開口部内は図示しない層間絶縁膜あるいはパッシベーション膜形成時に上記膜と同材料にて平坦化される。
【００２０】
ポリシリコンコンタクト１０４を確実にポリシリコン抵抗９と接続するために、ポリシリコン抵抗９のポリシリコンコンタクト１０４との接続領域を、ポリシリコンコンタクト１０４よりも若干大きく形成してもよい。
【００２１】
ポリシリコン抵抗９の抵抗値Ｒｐｏｌｙの値を所望の抵抗値とし、かつＲｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）≦２％を充足するためには、コンタクト抵抗Ｒｃｏｎの値を規定すればよく、設計ルールでコンタクトホールの形状が規定されているような場合には、その個数によって値を調整すればよい。
【００２２】
上述した構成の第１〜第４のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を複数個ずつ用意し、２２０℃の高温放置加速試験を実施し、４時間、１０時間および１４時間経過時点での抵抗値を測定した。その結果を図７に示す。図７において、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値がおおよそ７％のプロット群は図１に示す第１のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置のものであり、おおよそ１２％のプロット群は図２に示す第２のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置のものであり、おおよそ２１％のプロット群は図３に示す第３のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置のものであり、２％のプロット群は図５に示す第４のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置のものである。
【００２３】
図７より、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値がいずれの値であっても放置時間が長くなるにつれて抵抗値の変動量が大きくなり、また、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値が大きくなるにつれて抵抗値の変動量が大きくなることがわかる。高い温度（たとえば常温より高い温度）における抵抗値の変動量を０．１％以下に抑制する場合には、図７よりＲｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値をおおよそ２％以下に設定すればよいことがわかる。
【００２４】
なお、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値は２％以下に限定されるものではなく、抵抗値の変動量の要求値に対応して、適宜、図７よりＲｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値を求めればよい。すなわち、抵抗値の変動量の許容値が０．１％よりも緩い場合にはＲｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値は２％よりも大きい値でもよいし、逆に、抵抗値の変動量の許容値が０．１％よりも厳しい場合にはＲｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値は２％よりも小さい値となる。ちなみに、図９に示す従来構成のポリシリコン抵抗およびポリシリコンコンタクトよりなる半導体装置では、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値は３０％である。
【００２５】
つぎに、本発明にかかる半導体装置を適用したアナログ回路の一例について説明する。図８は、そのアナログ回路の要部を示す回路図である。このアナログ回路は、圧力、温度、加速度、音または光などの物理量を検知し、その検知した強度に応じた電気信号を出力するセンサ素子を備えたセンサ装置の一部を構成する。図８において、符号１１は、センサ素子を構成するゲージ回路であり、符号１２は、ゲージ回路１１の出力信号を増幅するアンプであり、符号１３は、本発明にかかる半導体装置よりなる抵抗素子、すなわちＲｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値がたとえば２％以下になるように設計されたポリシリコンでできた抵抗素子である。この抵抗素子１３は、ゲージ回路１１やアンプ１２などとともに同一半導体基板上に作製される。
【００２６】
上述した実施の形態によれば、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）の値がたとえば２％以下に抑えられるため、ポリシリコンコンタクトの抵抗変化の影響が少ない半導体装置を構成することが可能となる。したがって、高い温度（たとえば常温よりも高い温度）環境下で使用しても、抵抗値が殆ど変動しないポリシリコン抵抗を備えた半導体装置が得られる。そして、この半導体装置を用いることによって長期信頼性の高い高温向けの半導体集積回路が実現できる。特に、高い温度（たとえば常温よりも高い温度）環境下で使用される自動車用、プラント計測用または校正用などの各種半導体集積回路の抵抗素子として有効である。
【００２７】
以上において本発明は、上述した実施の形態に制限されるものではないことは明らかである。たとえば、図５，図６に示した半導体装置のポリシリコン抵抗９の寸法および抵抗値は一例であり、これらの値は実際の設計にあたって、Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）≦２％を満たす範囲において種々変更される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、ポリシリコンコンタクトの抵抗値Ｒｃｏｎが、ポリシリコンコンタクトの抵抗値Ｒｃｏｎとポリシリコン抵抗の抵抗値Ｒｐｏｌｙとの和の２％以下に抑えられるため、ポリシリコンコンタクトの抵抗変化の影響が少ない半導体装置を構成することが可能となる。したがって、高い温度環境下で使用しても、抵抗値が殆ど変動しないポリシリコン抵抗を備えた半導体装置が得られ、これを用いることによって長期信頼性の高い高温向けの半導体集積回路が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態において用いた第１のポリシリコン抵抗よりなる半導体装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態において用いた第２のポリシリコン抵抗よりなる半導体装置の概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態において用いた第３のポリシリコン抵抗よりなる半導体装置の概略構成を示す平面図である。
【図４】図１〜図３のＡ−Ａにおける縦断面図である。
【図５】本発明の実施の形態において用いた第４のポリシリコン抵抗よりなる半導体装置の概略構成を示す平面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂにおける縦断面図である。
【図７】第１〜第４のポリシリコン抵抗よりなる半導体装置について高温での加速試験をおこなった結果を示すグラフである。
【図８】本発明にかかるポリシリコン抵抗よりなる半導体装置を適用したアナログ回路の一例の要部を示す回路図である。
【図９】従来のポリシリコン抵抗と拡散抵抗について、２２０℃で放置したときの抵抗値の変動量を比較するために本発明者らがおこなった検討結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１半導体基板
２絶縁膜
３，７，８，９ポリシリコン抵抗
４，１０４ポリシリコンコンタクト
５金属配線
１１ゲージ回路（センサ素子）
１３抵抗素子

Claims

半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたポリシリコン抵抗と、該ポリシリコン抵抗上を覆う層間絶縁膜に開口された少なくとも２つのコンタクトホールと、該少なくとも２つのコンタクトホールのうちの異なるコンタクトホール内において前記ポリシリコン抵抗とそれぞれ電気的に接続された２つの金属配線と、からなる半導体装置において、
前記ポリシリコン抵抗の抵抗値をＲｐｏｌｙとし、前記ポリシリコン抵抗と前記金属配線のコンタクト抵抗値の合計をＲｃｏｎとすると、
Ｒｃｏｎ／（Ｒｐｏｌｙ＋Ｒｃｏｎ）≦０．０２
の関係を満たすことを特徴とする半導体装置。
前記コンタクトホールは、前記２つの金属配線それぞれに対して複数個備え、
該複数個のコンタクトホール内のそれぞれにおいて、前記ポリシリコン抵抗と前記金属配線とが電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
同一半導体基板上に集積されたアナログ回路内の抵抗素子として用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記アナログ回路は、検知した物理量に応じた電気信号を生成するセンサ素子に接続され、該センサ素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
前記増幅回路は、高い温度環境で用いられる自動車用の集積回路に含まれることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記増幅回路は、高い温度環境で用いられる計測用の集積回路に含まれることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記増幅回路は、高い温度環境で用いられる校正用の集積回路に含まれることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。