JP4064635B2 - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体記憶装置及びその製造方法に関わり、特に、不良メモリセルを冗長メモリセルで置き換えるための情報を記録するヒューズ素子(キャパシタ)を有する半導体記憶装置に係る。更に、当該ヒューズ素子破壊時の過電流から回路を保護するための保護回路技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
ダイナミックRAM等の半導体記憶装置は、マトリックス状に配置されたMOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)及びキャパシタからなるメモリセルで構成され、各メモリセルは、行方向の信号線(ワード線)と列方向の信号線(ビット線)の両方を選択することによって選ぶことができる。LSIメモリの製造には極度の清浄環境が必要とされ、微細な塵等に起因する不良メモリセルが発生する惧れが高い。このため、多くのLSIメモリには冗長回路が設けられ、冗長メモリセルを用いて不良メモリセルの置き換えが行われている。ウェーハプローブテストの段階で不良メモリセルが発見されると、レーザフェーズの切断によって記録される情報によって不良メモリセルを冗長メモリセルに置き換え、不良チップを救済することができる。
【0003】
パッケージ封止後の検査段階で不良メモリセルが発見されると、レーザフェーズの切断は不可能である。そこで、本願出願時にはまだ出願公開されていない本願出願人による先の出願(特願平11−241778号)において開示されている、メモリセルを構成するトレンチキャパシタをヒューズ素子として利用し、外部電源から一方の当該電極に過電圧を印加して誘電膜を破壊することにより、ヒューズ素子に情報を記録する技術を用いることができる。
【0004】
図6は、トレンチキャパシタを利用した従来のヒューズ素子の構成を示し、図6(a)は平面図、図6(b)は図6(a)のB−B’切断面に沿った断面図を示す。図6(b)に示すように、半導体基板57の上部にn型不純物が添加されたnウェル58が配置され、nウェル58の内部にトレンチが形成されている。トレンチの内部に薄い誘電膜60を介してトレンチ内部電極61が埋め込まれ、トレンチキャパシタは、nウェル58及びトレンチ内部電極61からなる一対の電極と、これらの電極の間に配置された誘電膜60とから構成されている。トレンチ内部電極61及びnウェル58には、金属配線72a及び72bがそれぞれ接続されている。トレンチ上部には酸化膜67が埋め込まれている。図6(a)に示すように、半導体基板57へ金属配線72a、72bが接続される領域の基板57表面にはnウェル58が表出し、その他の領域には酸化膜からなるSTI(Shallow Trench Isolation)69が形成されている。
【0005】
図7及び図8の各分図は、図6に示す従来のヒューズ素子の製造方法を示す主要な工程断面図である。まず、図7(a)において、半導体基板57の上部にn型不純物を拡散させてnウェル58を形成した後、トレンチを形成する領域に窓を有する酸化膜76をマスクとして基板57のRIE加工を行い、トレンチ74を形成する。このとき、酸化膜76と基板57との界面において横方向にエッチングが進行し、浅い溝75が同時に形成される。
【0006】
図7(b)において、トレンチ74内部に誘電膜60を成膜し、更にポリシリコン61を埋め込む。そして、CDE(Chemical Dry Etching:化学的気相エッチング)によりトレンチ74内部以外の誘電膜60、ポリシリコン61を除去する。次に、STI69を形成する領域に窓を有する酸化膜77をマスクとして選択的に基板57をエッチング除去する。
【0007】
図7(c)において、基板57全面に酸化膜を堆積し、平坦化処理を施し、STI69及び浅い溝75に埋め込まれた酸化膜67を同時に形成する。図8(a)において、基板57の上に層間絶縁膜71を堆積し、金属配線72a、72bが接続される領域の層間絶縁膜71及び酸化膜67をレジスト78を用いて選択的にエッチング除去する。図8(b)において、金属配線72a、72bと同一パターンの溝を層間絶縁膜71に形成し、金属膜72を基板57全面に堆積する。平坦化処理を施し、絶縁膜73を形成することで、図6に示したヒューズ素子を形成することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述のトレンチキャパシタをヒューズ素子として利用した場合、一般的には図9に示すようなヒューズ回路が構成される。即ち、ヒューズ素子51の一方の電極に外部電源54が接続され、他方の電極にはヒューズ素子51を選択するためのトランジスタ55、及びヒューズ素子51に記録された情報を出力するためのトランジスタ56が並列に接続された制御回路部52が接続される。外部電源54により誘電膜耐圧以上の過電圧を印加することで、トランジスタ55により選択されたヒューズ素子51の誘電膜が破壊される。トランジスタ56をオン状態にすることで、ヒューズ素子51の抵抗の大小により情報が出力される。
【0009】
誘電膜を破壊するためには通常5〜10V程度の過電圧が必要であり、誘電膜を破壊した瞬間には、それまでキャパシタ51に充電されていた電荷が5〜30mA程度の過電流として一度に回路内に流れる。この過電流により、ヒューズ素子51の後段に配置された、通常1〜3V程度の電圧で動作するトランジスタ55、56のジャンクションが破壊されてしまう惧れがあるため、ヒューズ素子51に印加する過電圧を低く抑える必要がある。しかし、過電圧を下げてしまうと、誘電膜を十分に破壊することができず、破壊後のヒューズ素子51の抵抗を十分下げることができず、結果的にヒューズ素子51への情報の書き込みが不十分になってしまう。
【0010】
このように、メモリセルを構成するキャパシタを利用したヒューズ回路において、外部電源54から印加された過電圧により、破壊後のヒューズ素子51の抵抗を十分下げることができ、且つヒューズ素子51の後段に配置された制御回路部52に過電流が流れないようにする必要がある。
【0011】
また、図6に示した構成を有するトレンチキャパシタ、及び図7、図8に示した製造方法は、既存のダイナミックRAMのメモリセルを構成するトレンチキャパシタの構成及びその製造方法とは異なる点が多く、新たなプロセス工程を追加する必要もある。
【0012】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するために成されたものであり、その目的は、絶縁破壊不良(導通不良)がなく、且つヒューズ素子に接続された回路を破壊することがない半導体記憶装置及びその製造方法を提供することである。
【0013】
具体的には、誘電膜破壊時の過電圧を高く維持することで破壊後のヒューズ素子の抵抗を十分低くし、且つ誘電膜破壊直後に流れる過電流がヒューズ素子に接続されたトランジスタに流れないようにすることができるヒューズ回路を有する半導体記憶装置及びその製造方法を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の特徴は、1対の電極とこれらの電極の間に挟まれた誘電膜とで構成され、一方の電極に過電圧を印加して誘電膜を破壊することにより情報が記録されるヒューズ素子と、このヒューズ素子の他方の電極に接続された制御回路部と、この制御回路部の前段においてヒューズ素子の他方の電極に接続され、誘電膜を破壊した直後にヒューズ素子を流れる過電流が流れる保護回路部とを具備したヒューズ回路を有する半導体記憶装置であることである。
【0015】
本発明の第1の特徴によれば、ヒューズ素子の誘電膜を破壊した直後にヒューズ素子に充電された電荷が過電流として一度に流れるが、この過電流は、制御回路部の前段においてヒューズ素子の他方の電極に接続された保護回路部に流れるため、大きな過電圧をヒューズ素子に印加しても制御回路部内のトランジスタに流れることがなくなる。
【0016】
本発明の第1の特徴において、保護回路部は、過電流の流れに対して逆方向に配置された保護ダイオードであって、この保護ダイオードのツェナー降伏のしきい値電圧(ツェナー降伏耐圧)が過電圧よりも小さいことが望ましい。誘電膜を破壊した直後に保護ダイオードに加わる過電圧に対してはツェナー降伏するが、ヒューズ素子に記録された情報を出力するために印加される通常の電圧に対してはツェナー降伏することがない。したがって、誘電膜の破壊直後にヒューズ素子に流れる過電流は保護ダイオードを流れるが、通常の電圧に対しては保護ダイオードには電流は流れず、制御回路へ流れる。
【0017】
また、ヒューズ素子は、トレンチ構造のキャパシタで構成され、このキャパシタの内部に保護ダイオードが形成されていることが望ましい。既存のトレンチ構造のキャパシタの内部に保護ダイオードを形成することで、回路の占有面積を縮小することができる。
【0018】
具体的には、キャパシタ及び保護ダイオードは、半導体基板の下部に配置された第1導電型半導体層と、半導体基板の上部に配置された第2導電型半導体層と、半導体基板の内部に形成され、底部が浅くとも第1導電型半導体層に達するトレンチと、第2導電型半導体層の上部にトレンチに隣接して配置された第1導電型の拡散層と、トレンチ内壁の前記第1導電型半導体層が表出した部分(「トレンチ下部」と呼ぶ)に配置された誘電膜と、誘電膜の内側に埋め込まれた第1の導電体と、トレンチ内壁の前記第2導電型半導体層が表出した部分(「トレンチ中部」と呼ぶ)に配置された絶縁膜と、絶縁膜の内側に埋め込まれた第2の導電体と、トレンチ内壁の前記拡散層が表出した部分(「トレンチ上部」と呼ぶ)に埋め込まれた第3の導電体とから少なくとも構成されていることが望ましい。
【0019】
ここで、キャパシタは、トレンチに埋め込まれた第1の導電体とこの第1の導電体の周囲に配置された第1導電型半導体層とからなる1対の電極と、これらの電極の間に配置された誘電膜とで構成されるトレンチ構造のキャパシタである。また、保護ダイオードは、上記のキャパシタの構成要素である拡散層と第2導電型半導体層との間のPN接合からなり、キャパシタの内部に形成されている。
【0020】
なお、拡散層に添加されている第1導電型不純物の濃度は、半導体記憶装置内のメモリセルを構成するトランジスタのソース・ドレインなどの拡散層の濃度と同一であっても構わない。
【0021】
本発明の第2の特徴は、
(1)半導体基板の下部及び上部に第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層をそれぞれ形成する第1工程と、
(2)半導体基板の内部に、底部が浅くとも第1導電型半導体層に達するトレンチを形成する第2工程と、
(3)トレンチ内壁の第1導電型半導体層が表出した部分(「トレンチ下部」と呼ぶ)に、誘電膜を形成する第3工程と、
(4)誘電膜の内側に第1の導電体を埋め込む第4工程と、
(5)トレンチ内壁の第2導電型半導体層が表出した部分のうちの下部(「トレンチ中部」と呼ぶ)に、絶縁膜を形成する第5工程と、
(6)絶縁膜の内側に第2の導電体を埋め込む第6工程と、
(7)トレンチ内壁の第2導電型半導体層が表出した部分のうちの上部(「トレンチ上部」と呼ぶ)に、第3の導電体を埋め込む第7工程と、
(8)第3の導電体の側面に接し、半導体基板の表面に表出した第1導電型の拡散層を形成する第8工程と
を少なくとも有する半導体記憶装置の製造方法であることである。ここで、第8工程は、半導体装置内のメモリセルを構成するトランジスタのソース・ドレインなどの拡散層を形成する工程と同時に行っても構わない。
【0022】
本発明の第2の特徴において、第7工程において埋め込む第3の導電体には、第1及び第2の導電体に比して高濃度の第1導電型不純物が添加されていることが望ましい。また、第8工程は、所定の熱処理を施して、第3の導電体に添加されている第1導電型不純物を第2導電型半導体層へ拡散させる工程であることが望ましい。第8工程において形成される拡散層の不純物濃度を、メモリセルを構成するトランジスタのソース・ドレインなどの拡散層の濃度から独立して制御することができる。したがって、保護ダイオードのツェナー降伏のしきい値電圧をトランジスタのジャンクション耐圧よりも低く設定することができ、トランジスタのシャンクションが破壊されるよりも先に保護ダイオードをブレイクダウン(ツェナー降伏)させることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【0024】
本発明の実施の形態に係る半導体記憶装置は、1つのトランジスタと、1つのキャパシタとから構成されたメモリセルがマトリックス状に配置されたダイナミックRAM(DRAM)である。また、DRAMは、メモリセルの他に、不良メモリセルを冗長メモリセルで置き換えるための冗長回路と、置き換えの情報を記録する為のヒューズ回路をさらに有している。パッケージ封止後の検査段階で発見された不良メモリセルは、ヒューズ回路に記録された置き換えの情報にしたがって、冗長回路内の冗長メモリセルで置き換えられ、不良チップが救済される。
【0025】
図1は、DRAM内のヒューズ回路の構成を示す回路図である。図1に示すように、ヒューズ回路は、ヒューズ素子1と、制御回路部2と、保護回路部3とから少なくとも構成されている。
【0026】
ヒューズ素子1は、1対の電極(8、11)とこれらの電極の間に挟まれた誘電膜とで構成されるキャパシタである。キャパシタ1の一方の電極8に過電圧を印加して誘電膜を破壊することによって置き換え情報がキャパシタ1に記録される。ヒューズ素子を構成するキャパシタ1は、メモリセルを構成するキャパシタと同一工程において同時に形成することができ、素子構造もほぼ同一である。誘電膜を破壊するための過電圧は、半導体チップ内の電極パッドを介して接続された外部電源4により供給される。通常の動作電圧が1〜3VであるDRAMの場合、誘電膜を破壊する際に、外部電源4から5〜10V程度の過電圧が一方の電極8に供給される。
【0027】
制御回路部2は、誘電膜を破壊する際にキャパシタ1を選択する為のMOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)5と、キャパシタ1に記録された情報を読み出す際にキャパシタ1を選択する為のMOSFET6とから構成されている。MOSFET5、6は、キャパシタ1の他方の電極11に並列に接続されている。MOSFET5の他方の電極は設置電位に接続され、MOSFET6の他方の電極からはキャパシタ1に記録された情報が出力される。この情報は冗長回路などに入力され、不良メモリセルと冗長メモリセルとの置き換えが実行される。MOSFET5、6のソース/ドレインのジャンクション耐圧は1〜3V程度の通常の動作電圧よりも大きいが、誘電膜を破壊するための過電圧(5〜10V)よりも小さい。
【0028】
保護回路部3は、絶縁膜を破壊した直後にキャパシタを流れる過電流を流す為の回路である。具体的には、保護回路部は、過電流の流れに対して逆方向に配置された保護ダイオード3である。保護ダイオード3は、制御回路部2の前段においてキャパシタ1の他方の電極11に接続されている。保護ダイオード3のツェナー降伏耐圧は、過電圧(5〜10V)よりも小さく、通常の動作電圧(1〜3V)よりも大きい。保護ダイオード3は、制御回路部2の前段においてキャパシタ1の他方の電極11と接地電位との間に接続されている。図1においては、正の過電圧が一方の電極8に印加されるため、絶縁膜を破壊した直後には、キャパシタ1から接地電位に向かって過電流が流れる。したがって、保護体オード1の順方向は、接地電位からキャパシタ1に向いている。
【0029】
上記構成を有するヒューズ回路に情報を記録し、或いは記録された情報を読み出す場合、ヒューズ回路は以下のように動作する。即ち、トランジスタ5をオン状態にすることでキャパシタ1の他方の電極11が接地電位に接続される。そして、キャパシタ1の一方の電極8に正の過電圧(5〜10V)を印加することで、誘電膜が破壊され、キャパシタ1に情報が記録される。トランジスタ5がオフ状態において過電圧を印加してもキャパシタ1の誘電膜は破壊されない。
【0030】
一方、キャパシタ1に記録された情報を読み出す場合には、外部電源4を用いてキャパシタ1の一方の電極8に通常の電圧(1〜3V)を印加する。そして、トランジスタ6をオン状態にすることで、キャパシタ1の抵抗の大小の情報が読み出される。つまり、誘電膜が破壊されたキャパシタ1の抵抗は小さいため、印加された通常の電圧がそのまま出力される。しかし、誘電膜が破壊されていないキャパシタ1の抵抗は非常に大きいため、接地電位が出力される。
【0031】
次に、保護ダイオード3の動作を説明する。キャパシタ1の誘電膜を破壊した直後には、キャパシタ1の他方の電極11に充電されていた電荷が過電流として一度に流れ、外部電源4から供給される過電圧がキャパシタ1の後段に配置された保護ダイオード3及び制御回路部2に印加される。保護ダイオード3のツェナー降伏耐圧は過電圧(5〜10V)よりも小さいため、保護ダイオード3は過電圧に対してツェナー降伏する。したがって、誘電膜の破壊直後に流れる過電流は、制御回路部2よりも前段に配置された保護ダイオード3を流れることになる。一方、保護ダイオード3のツェナー降伏耐圧は通常の電圧(1〜3V)よりも大きいため、記録された情報を読み出すときに印加される通常の電圧に対してはツェナー降伏しない。したがって、通常の電圧に対しては保護ダイオード3には電流は流れず、電流は制御回路部2へ流れる。
【0032】
図2は、図1に示したヒューズ回路の内、キャパシタ1及び保護ダイオード3の構造を模式的に示した図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は図2(a)のA−A’切断面に沿った断面図を示す。図2(b)に示すように、キャパシタ1は、半導体基板7の内部に形成されたトレンチに埋め込まれた第1の導電体(第1のポリシリコン)11と第1のポリシリコン11の周囲に配置された第1導電型半導体層(nウェル)8とからなる1対の電極と、これらの電極(11、8)の間に配置された誘電膜10とで構成されるトレンチ構造のキャパシタ(以後、「トレンチキャパシタ」と呼ぶ)からなる。また、保護ダイオード3は、トレンチキャパシタの構成要素である拡散層(17、20)と第2導電型半導体層(pウェル)9との間のPN接合からなり、トレンチキャパシタの内部に形成されている。なお、図1に示したキャパシタ1の一方の電極8は、nウェル8に対応し、他方の電極11は第1のポリシリコン11に対応している。
【0033】
nウェル8は半導体基板7の下部に埋め込まれ、nウェル8の上にpウェル9が配置されている。pウェル9は接地電位に接続されているが、nウェル8とpウェル9間の耐圧は、過電圧(5〜10V)よりも大きい。トレンチの底部32はnウェル8の下部にまで到達している。pウェル9の上部にトレンチに隣接してn型の拡散層(染出し拡散層)17が配置されている。
【0034】
トレンチ内壁のnウェル8が表出した部分(トレンチ下部)12aには、窒化シリコン膜(Si膜)と酸化シリコン膜(SiO膜)の積層膜(NO膜)などからなる薄膜状の誘電膜10が均一に配置され、誘電膜10の内側に第1のポリシリコン11が埋め込まれている。トレンチ内壁のpウェル9が表出した部分(トレンチ中部)12bには、酸化膜などからなる薄膜状の絶縁膜13が均一に配置され、絶縁膜13の内側に第2の導電体(第2のポリシリコン)14が埋め込まれている。トレンチ内壁の染出し拡散層17が表出した部分(トレンチ上部)12cには第3の導電体(第3のポリシリコン)15が埋め込まれている。第3のポリシリコン15の上には酸化物などからなるトレンチキャップ16が埋め込まれている。第1のポリシリコン11は第2のポリシリコン14に接続され、第2のポリシリコン14は第3のポリシリコン15に接続されている。第3のポリシリコン15は染出し拡散層17に接続されている。
【0035】
また、第1のポリシリコン11は誘電膜10によりnウェル8から絶縁分離され、第2のポリシリコン14は絶縁膜13によりpウェル9から絶縁分離されている。前述のように、トレンチキャパシタはnウェル8、第1のポリシリコン11、及び誘電膜10から構成されており、pウェル9と第2のポリシリコン14との間の静電容量を小さくするため、絶縁膜13は誘電膜10に比して厚く形成されている。n型の染出し拡散層17は、第3のポリシリコン15及びトレンチキャップ16に隣接して配置され、第3のポリシリコン15の側面に接し、その一部が半導体基板7の表面に表出している。
【0036】
上記のトレンチキャパシタが形成される領域とは異なる領域において、半導体基板7の表面からnウェル8に到達するn型の引出し領域18が配置されている。また、トレンチキャパシタ及び引出し領域18が配置された領域をのぞいた領域の半導体基板7の上部には素子分離のための酸化膜からなるSTI19が埋め込まれている。さらに、トレンチキャパシタ及び引出し領域18が配置された領域の半導体基板7の上部には、メモリセルを構成するMOSFETのソース/ドレインと同時に形成されるn型のSD拡散層20が配置されている。SD拡散層20は染出し拡散層17及び引き出し領域18にそれぞれ接続されている。前述したように、保護ダイオード3は、拡散層(17、20)とpウェル9間のPN接合からなるが、保護ダイオード3のツェナー降伏耐圧は、染出し拡散層17或いはSD拡散層20の形状、若しくは拡散層(17、20)及びpウェル9の不純物濃度により決まる。
【0037】
半導体基板7の上には層間絶縁膜21が配置され、層間絶縁膜21の上には染出し拡散層17及びSD拡散層20に接続された金属配線22aが配置され、引き出し領域18に接続された金属配線22bが配置されている。金属配線22a、22bの上には保護膜23が配置されている。図1に示した制御回路部2は金属配線22aに接続され、外部電源4は金属配線22bに接続されている。
【0038】
図2(a)は、半導体基板7の表面における各構成部材の配置を示している。図2(a)に示すように、トレンチ上部12cに埋め込まれたトレンチキャップ16及び第3のポリシリコン15の外周を囲むように染出し拡散層17が配置され、染出し拡散層17の外側にSD拡散層20が配置されている。金属配線22aは染出し拡散層17及びSD拡散層20に跨るようにして接続されている。トレンチキャパシタが形成される領域とは異なる領域において、nウェル8に接続された引出し領域18が配置され、引出し領域18の内部において金属配線22bが接続されている。なお、金属配線22aは、染出し拡散層17及びSD拡散層20のうち少なくとも一方に接続されていれば十分であり、金属配線22aの接続位置は図2(a)に示した位置に限定されるものではない。また、第3のポリシリコン15はトレンチキャップ16の下に配置されているため、半導体基板7の表面には表出していないが、第3のポリシリコン15の外周全体に染出し拡散層17が配置・接続されていることを示すために図示した。
【0039】
なお、図2(a)及び図2(b)に示したヒューズ素子1は、既存のDRAM内のメモリセルを構成するトレンチキャパシタと実質的に同一の構成を有している。メモリセルを構成するトレンチキャパシタをヒューズ素子1及び保護ダイオード3として利用している。また、図2(a)及び図2(b)に示したヒューズ素子1及び保護ダイオード3は、後述するように、メモリセルのトレンチキャパシタと実質的に同一の製造工程により形成することができる。
【0040】
次に図2(a)及び図2(b)に示したトレンチキャパシタ1及び保護ダイオード3の動作を説明する。外部電源4から供給される過電圧は、金属配線22b、SD拡散層20、そして引き出し領域18を介してトレンチキャパシタの一方の電極、つまりnウェル8に印加される。図1において示した制御回路部2内のトランジスタ5をオン状態にすることで、金属配線22a、拡散領域(17、20)、第3のポリシリコン15、第2のポリシリコン14を介して第1のポリシリコン11に接地電位が印加される。すると、nウェル8と第1のポリシリコン11の間に配置された誘電膜10が過電圧により破壊され、nウェル8と第1のポリシリコン11間が導通状態(抵抗が小さい状態)になる。
【0041】
誘電膜10を破壊した直後には、第1のポリシリコン11に充電されていた電荷が過電流として一度に制御回路部2に向けて流れ出し、外部電源4から供給される過電圧が、第1のポリシリコン11の後段に接続された第2のポリシリコン14、第3のポリシリコン15、染出し拡散層17、SD拡散層20などに印加される。前述したように、pウェル9には接地電位が印加されているため、誘電膜10を破壊した直後には、拡散層(17、20)とpウェル9との間のPN接合3にも過電圧が逆バイアスとして印加される。このPN接合3のツェナー降伏耐圧は過電圧よりも小さいため、過電圧に対してツェナー降伏する。したがって、誘電膜10の破壊直後に流れる過電流は、制御回路部2よりも前段に配置された、染出し拡散層17及びSD拡散層20とpウェル9との間のPN接合からなる保護ダイオード3を流れ、制御回路部2内のMOSFETに過電流が流れることがない。
【0042】
図3乃至図5の各分図は、それぞれ図2(a)及び図2(b)に示した本発明の実施の形態に係るトレンチキャパシタ1及び保護ダイオード3の製造方法における主要な工程を示す断面図である。図2(a)及び図2(b)に示したトレンチキャパシタ1及び保護ダイオード3の製造方法を図3乃至図5の各分図を参照して説明する。
【0043】
(イ)まず、図3(a)に示すように、半導体基板7の下部及び上部にnウェル8及びpウェル9をそれぞれ形成する。具体的には、pウェル9と同程度のp型不純物濃度を有する半導体基板7をまず用意する。イオン注入法を用いて、この半導体基板7の表面に対して、高速に加速されたn型不純物イオンを注入し、p型の半導体基板7の下部にn型不純物を埋め込む。所定の熱処理を施して注入されたn型不純物を活性化し、半導体基板7の下部にnウェル8を形成する。また同時に、nウェル8の上にはpウェル9が形成される。その後、半導体基板7上の酸化シリコン膜をふっ酸などを用いてエッチング除去する。
【0044】
次に、フォトリソグラフィ法、RIE法を用いて引出し領域18が形成される領域に窓を有する酸化シリコン膜を形成する。そして、イオン注入法を用いてn型不純物イオンをこの酸化シリコン膜をマスクとして半導体基板7に選択的に注入し、所定の熱処理を施して、半導体基板7表面からnウェル8に到達する領域にn型不純物が添加された引き出し領域18を形成する。
【0045】
(ロ)次に、図3(b)に示すように、底部32が浅くともnウェル8の下部に達するトレンチ(溝)24を半導体基板7の内部に形成する。具体的には、フォトリソグラフィ法、RIE法を用いて、半導体基板7の上にトレンチ24を形成したい領域に窓を有する酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜をマスクとして、RIE法により選択的に半導体基板7をエッチングする。半導体基板7のエッチングは、トレンチ深さがnウェル8の下部にまで達した時点で終了する。半導体基板7上の酸化シリコン膜を除去することで、トレンチ24を形成することができる。
【0046】
次に、CVD法(Chemical Vapor Deposition法:化学的気相成長法)を用いて、トレンチ24の内壁、半導体基板7の表面に一様に薄い誘電膜10を成膜する。具体的には、まずSi膜をCVD法により成膜する。そして、SiO膜を成膜する。誘電膜10は、Si膜とSiO膜との積層膜からなり、その膜厚は3〜5nmである。
【0047】
次に、スピン塗布法などを用いて、トレンチ内部及び半導体基板7の上にレジスト液を塗布し、レジスト全面を露光・現像する。誘電膜10よりレジストに対して大きな選択比を有するエッチング方法を用いて、半導体基板7の上に形成されたレジストを選択的に除去し、さらにトレンチ下部12aに埋め込まれたレジスト25を残してトレンチ内のその他のレジストを除去する。なおここでは、残されたレジスト25の上端と、nウェル8−pウェル9間の界面との位置は一致している場合について示しているが、本発明はこれに限定されることなく、レジスト25上端がウェル界面よりも下、つまりトレンチの底部32側に配置されていても構わない。
【0048】
(ハ)次に、レジスト25より誘電膜10に対して大きな選択比を有するウェットエッチング方法を用いて、半導体基板7上及びトレンチ24内部に表出している誘電膜10を選択的に除去する。その後、前述のレジスト25に対するエッチング方法と同じ方法を用いて、トレンチ下部12aに埋め込まれたレジスト25を除去する。図3(c)に示すように、トレンチ内壁のnウェル8が表出した部分(トレンチ下部)12aに、誘電膜10を形成することができる。
【0049】
次に、CVD法を用いて、n型不純物が添加されたポリシリコン(多結晶シリコン)を半導体基板全面及びトレンチ内部に埋め込む。CDE法などのエッチング方法を用いて、トレンチ下部12aに埋め込まれた第1のポリシリコン11を残して、トレンチ中部12b及びトレンチ上部12cに埋め込まれたポリシリコンを除去する。図3(c)に示すように、誘電膜10の内側に第1のポリシリコン11を埋め込むことができる。
【0050】
次に、CVD法を用いて、半導体基板7全面及びトレンチ内壁に酸化シリコン膜などからなる絶縁膜13を堆積する。絶縁膜13の膜厚は、誘電膜10を破壊するときに印加する過電圧よりも大きな耐圧を有する程度に厚く形成する。なお、ここでは、CVD法により絶縁膜13を堆積する場合について示すが、絶縁膜13は所定の熱酸化処理により形成される熱酸化膜であっても構わない。
【0051】
(ニ)次に、RIE法などの異方性エッチング方法を用いて、半導体基板の上、及び第1のポリシリコン11の上に形成された絶縁膜13を選択的にエッチングして、図3(d)に示すように、トレンチ中部12bの側壁に絶縁膜13が形成される。
【0052】
次に、CVD法を用いて、n型不純物が添加されたポリシリコンを半導体基板7全面及びトレンチ24内部(12b、12c)にポリシリコン堆積する。CDE法を用いてポリシリコンをエッチングしてトレンチ中部12bに埋め込まれた第2のポリシリコン14を残して、トレンチ上部12c及び半導体基板7に堆積したポリシリコンを除去する。図3(d)に示すように、絶縁膜13の内側に第2のポリシリコン14が埋め込まれる。半導体基板7表面から第2のポリシリコン14の上端までの深さは、100〜400nmである。
【0053】
次に、半導体基板7全面及びトレンチ内部12cに、n型不純物が第1及び第2のポリシリコン(11、14)に比して高濃度に添加されたポリシリコンを堆積する。そして、所定の平坦化処理を施して、トレンチ上部12cに埋め込まれた第3のポリシリコン15を残して、半導体基板7に堆積したポリシリコンを除去する。図3(d)に示すように、トレンチ上部12cに第3のポリシリコン15が埋め込まれる。
【0054】
(ホ)次に、800〜1000℃の窒素雰囲気においてアニールを施して、第3のポリシリコン15に添加されているn型不純物をpウェル9へ拡散させる。図4(a)に示すように、第3のポリシリコン15の側面に接し、半導体基板7の表面に表出したn型の染出し拡散層17が第3のポリシリコン15の外周に形成される。
【0055】
次に、半導体基板7よりポリシリコンに対して大きなエッチング選択比を有するウェットエッチング方法を用いて、第3のポリシリコン15の上部を選択的に除去して、図4(a)に示すくぼみ26を形成する。なお、上記のウェットエッチング方法の代わりに、くぼみ26を形成したい領域に窓を有するマスクを用いてポリシリコンの選択的な異方性エッチングを行っても構わない。
【0056】
(へ)次に、図4(b)に示すように、STI19が形成される領域に窓を有するレジスト28を形成し、これをマスクとして半導体基板7のRIEを行う。STI19が形成される領域に溝を形成する。エッチング終了後、レジスト28を除去する。
【0057】
(ト)次に、CVD法により、半導体基板7全面に厚い酸化シリコン膜(SiO膜)29を堆積する。このとき、図4(c)に示すように、トレンチ上部12cのくぼみ26、及びSTI19が形成される領域の溝に、SiO膜が埋め込まれる。
【0058】
(チ)次に、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)などの平坦化処理を施すことで、図4(d)に示すように、酸化膜29からなるSTI19及びトレンチキャップ16を同時に形成する。次に、イオン注入法を用いて、半導体基板7全面にn型不純物イオンを低速で打ち込み、所定の熱処理を施すことで、半導体基板7の上部にSD拡散層20を形成する。SD拡散層20は、同一半導体基板7内で形成されるMOSFETのソース・ドレイン領域と同時に形成されるものである。
【0059】
(リ)次に、図5(a)に示すように、CVD法を用いて、半導体基板7全面に層間絶縁膜21を堆積する。フォトリソグラフィ法により、金属配線22a、22bが半導体基板7に接続されるコンタクト領域に窓を有するレジスト30を層間絶縁膜21の上に形成し、これをマスクとして、層間絶縁膜21のRIEを行う。その後、レジスト30を除去する。
【0060】
(ヌ)次に、図5(b)に示すように、金属配線22a、22bと同一パターンの窓を有するレジスト31を層間絶縁膜21の上に形成する。これをマスクとして、層間絶縁膜のRIEを行い、溝を形成する。スパッタ法を用いて、アルミニウムなどからなる金属膜22を半導体基板7全面に堆積する。このとき、コンタクト領域、及び金属配線用の溝にも金属膜22が埋め込まれる。
【0061】
次に、CMPなどの平坦化処理を施し、金属配線22a、22bを形成する。最後に、金属配線22a、22bの上に保護膜23を形成することで、図2(a)及び(b)に示したトレンチキャパシタ1及び保護ダイオード3を形成することができる。
【0062】
以上説明したように、図1に示したヒューズ回路を構成することで、誘電膜を破壊した直後に保護ダイオード3に加わる過電圧に対してはツェナー降伏するが、ヒューズ素子1に記録された情報を出力するために印加される通常の電圧に対してはツェナー降伏することがない。即ち、保護ダイオード3は、過電圧に対するフィルターの役割を果たす。したがって、過電流がヒューズ素子51の後段に配置された制御回路部2に流れ、トランジスタ5、6のジャンクションを破壊する惧れがなくなる。また、トランジスタ5、6の破壊を回避するために過電圧を小さくする必要もなくなるため、誘電膜を十分に破壊することができず、ヒューズ素子51への情報の書き込みが不十分になってしまう惧れもなくなる。したがって、外部電源4から印加された過電圧により、破壊後のヒューズ素子1の抵抗を十分下げることができ、且つヒューズ素子1の後段に配置された制御回路部2に過電流が流れないようにすることができる。
【0063】
また、図2乃至図5を参照して説明したように、ヒューズ素子1を、メモリセルセル内のトレンチキャパシタと実質的に同一構造にすることにより、ヒューズ素子1を形成するために新たな製造工程を追加、或いは既存の製造工程を変更する必要がなく、メモリセルセル内のトレンチキャパシタと同時にヒューズ素子1を形成することができる。更に、ヒューズ素子1の構成要素である拡散層(17、20)及びpウェル9を用いて保護ダイオード3を形成することで、保護ダイオード3を形成するために新たな素子領域を必要とせず、回路面積を減少して、回路集積度を向上させることができる。メモリに関しては、不良メモリセルの置き換え情報、装置機能のトリミング、半導体記憶装置情報をOTPROMとして使用するため、複数のヒューズ回路が必要となる。
【0064】
さらに、誘電膜10を破壊するときにpウェル9に印加する電位を接地電位ではなく、−0.5〜−2.0V程度の負の電位を印加することで、保護ダイオード3の見かけ上のツェナー降伏耐圧を下げることができる。したがって、制御回路部2内のMOSFET5、6のジャンクション耐圧と保護ダイオード3のジャンクション耐圧が同等であっても、保護ダイオード3の方を先にブレイクダウン(ツェナー降伏)させることができる。保護ダイオード3のツェナー降伏耐圧を意図的に下げることにより、制御回路部2内のMOSFET5、6の設計の自由度が増加する。
【0065】
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は1つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0066】
実施の形態では、請求項に係る発明の「拡散層」が、染出し拡散層17及びSD拡散層20の両方に対応している場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。請求項に係る発明の「拡散層」に対応する事項は、染出し拡散層17或いはSD拡散層20のうちのどちらか一方のみで構成されていても構わない。染出し拡散層17のみで構成される場合、染み出し拡散層17とpウェル9間のPN接合3のツェナー降伏耐圧をメモリセルのMOSFET5、6のジャンクション耐圧から独立して設定することができ、MOSFET及び保護ダイオードの設計自由度が向上する。一方、SD拡散層20のみで構成される場合、MOSFET5、6のジャンクション耐圧と、PN接合3のツェナー降伏耐圧とが同等となることがあるが、前述のように、pウェル9に負の電圧を印加することで、見かけ上のPN接合3のツェナー降伏耐圧を下げることができる。
【0067】
また、実施の形態では、図1に示したヒューズ素子1として、トレンチ構造のキャパシタを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。トレンチ構造のキャパシタの代わりに、スタック構造のキャパシタを用いても構わない。
【0068】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、絶縁破壊不良(導通不良)がなく、且つヒューズ素子に接続された回路を破壊することがない半導体記憶装置及びその製造方法を提供することができる。
【0070】
具体的には、誘電膜破壊時の過電圧を高く維持することで破壊後のヒューズ素子の抵抗を十分低くし、且つ誘電膜破壊直後に流れる過電流がヒューズ素子に接続されたトランジスタに流れないようにすることができるヒューズ回路を有する半導体記憶装置及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る半導体記憶装置(DRAM)が有するヒューズ回路の構成を示す回路図である。
【図2】図2(a)は、図1に示したヒューズ回路の内、キャパシタ1及び保護ダイオード3の構造を模式的に示した平面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A’切断面に沿った断面図を示す。
【図3】図3(a)乃至図3(d)は、図2(a)及び図2(b)に示した本発明の実施の形態に係るトレンチキャパシタ1及び保護ダイオード3の製造方法における主要な工程を示す断面図である(その1)。
【図4】図4(a)乃至図4(d)は、図2(a)及び図2(b)に示した本発明の実施の形態に係るトレンチキャパシタ1及び保護ダイオード3の製造方法における主要な工程を示す断面図である(その2)。
【図5】図5(a)乃至図5(c)は、図2(a)及び図2(b)に示した本発明の実施の形態に係るトレンチキャパシタ1及び保護ダイオード3の製造方法における主要な工程を示す断面図である(その3)。
【図6】図6(a)は、トレンチキャパシタを利用した従来のヒューズ素子の構成を模式的に示した平面図であり、図6(b)は図6(a)のB−B’切断面に沿った断面図を示す。
【図7】図7(a)乃至図7(c)は、図6(a)及び図6(b)に示した従来のヒューズ素子の製造方法における主要な工程を示す断面図である(その1)。
【図8】図8(a)及び図8(b)は、図6(a)及び図6(b)に示した従来のヒューズ素子の製造方法における主要な工程を示す断面図である(その2)。
【図9】図6(a)及び図6(b)に示したトレンチキャパシタをヒューズ素子として利用した場合の一般的なヒューズ回路を示す回路図である。
【符号の説明】
1 ヒューズ素子(キャパシタ)
2 制御回路部
3 保護回路部(保護ダイオード)
4 外部電源
5、6 トランジスタ(MOSFET)
7 半導体基板
8 第1導電型半導体層(nウェル)
9 第2導電型半導体層(pウェル)
10 誘電膜
11 第1の導電体(第1のポリシリコン)
12a トレンチ下部
12b トレンチ中部
12c トレンチ上部
13 絶縁膜
14 第2の導電体(第2のポリシリコン)
15 第3の導電体(第3のポリシリコン)
16 トレンチキャップ
17 染出し拡散層
18 引出し領域
19 STI
20 SD拡散層
21 層間絶縁膜
22a、22b 金属配線
23 保護膜
24 トレンチ
25、28、30、31 レジスト
26 くぼみ
29 酸化膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor memory device having a fuse element (capacitor) for recording information for replacing a defective memory cell with a redundant memory cell. Furthermore, the present invention relates to a protection circuit technique for protecting a circuit from an overcurrent when the fuse element is destroyed.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A semiconductor memory device such as a dynamic RAM is composed of memory cells composed of MOSFETs (MOS field effect transistors) and capacitors arranged in a matrix, and each memory cell has a signal line (word line) in the row direction and a column direction. This can be selected by selecting both of the signal lines (bit lines). The manufacture of LSI memory requires an extremely clean environment, and there is a high possibility that defective memory cells are generated due to fine dust or the like. For this reason, redundant circuits are provided in many LSI memories, and defective memory cells are replaced using redundant memory cells. When a defective memory cell is found at the stage of the wafer probe test, the defective memory cell can be replaced with a redundant memory cell by the information recorded by cutting the laser phase, and the defective chip can be relieved.
[0003]
If a defective memory cell is found in the inspection stage after package sealing, the laser phase cannot be cut. Therefore, the trench capacitor constituting the memory cell, which is disclosed in the previous application (Japanese Patent Application No. 11-241778) by the applicant of the present application that has not yet been published at the time of filing the present application, is used as a fuse element, and the external power supply A technique for recording information on the fuse element can be used by applying an overvoltage to one of the electrodes to break the dielectric film.
[0004]
6A and 6B show a configuration of a conventional fuse element using a trench capacitor. FIG. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. Indicates. As shown in FIG. 6B, an n well 58 to which an n-type impurity is added is disposed on the semiconductor substrate 57, and a trench is formed inside the n well 58. A trench internal electrode 61 is embedded inside the trench through a thin dielectric film 60. The trench capacitor includes a pair of electrodes including an n-well 58 and a trench internal electrode 61, and a dielectric film 60 disposed between these electrodes. It consists of and. Metal interconnections 72a and 72b are connected to the trench internal electrode 61 and the n-well 58, respectively. An oxide film 67 is buried above the trench. As shown in FIG. 6A, an n well 58 is exposed on the surface of the substrate 57 in a region where the metal wirings 72a and 72b are connected to the semiconductor substrate 57, and an STI (Shallow Trench) made of an oxide film in the other region. Isolation) 69 is formed.
[0005]
7 and 8 are main process sectional views showing a method of manufacturing the conventional fuse element shown in FIG. First, in FIG. 7A, after n-type impurities are diffused in the upper part of the semiconductor substrate 57 to form an n-well 58, RIE processing of the substrate 57 is performed using an oxide film 76 having a window in a region for forming a trench as a mask. The trench 74 is formed. At this time, etching proceeds in the lateral direction at the interface between the oxide film 76 and the substrate 57, and a shallow groove 75 is simultaneously formed.
[0006]
In FIG. 7B, a dielectric film 60 is formed inside the trench 74 and further polysilicon 61 is embedded. Then, the dielectric film 60 and the polysilicon 61 other than the inside of the trench 74 are removed by CDE (Chemical Dry Etching). Next, the substrate 57 is selectively removed by etching using the oxide film 77 having a window in a region where the STI 69 is formed as a mask.
[0007]
In FIG. 7C, an oxide film is deposited on the entire surface of the substrate 57 and planarized to form an STI 69 and an oxide film 67 embedded in the shallow trench 75 at the same time. 8A, an interlayer insulating film 71 is deposited on the substrate 57, and the interlayer insulating film 71 and the oxide film 67 in a region where the metal wirings 72a and 72b are connected are selectively etched away using a resist 78. To do. In FIG. 8B, grooves having the same pattern as the metal wirings 72 a and 72 b are formed in the interlayer insulating film 71, and the metal film 72 is deposited on the entire surface of the substrate 57. By performing planarization and forming the insulating film 73, the fuse element shown in FIG. 6 can be formed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
When the above-described trench capacitor is used as a fuse element, a fuse circuit as shown in FIG. 9 is generally configured. That is, an external power supply 54 is connected to one electrode of the fuse element 51, and a transistor 55 for selecting the fuse element 51 and a transistor 56 for outputting information recorded in the fuse element 51 are connected to the other electrode. A control circuit unit 52 connected in parallel is connected. By applying an overvoltage higher than the dielectric film withstand voltage by the external power source 54, the dielectric film of the fuse element 51 selected by the transistor 55 is destroyed. By turning on the transistor 56, information is output depending on the resistance of the fuse element 51.
[0009]
In order to destroy the dielectric film, an overvoltage of about 5 to 10 V is usually required, and at the moment when the dielectric film is destroyed, the electric charge previously charged in the capacitor 51 becomes an overcurrent of about 5 to 30 mA at a time. It flows in the circuit. This overcurrent may destroy the junctions of the transistors 55 and 56 that are normally operated at a voltage of about 1 to 3 V and are disposed at the subsequent stage of the fuse element 51. Therefore, the overvoltage applied to the fuse element 51 may be reduced. It is necessary to keep it low. However, if the overvoltage is lowered, the dielectric film cannot be sufficiently destroyed, the resistance of the fuse element 51 after the destruction cannot be lowered sufficiently, and as a result, writing of information to the fuse element 51 is not possible. It will be enough.
[0010]
As described above, in the fuse circuit using the capacitor constituting the memory cell, the overvoltage applied from the external power supply 54 can sufficiently reduce the resistance of the fuse element 51 after being destroyed, and is disposed in the subsequent stage of the fuse element 51. Therefore, it is necessary to prevent an overcurrent from flowing through the control circuit unit 52.
[0011]
Further, the trench capacitor having the configuration shown in FIG. 6 and the manufacturing method shown in FIGS. 7 and 8 have many different points from the configuration and manufacturing method of the trench capacitor constituting the existing dynamic RAM memory cell. There is also a need to add new process steps.
[0012]
The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and its object is to have no breakdown failure (conductivity failure) and to destroy a circuit connected to a fuse element. A semiconductor memory device and a method for manufacturing the same are provided.
[0013]
Specifically, by maintaining a high overvoltage at the time of dielectric film breakdown, the resistance of the fuse element after breakdown is sufficiently low, and an overcurrent that flows immediately after the dielectric film breakdown does not flow to the transistor connected to the fuse element. The present invention provides a semiconductor memory device having a fuse circuit and a method for manufacturing the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the first feature of the present invention is composed of a pair of electrodes and a dielectric film sandwiched between these electrodes, and an overvoltage is applied to one of the electrodes to destroy the dielectric film. The fuse element in which information is recorded, the control circuit unit connected to the other electrode of the fuse element, and the dielectric film was destroyed by being connected to the other electrode of the fuse element in the previous stage of the control circuit unit This is a semiconductor memory device having a fuse circuit provided with a protection circuit portion through which an overcurrent flowing through the fuse element flows immediately after.
[0015]
According to the first feature of the present invention, immediately after the dielectric film of the fuse element is broken, the electric charge charged in the fuse element flows as an overcurrent at a time, and this overcurrent is detected at the front stage of the control circuit unit. Therefore, even when a large overvoltage is applied to the fuse element, it does not flow to the transistor in the control circuit portion.
[0016]
In the first feature of the present invention, the protection circuit unit is a protection diode arranged in a reverse direction with respect to an overcurrent flow, and a threshold voltage (Zener breakdown voltage) of the Zener breakdown of the protection diode is set. It is desirable to be smaller than the overvoltage. Although the Zener breakdown occurs with respect to an overvoltage applied to the protection diode immediately after the dielectric film is broken, the Zener breakdown does not occur with respect to a normal voltage applied to output information recorded in the fuse element. Therefore, the overcurrent that flows through the fuse element immediately after the breakdown of the dielectric film flows through the protection diode, but for the normal voltage, no current flows through the protection diode and flows to the control circuit.
[0017]
Further, it is desirable that the fuse element is constituted by a capacitor having a trench structure, and a protective diode is formed inside the capacitor. By forming the protection diode inside the existing trench structure capacitor, the area occupied by the circuit can be reduced.
[0018]
Specifically, the capacitor and the protection diode are formed inside the semiconductor substrate, a first conductivity type semiconductor layer disposed at the bottom of the semiconductor substrate, a second conductivity type semiconductor layer disposed at the top of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate. A trench reaching the first conductivity type semiconductor layer even when the bottom is shallow, a first conductivity type diffusion layer disposed adjacent to the trench above the second conductivity type semiconductor layer, and the first conductivity type of the inner wall of the trench A dielectric film disposed in a portion where the semiconductor layer is exposed (referred to as “trench lower part”), a first conductor embedded inside the dielectric film, and the second conductive semiconductor layer on the inner wall of the trench are exposed. The insulating film disposed in the protruding portion (referred to as “trench middle portion”), the second conductor embedded inside the insulating film, and the portion where the diffusion layer on the inner wall of the trench is exposed (“trench upper portion”) 3rd lead embedded in It is preferable that at least consists of a body.
[0019]
Here, the capacitor includes a pair of electrodes including a first conductor embedded in the trench and a first conductivity type semiconductor layer disposed around the first conductor, and between these electrodes. This is a capacitor having a trench structure composed of a disposed dielectric film. The protective diode is formed of a PN junction between the diffusion layer, which is a component of the capacitor, and the second conductivity type semiconductor layer, and is formed inside the capacitor.
[0020]
Note that the concentration of the first conductivity type impurity added to the diffusion layer may be the same as the concentration of the diffusion layer such as the source / drain of the transistor constituting the memory cell in the semiconductor memory device.
[0021]
The second feature of the present invention is that
(1) a first step of forming a first conductive type semiconductor layer and a second conductive type semiconductor layer on a lower part and an upper part of a semiconductor substrate,
(2) a second step of forming a trench reaching the first conductivity type semiconductor layer even if the bottom is shallow, inside the semiconductor substrate;
(3) a third step of forming a dielectric film on a portion of the inner wall of the trench where the first conductivity type semiconductor layer is exposed (referred to as “trench lower part”);
(4) a fourth step of embedding the first conductor inside the dielectric film;
(5) a fifth step of forming an insulating film in a lower portion (referred to as “trench middle portion”) of the portion where the second conductivity type semiconductor layer on the inner wall of the trench is exposed;
(6) a sixth step of embedding the second conductor inside the insulating film;
(7) a seventh step of burying a third conductor in an upper portion (referred to as “trench upper portion”) of the portion where the second conductivity type semiconductor layer on the inner wall of the trench is exposed;
(8) an eighth step of forming a first conductivity type diffusion layer exposed on the surface of the semiconductor substrate in contact with the side surface of the third conductor;
A method for manufacturing a semiconductor memory device having at least Here, the eighth step may be performed simultaneously with the step of forming diffusion layers such as the source and drain of the transistors constituting the memory cells in the semiconductor device.
[0022]
In the second feature of the present invention, it is desirable that the third conductor embedded in the seventh step is doped with a first conductivity type impurity having a higher concentration than the first and second conductors. . The eighth step is preferably a step of performing a predetermined heat treatment to diffuse the first conductivity type impurity added to the third conductor into the second conductivity type semiconductor layer. The impurity concentration of the diffusion layer formed in the eighth step can be controlled independently from the concentration of the diffusion layer such as the source / drain of the transistor constituting the memory cell. Therefore, the threshold voltage for zener breakdown of the protective diode can be set lower than the junction breakdown voltage of the transistor, and the protective diode can be broken down (zener breakdown) before the transistor junction is destroyed. it can.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thicknesses of the layers, and the like are different from the actual ones. In addition, it goes without saying that portions with different dimensional relationships and ratios are also included in the drawings.
[0024]
The semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention is a dynamic RAM (DRAM) in which memory cells each composed of one transistor and one capacitor are arranged in a matrix. In addition to the memory cells, the DRAM further includes a redundant circuit for replacing defective memory cells with redundant memory cells, and a fuse circuit for recording replacement information. The defective memory cell found in the inspection stage after the package sealing is replaced with the redundant memory cell in the redundant circuit according to the replacement information recorded in the fuse circuit, and the defective chip is relieved.
[0025]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a fuse circuit in a DRAM. As shown in FIG. 1, the fuse circuit includes at least a fuse element 1, a control circuit unit 2, and a protection circuit unit 3.
[0026]
The fuse element 1 is a capacitor composed of a pair of electrodes (8, 11) and a dielectric film sandwiched between these electrodes. Replacement information is recorded in the capacitor 1 by applying an overvoltage to one electrode 8 of the capacitor 1 to break the dielectric film. The capacitor 1 constituting the fuse element can be formed simultaneously in the same process as the capacitor constituting the memory cell, and the element structure is substantially the same. An overvoltage for destroying the dielectric film is supplied by an external power supply 4 connected via an electrode pad in the semiconductor chip. In the case of a DRAM having a normal operating voltage of 1 to 3 V, an overvoltage of about 5 to 10 V is supplied from the external power supply 4 to one electrode 8 when the dielectric film is destroyed.
[0027]
The control circuit unit 2 includes a MOSFET (MOS type field effect transistor) 5 for selecting the capacitor 1 when destroying the dielectric film, and a MOSFET 6 for selecting the capacitor 1 when reading information recorded in the capacitor 1. It consists of and. The MOSFETs 5 and 6 are connected in parallel to the other electrode 11 of the capacitor 1. The other electrode of the MOSFET 5 is connected to the installation potential, and the information recorded in the capacitor 1 is output from the other electrode of the MOSFET 6. This information is input to a redundant circuit or the like, and replacement of a defective memory cell with a redundant memory cell is executed. The junction breakdown voltage of the source / drain of the MOSFETs 5 and 6 is larger than a normal operating voltage of about 1 to 3 V, but smaller than an overvoltage (5 to 10 V) for destroying the dielectric film.
[0028]
The protection circuit unit 3 is a circuit for flowing an overcurrent that flows through the capacitor immediately after the insulating film is destroyed. Specifically, the protection circuit unit is a protection diode 3 arranged in the reverse direction with respect to the overcurrent flow. The protection diode 3 is connected to the other electrode 11 of the capacitor 1 in the previous stage of the control circuit unit 2. The Zener breakdown withstand voltage of the protection diode 3 is smaller than the overvoltage (5 to 10 V) and larger than the normal operating voltage (1 to 3 V). The protection diode 3 is connected between the other electrode 11 of the capacitor 1 and the ground potential in the previous stage of the control circuit unit 2. In FIG. 1, since a positive overvoltage is applied to one electrode 8, an overcurrent flows from the capacitor 1 toward the ground potential immediately after the insulating film is broken. Therefore, the forward direction of the protective body odd 1 is directed from the ground potential to the capacitor 1.
[0029]
When recording information in the fuse circuit having the above-described configuration or reading the recorded information, the fuse circuit operates as follows. That is, when the transistor 5 is turned on, the other electrode 11 of the capacitor 1 is connected to the ground potential. Then, by applying a positive overvoltage (5 to 10 V) to one electrode 8 of the capacitor 1, the dielectric film is destroyed and information is recorded in the capacitor 1. Even if an overvoltage is applied while the transistor 5 is off, the dielectric film of the capacitor 1 is not destroyed.
[0030]
On the other hand, when reading the information recorded in the capacitor 1, a normal voltage (1 to 3 V) is applied to one electrode 8 of the capacitor 1 using the external power supply 4. Then, by turning on the transistor 6, information on the magnitude of the resistance of the capacitor 1 is read out. That is, since the resistance of the capacitor 1 whose dielectric film is broken is small, the applied normal voltage is output as it is. However, since the resistance of the capacitor 1 whose dielectric film is not broken is very large, a ground potential is output.
[0031]
Next, the operation of the protection diode 3 will be described. Immediately after the dielectric film of the capacitor 1 is destroyed, the charge charged in the other electrode 11 of the capacitor 1 flows as an overcurrent at a time, and the overvoltage supplied from the external power supply 4 is arranged in the subsequent stage of the capacitor 1. Applied to the protection diode 3 and the control circuit unit 2. Since the Zener breakdown withstand voltage of the protection diode 3 is smaller than the overvoltage (5 to 10 V), the protection diode 3 breaks down with respect to the overvoltage. Therefore, the overcurrent that flows immediately after the breakdown of the dielectric film flows through the protective diode 3 arranged in the previous stage of the control circuit unit 2. On the other hand, the Zener breakdown voltage of the protective diode 3 is higher than the normal voltage (1-3V). large Therefore, the zener breakdown does not occur for a normal voltage applied when reading recorded information. Therefore, no current flows through the protection diode 3 for a normal voltage, and the current flows to the control circuit unit 2.
[0032]
FIG. 2 is a diagram schematically showing the structure of the capacitor 1 and the protection diode 3 in the fuse circuit shown in FIG. 1. FIG. 2 (a) is a plan view, and FIG. Sectional drawing along the AA 'cut surface of a) is shown. As illustrated in FIG. 2B, the capacitor 1 includes a first conductor (first polysilicon) 11 embedded in a trench formed in the semiconductor substrate 7 and the periphery of the first polysilicon 11. A trench-structured capacitor comprising a pair of electrodes composed of a first conductivity type semiconductor layer (n-well) 8 disposed in the substrate and a dielectric film 10 disposed between these electrodes (11, 8) (Hereinafter referred to as “trench capacitor”). The protective diode 3 is formed of a PN junction between the diffusion layers (17, 20), which are constituent elements of the trench capacitor, and the second conductivity type semiconductor layer (p well) 9, and is formed inside the trench capacitor. Yes. Note that one electrode 8 of the capacitor 1 shown in FIG. 1 corresponds to the n-well 8 and the other electrode 11 corresponds to the first polysilicon 11.
[0033]
The n well 8 is buried under the semiconductor substrate 7, and the p well 9 is disposed on the n well 8. The p-well 9 is connected to the ground potential, but the breakdown voltage between the n-well 8 and the p-well 9 is larger than the overvoltage (5 to 10 V). The bottom 32 of the trench reaches the lower part of the n-well 8. An n-type diffusion layer (stain diffusion layer) 17 is disposed on the p-well 9 adjacent to the trench.
[0034]
A portion of the inner wall of the trench where the n-well 8 is exposed (the lower portion of the trench) 12a has a silicon nitride film (Si 3 N 4 Film) and silicon oxide film (SiO2) 2 A thin film dielectric film 10 made of a laminated film (NO film) or the like is uniformly disposed, and a first polysilicon 11 is embedded inside the dielectric film 10. A thin insulating film 13 made of an oxide film or the like is uniformly arranged on a portion (bench middle portion) 12b where the p-well 9 is exposed on the inner wall of the trench, and a second conductor (second conductor) is formed inside the insulating film 13. (Polysilicon) 14 is embedded. A third conductor (third polysilicon) 15 is embedded in a portion (upper trench) 12c where the dyed diffusion layer 17 on the inner wall of the trench is exposed. A trench cap 16 made of an oxide or the like is embedded on the third polysilicon 15. The first polysilicon 11 is connected to the second polysilicon 14, and the second polysilicon 14 is connected to the third polysilicon 15. The third polysilicon 15 is connected to the dye diffusion layer 17.
[0035]
The first polysilicon 11 is insulated and separated from the n-well 8 by the dielectric film 10, and the second polysilicon 14 is insulated and separated from the p-well 9 by the insulating film 13. As described above, the trench capacitor is composed of the n-well 8, the first polysilicon 11, and the dielectric film 10, in order to reduce the capacitance between the p-well 9 and the second polysilicon 14. The insulating film 13 is formed thicker than the dielectric film 10. The n-type dye diffusion layer 17 is disposed adjacent to the third polysilicon 15 and the trench cap 16, is in contact with the side surface of the third polysilicon 15, and a part thereof is exposed on the surface of the semiconductor substrate 7. ing.
[0036]
An n-type extraction region 18 that reaches the n-well 8 from the surface of the semiconductor substrate 7 is disposed in a region different from the region where the trench capacitor is formed. Further, an STI 19 made of an oxide film for element isolation is buried in the upper portion of the semiconductor substrate 7 except for the region where the trench capacitor and the lead region 18 are disposed. Further, an n-type SD diffusion layer 20 formed simultaneously with the source / drain of the MOSFET constituting the memory cell is disposed on the semiconductor substrate 7 in the region where the trench capacitor and the extraction region 18 are disposed. The SD diffusion layer 20 is connected to the dyeing diffusion layer 17 and the extraction region 18 respectively. As described above, the protection diode 3 is composed of a PN junction between the diffusion layers (17, 20) and the p-well 9, but the Zener breakdown voltage of the protection diode 3 is the shape of the dye diffusion layer 17 or the SD diffusion layer 20. Alternatively, it is determined by the impurity concentration of the diffusion layers (17, 20) and the p-well 9.
[0037]
An interlayer insulating film 21 is disposed on the semiconductor substrate 7, and a metal wiring 22 a connected to the dyed diffusion layer 17 and the SD diffusion layer 20 is disposed on the interlayer insulating film 21 and connected to the extraction region 18. Metal wiring 22b is disposed. A protective film 23 is disposed on the metal wirings 22a and 22b. The control circuit unit 2 shown in FIG. 1 is connected to the metal wiring 22a, and the external power source 4 is connected to the metal wiring 22b.
[0038]
FIG. 2A shows the arrangement of the constituent members on the surface of the semiconductor substrate 7. As shown in FIG. 2A, a dyed diffusion layer 17 is disposed so as to surround the outer periphery of the trench cap 16 and the third polysilicon 15 embedded in the trench upper part 12 c, and is disposed outside the dyed diffusion layer 17. An SD diffusion layer 20 is disposed. The metal wiring 22 a is connected so as to straddle the dyeing diffusion layer 17 and the SD diffusion layer 20. In a region different from the region where the trench capacitor is formed, an extraction region 18 connected to the n-well 8 is disposed, and a metal wiring 22b is connected inside the extraction region 18. The metal wiring 22a only needs to be connected to at least one of the dye diffusion layer 17 and the SD diffusion layer 20, and the connection position of the metal wiring 22a is limited to the position shown in FIG. It is not something. Further, since the third polysilicon 15 is disposed under the trench cap 16, the third polysilicon 15 is not exposed on the surface of the semiconductor substrate 7, but the diffusion diffusion layer 17 is formed on the entire outer periphery of the third polysilicon 15. It is shown to show that it is arranged and connected.
[0039]
Note that the fuse element 1 shown in FIGS. 2A and 2B has substantially the same configuration as a trench capacitor that constitutes a memory cell in an existing DRAM. A trench capacitor constituting a memory cell is used as the fuse element 1 and the protection diode 3. Also, the fuse element 1 and the protection diode 3 shown in FIGS. 2A and 2B can be formed by substantially the same manufacturing process as the trench capacitor of the memory cell, as will be described later.
[0040]
Next, the operation of the trench capacitor 1 and the protection diode 3 shown in FIGS. 2A and 2B will be described. The overvoltage supplied from the external power supply 4 is applied to one electrode of the trench capacitor, that is, the n-well 8 through the metal wiring 22b, the SD diffusion layer 20, and the lead region 18. By turning on the transistor 5 in the control circuit section 2 shown in FIG. 1, the metal wiring 22 a, the diffusion regions (17, 20), the third polysilicon 15, and the second polysilicon 14 are used. A ground potential is applied to one polysilicon 11. Then, the dielectric film 10 disposed between the n-well 8 and the first polysilicon 11 is destroyed by overvoltage, and the n-well 8 and the first polysilicon 11 are in a conductive state (resistance is small).
[0041]
Immediately after the dielectric film 10 is destroyed, the charge charged in the first polysilicon 11 flows out toward the control circuit unit 2 at once as an overcurrent, and the overvoltage supplied from the external power supply 4 is The voltage is applied to the second polysilicon 14, the third polysilicon 15, the dyed diffusion layer 17, the SD diffusion layer 20, and the like connected to the subsequent stage of the polysilicon 11. As described above, since the ground potential is applied to the p-well 9, immediately after the dielectric film 10 is destroyed, an overvoltage is also applied to the PN junction 3 between the diffusion layers (17, 20) and the p-well 9. Is applied as a reverse bias. Since the Zener breakdown withstand voltage of the PN junction 3 is smaller than the overvoltage, the Zener breakdown occurs with respect to the overvoltage. Therefore, the overcurrent that flows immediately after the breakdown of the dielectric film 10 is a protection diode composed of the PN junction between the dye diffusion layer 17 and the SD diffusion layer 20 and the p-well 9 disposed before the control circuit unit 2. 3, no overcurrent flows through the MOSFET in the control circuit unit 2.
[0042]
3 to 5 show main steps in the method of manufacturing the trench capacitor 1 and the protection diode 3 according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 2A and 2B, respectively. It is sectional drawing. A method of manufacturing the trench capacitor 1 and the protection diode 3 shown in FIGS. 2A and 2B will be described with reference to the respective drawings of FIGS.
[0043]
(A) First, as shown in FIG. 3A, an n-well 8 and a p-well 9 are formed in the lower and upper portions of the semiconductor substrate 7, respectively. Specifically, a semiconductor substrate 7 having a p-type impurity concentration comparable to that of the p well 9 is first prepared. By using an ion implantation method, n-type impurity ions accelerated at high speed are implanted into the surface of the semiconductor substrate 7, and n-type impurities are buried under the p-type semiconductor substrate 7. The n-type impurity implanted by performing a predetermined heat treatment is activated, and an n-well 8 is formed under the semiconductor substrate 7. At the same time, a p-well 9 is formed on the n-well 8. Thereafter, the silicon oxide film on the semiconductor substrate 7 is removed by etching using hydrofluoric acid or the like.
[0044]
Next, a silicon oxide film having a window in a region where the extraction region 18 is formed is formed by photolithography and RIE. Then, n-type impurity ions are selectively implanted into the semiconductor substrate 7 using the silicon oxide film as a mask by an ion implantation method, and subjected to a predetermined heat treatment to a region reaching the n well 8 from the surface of the semiconductor substrate 7. An extraction region 18 to which an n-type impurity is added is formed.
[0045]
(B) Next, as shown in FIG. 3B, a trench (groove) 24 reaching the lower portion of the n-well 8 even if the bottom 32 is shallow is formed in the semiconductor substrate 7. Specifically, a silicon oxide film having a window in a region where the trench 24 is to be formed is formed on the semiconductor substrate 7 by using a photolithography method and an RIE method, and this silicon oxide film is used as a mask to select the silicon oxide film. The semiconductor substrate 7 is etched. The etching of the semiconductor substrate 7 ends when the trench depth reaches the lower part of the n-well 8. The trench 24 can be formed by removing the silicon oxide film on the semiconductor substrate 7.
[0046]
Next, a thin dielectric film 10 is uniformly formed on the inner wall of the trench 24 and the surface of the semiconductor substrate 7 using a CVD method (Chemical Vapor Deposition method). Specifically, first, Si 3 N 4 A film is formed by a CVD method. And SiO 2 A film is formed. The dielectric film 10 is made of Si. 3 N 4 Film and SiO 2 It consists of a laminated film with a film, and its film thickness is 3 to 5 nm.
[0047]
Next, using a spin coating method or the like, a resist solution is applied inside the trench and on the semiconductor substrate 7, and the entire resist surface is exposed and developed. Using an etching method having a larger selection ratio than the dielectric film 10 to the resist, the resist formed on the semiconductor substrate 7 is selectively removed, and the resist 25 embedded in the trench lower portion 12a is left and the trench is left. Other resists in the inside are removed. Here, the case where the upper end of the remaining resist 25 and the interface between the n-well 8 and the p-well 9 coincide is shown, but the present invention is not limited to this and the resist is not limited to this. The upper end of 25 may be disposed below the well interface, that is, on the bottom 32 side of the trench.
[0048]
(C) Next, the dielectric film 10 exposed on the semiconductor substrate 7 and inside the trench 24 is selectively removed using a wet etching method having a larger selection ratio than the resist 25 with respect to the dielectric film 10. Thereafter, the resist 25 buried in the trench lower portion 12a is removed by using the same method as the etching method for the resist 25 described above. As shown in FIG. 3C, the dielectric film 10 can be formed on the portion (the trench lower portion) 12a where the n-well 8 is exposed on the inner wall of the trench.
[0049]
Next, polysilicon (polycrystalline silicon) to which an n-type impurity is added is buried in the entire surface of the semiconductor substrate and inside the trench by using a CVD method. By using an etching method such as the CDE method, the polysilicon buried in the trench middle portion 12b and the trench upper portion 12c is removed while leaving the first polysilicon 11 buried in the trench lower portion 12a. As shown in FIG. 3C, the first polysilicon 11 can be embedded inside the dielectric film 10.
[0050]
Next, an insulating film 13 made of a silicon oxide film or the like is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 7 and the inner wall of the trench by using the CVD method. The insulating film 13 is formed thick enough to have a breakdown voltage greater than the overvoltage applied when the dielectric film 10 is destroyed. Although the case where the insulating film 13 is deposited by the CVD method is shown here, the insulating film 13 may be a thermal oxide film formed by a predetermined thermal oxidation process.
[0051]
(D) Next, the insulating film 13 formed on the semiconductor substrate and on the first polysilicon 11 is selectively etched by using an anisotropic etching method such as the RIE method. As shown in (d), an insulating film 13 is formed on the side wall of the trench middle portion 12b.
[0052]
Next, polysilicon to which n-type impurities are added is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 7 and inside the trenches 24 (12b, 12c) by CVD. The polysilicon is etched using the CDE method to remove the polysilicon deposited on the trench upper portion 12c and the semiconductor substrate 7 while leaving the second polysilicon 14 embedded in the trench middle portion 12b. As shown in FIG. 3D, the second polysilicon 14 is embedded inside the insulating film 13. The depth from the surface of the semiconductor substrate 7 to the upper end of the second polysilicon 14 is 100 to 400 nm.
[0053]
Next, polysilicon doped with n-type impurities at a higher concentration than the first and second polysilicon (11, 14) is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 7 and in the trench interior 12c. Then, a predetermined planarization process is performed to remove the polysilicon deposited on the semiconductor substrate 7 while leaving the third polysilicon 15 embedded in the trench upper portion 12c. As shown in FIG. 3D, the third polysilicon 15 is buried in the trench upper portion 12c.
[0054]
(E) Next, annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 800 to 1000 ° C. to diffuse the n-type impurity added to the third polysilicon 15 into the p-well 9. As shown in FIG. 4A, an n-type dyeing diffusion layer 17 that is in contact with the side surface of the third polysilicon 15 and is exposed on the surface of the semiconductor substrate 7 is formed on the outer periphery of the third polysilicon 15. The
[0055]
Next, the upper portion of the third polysilicon 15 is selectively removed by using a wet etching method having an etching selection ratio larger than that of the semiconductor substrate 7 relative to the polysilicon, and the recess 26 shown in FIG. Form. Instead of the wet etching method described above, selective anisotropic etching of polysilicon may be performed using a mask having a window in a region where the recess 26 is to be formed.
[0056]
(F) Next, as shown in FIG. 4B, a resist 28 having a window is formed in a region where the STI 19 is to be formed, and RIE of the semiconductor substrate 7 is performed using this as a mask. A groove is formed in a region where the STI 19 is formed. After the etching is completed, the resist 28 is removed.
[0057]
(G) Next, a thick silicon oxide film (SiO 2) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 7 by CVD. 2 Film) 29 is deposited. At this time, as shown in FIG. 4C, the recess 26 in the trench upper portion 12c and the trench in the region where the STI 19 are formed are formed in SiO 2. 2 The membrane is embedded.
[0058]
(H) Next, by performing a planarization process such as CMP (Chemical Mechanical Polishing), the STI 19 and the trench cap 16 made of the oxide film 29 are simultaneously formed as shown in FIG. Form. Next, using the ion implantation method, n-type impurity ions are implanted into the entire surface of the semiconductor substrate 7 at a low speed, and a predetermined heat treatment is performed, thereby forming the SD diffusion layer 20 on the semiconductor substrate 7. The SD diffusion layer 20 is formed simultaneously with the source / drain regions of the MOSFET formed in the same semiconductor substrate 7.
[0059]
(I) Next, as shown in FIG. 5A, an interlayer insulating film 21 is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 7 by using the CVD method. A resist 30 having a window in a contact region where the metal wirings 22a and 22b are connected to the semiconductor substrate 7 is formed on the interlayer insulating film 21 by photolithography, and RIE of the interlayer insulating film 21 is performed using the resist 30 as a mask. . Thereafter, the resist 30 is removed.
[0060]
(N) Next, as shown in FIG. 5B, a resist 31 having a window having the same pattern as that of the metal wirings 22a and 22b is formed on the interlayer insulating film 21. Using this as a mask, RIE of the interlayer insulating film is performed to form a trench. A metal film 22 made of aluminum or the like is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 7 by sputtering. At this time, the metal film 22 is also embedded in the contact region and the trench for the metal wiring.
[0061]
Next, a planarization process such as CMP is performed to form metal wirings 22a and 22b. Finally, the trench capacitor 1 and the protection diode 3 shown in FIGS. 2A and 2B can be formed by forming the protective film 23 on the metal wirings 22a and 22b.
[0062]
As described above, the fuse circuit shown in FIG. 1 constitutes a Zener breakdown with respect to an overvoltage applied to the protective diode 3 immediately after the dielectric film is broken, but the information recorded in the fuse element 1 is stored. There is no Zener breakdown for the normal voltage applied to output. That is, the protective diode 3 serves as a filter against overvoltage. Therefore, there is no possibility that an overcurrent flows to the control circuit unit 2 arranged at the subsequent stage of the fuse element 51 and destroys the junction of the transistors 5 and 6. In addition, since it is not necessary to reduce the overvoltage in order to avoid the breakdown of the transistors 5 and 6, the dielectric film cannot be sufficiently destroyed, and writing of information into the fuse element 51 may be insufficient. It will disappear. Therefore, the resistance of the fuse element 1 after the breakdown can be sufficiently lowered by the overvoltage applied from the external power source 4, and the overcurrent is prevented from flowing to the control circuit unit 2 disposed at the subsequent stage of the fuse element 1. be able to.
[0063]
Further, as described with reference to FIGS. 2 to 5, a new manufacturing process is performed to form the fuse element 1 by forming the fuse element 1 substantially in the same structure as the trench capacitor in the memory cell. Therefore, the fuse element 1 can be formed simultaneously with the trench capacitor in the memory cell. Furthermore, by forming the protection diode 3 using the diffusion layers (17, 20) and the p-well 9 which are the constituent elements of the fuse element 1, no new element region is required to form the protection diode 3, The circuit area can be reduced and the degree of circuit integration can be improved. With respect to the memory, a plurality of fuse circuits are required because the replacement information of defective memory cells, trimming of device functions, and semiconductor memory device information are used as OTPROMs.
[0064]
Furthermore, the potential applied to the p-well 9 when the dielectric film 10 is broken is not a ground potential, but a negative potential of about −0.5 to −2.0 V is applied, so that the apparent protection diode 3 appears. Zener breakdown voltage can be lowered. Therefore, even if the junction breakdown voltage of the MOSFETs 5 and 6 in the control circuit unit 2 and the junction breakdown voltage of the protection diode 3 are equivalent, the protection diode 3 can be broken down (Zener breakdown) first. By intentionally lowering the Zener breakdown voltage of the protection diode 3, the degree of freedom in designing the MOSFETs 5 and 6 in the control circuit unit 2 is increased.
[0065]
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described by way of one embodiment. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0066]
In the embodiment, the “diffusion layer” of the claimed invention corresponds to both the dyeing diffusion layer 17 and the SD diffusion layer 20, but the present invention is not limited to this. Absent. The matter corresponding to the “diffusion layer” of the claimed invention may be configured by only one of the dyeing diffusion layer 17 and the SD diffusion layer 20. When constituted only by the diffusion layer 17, the Zener breakdown voltage of the PN junction 3 between the diffusion layer 17 and the p well 9 can be set independently from the junction voltage of the MOSFETs 5 and 6 of the memory cell, The degree of freedom in designing the MOSFET and the protection diode is improved. On the other hand, when only the SD diffusion layer 20 is used, the junction breakdown voltage of the MOSFETs 5 and 6 and the Zener breakdown breakdown voltage of the PN junction 3 may be equivalent, but as described above, a negative voltage is applied to the p well 9. Is applied, the apparent Zener breakdown withstand voltage of the PN junction 3 can be lowered.
[0067]
In the embodiment, the case where the capacitor having the trench structure is used as the fuse element 1 shown in FIG. 1 has been described. However, the present invention is not limited to this. Instead of the trench structure capacitor, a stack structure capacitor may be used.
[0068]
Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this disclosure.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory device that has no breakdown failure (conductivity failure) and that does not break a circuit connected to a fuse element, and a method for manufacturing the same.
[0070]
Specifically, by maintaining a high overvoltage at the time of dielectric film breakdown, the resistance of the fuse element after breakdown is sufficiently low, and an overcurrent that flows immediately after the dielectric film breakdown does not flow to the transistor connected to the fuse element. It is possible to provide a semiconductor memory device having a fuse circuit that can be manufactured and a method for manufacturing the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a fuse circuit included in a semiconductor memory device (DRAM) according to an embodiment of the present invention.
2A is a plan view schematically showing structures of a capacitor 1 and a protection diode 3 in the fuse circuit shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a plan view of FIG. Sectional drawing along the AA 'cut surface of a) is shown.
3 (a) to 3 (d) are diagrams illustrating a method of manufacturing the trench capacitor 1 and the protection diode 3 according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). It is sectional drawing which shows the main processes (the 1).
4 (a) to 4 (d) are diagrams showing a method of manufacturing the trench capacitor 1 and the protection diode 3 according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). It is sectional drawing which shows the main processes (the 2).
5 (a) to 5 (c) are diagrams illustrating a method of manufacturing the trench capacitor 1 and the protection diode 3 according to the embodiment of the present invention illustrated in FIGS. 2 (a) and 2 (b). It is sectional drawing which shows the main processes (the 3).
6A is a plan view schematically showing a configuration of a conventional fuse element using a trench capacitor, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 6A. A cross-sectional view along the plane is shown.
7 (a) to 7 (c) are cross-sectional views showing main steps in the conventional method of manufacturing the fuse element shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). 1).
8 (a) and 8 (b) are cross-sectional views showing main steps in the conventional method of manufacturing the fuse element shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). 2).
9 is a circuit diagram showing a general fuse circuit when the trench capacitor shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b) is used as a fuse element. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Fuse element (capacitor)
2 Control circuit
3 Protection circuit (protection diode)
4 External power supply
5, 6 Transistor (MOSFET)
7 Semiconductor substrate
8 First conductivity type semiconductor layer (n-well)
9 Second conductivity type semiconductor layer (p-well)
10 Dielectric film
11 First conductor (first polysilicon)
12a Bottom of trench
12b Middle part of trench
12c Trench top
13 Insulating film
14 Second conductor (second polysilicon)
15 Third conductor (third polysilicon)
16 Trench cap
17 Dyeing diffusion layer
18 drawer area
19 STI
20 SD diffusion layer
21 Interlayer insulation film
22a, 22b Metal wiring
23 Protective film
24 trench
25, 28, 30, 31 resist
26 Recess
29 Oxide film

Claims (3)

1対の電極と当該電極の間に挟まれた誘電膜とで構成され、一方の電極に過電圧を印加して当該誘電膜を破壊することにより情報が記録される、トレンチ構造のキャパシタで構成されたヒューズ素子と、
前記ヒューズ素子の他方の電極に接続された制御回路部と、
前記制御回路部の前段において前記ヒューズ素子の前記他方の電極に接続され、前記誘電膜を破壊した直後に当該ヒューズ素子を流れる過電流の流れに対して逆方向に配置された、ツェナー降伏のしきい値電圧が前記過電圧よりも小さい保護ダイオードからなる保護回路部と
を具備したヒューズ回路を有する半導体記憶装置であって、
半導体基板の下部に配置された第1導電型半導体層と、
前記半導体基板の上部に配置された第2導電型半導体層と、
前記半導体基板の内部に形成され、底部が浅くとも前記第1導電型半導体層に達するトレンチと、
前記第2導電型半導体層の上部に前記トレンチに隣接して配置された第1導電型の拡散層と、
前記トレンチ内壁の前記第1導電型半導体層が表出した部分に配置された誘電膜と、
前記誘電膜の内側に埋め込まれた第1の導電体と、
前記トレンチ内壁の前記第2導電型半導体層が表出した部分に配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜の内側に埋め込まれた第2の導電体と、
前記トレンチ内壁の前記拡散層が表出した部分に埋め込まれた第3の導電体と
を有し、
前記ヒューズ素子は、少なくとも、前記第1導電型半導体層、前記誘電膜及び前記第1の導電体を含んで構成され、
前記保護ダイオードは、少なくとも、前記第2導電型半導体層及び前記拡散層を含んで構成されていることを特徴とする半導体記憶装置
It is composed of a pair of electrodes and a dielectric film sandwiched between the electrodes, and is composed of a trench-structure capacitor in which information is recorded by applying an overvoltage to one of the electrodes to destroy the dielectric film. and the fuse element,
A control circuit unit connected to the other electrode of the fuse element;
A Zener breakdown resistor connected to the other electrode of the fuse element in the previous stage of the control circuit unit and disposed in the opposite direction to the overcurrent flow through the fuse element immediately after breaking the dielectric film. A semiconductor memory device having a fuse circuit comprising: a protection circuit unit including a protection diode having a threshold voltage smaller than the overvoltage ;
A first conductivity type semiconductor layer disposed under the semiconductor substrate;
A second conductivity type semiconductor layer disposed on the semiconductor substrate;
A trench formed in the semiconductor substrate and reaching the first conductivity type semiconductor layer even if the bottom is shallow;
A first conductivity type diffusion layer disposed on the second conductivity type semiconductor layer adjacent to the trench;
A dielectric film disposed on a portion of the inner wall of the trench where the first conductive semiconductor layer is exposed;
A first conductor embedded inside the dielectric film;
An insulating film disposed on a portion of the inner wall of the trench where the second conductive semiconductor layer is exposed;
A second conductor embedded inside the insulating film;
A third conductor embedded in a portion where the diffusion layer of the inner wall of the trench is exposed;
Have
The fuse element includes at least the first conductive semiconductor layer, the dielectric film, and the first conductor,
The semiconductor memory device, wherein the protection diode includes at least the second conductive semiconductor layer and the diffusion layer .
1対の電極と当該電極の間に挟まれた誘電膜とで構成され、
一方の電極に過電圧を印加して当該誘電膜を破壊することにより情報が記録され
る、トレンチ構造のキャパシタで構成されたヒューズ素子と、
前記ヒューズ素子の他方の電極に接続された制御回路部と、
前記制御回路部の前段において前記ヒューズ素子の前記他方の電極に接続され、前記誘電膜を破壊した直後に当該ヒューズ素子を流れる過電流の流れに対して逆方向に配置された、ツェナー降伏のしきい値電圧が前記過電圧よりも小さい保護ダイオードからなる保護回路部と
を具備したヒューズ回路を有する半導体記憶装置の製造方法であって、
半導体基板の下部及び上部に第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層をそれぞれ形成する第1工程と、
前記半導体基板の内部に、底部が浅くとも前記第1導電型半導体層に達するトレンチを形成する第2工程と、
前記トレンチ内壁の前記第1導電型半導体層が表出した部分に、誘電膜を形成する第3工程と、
前記誘電膜の内側に第1の導電体を埋め込む第4工程と、
前記トレンチ内壁の前記第2導電型半導体層が表出した部分のうちの下部に、絶縁膜を形成する第5工程と、
前記絶縁膜の内側に第2の導電体を埋め込む第6工程と、
前記トレンチ内壁の前記第2導電型半導体層が表出した部分のうちの上部に、第3の導電体を埋め込む第7工程と、
前記第3の導電体の側面に接し、前記半導体基板の表面に表出した第1導電型の拡散層を形成する第8工程と
を少なくとも有し、
少なくとも、前記第1導電型半導体層、前記誘電膜及び前記第1の導電体から前記ヒューズ素子を構成し、
少なくとも、前記第2導電型半導体層及び前記拡散層から前記保護ダイオードを構成することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
It is composed of a pair of electrodes and a dielectric film sandwiched between the electrodes,
Information is recorded by applying an overvoltage to one electrode to destroy the dielectric film.
A fuse element composed of a capacitor having a trench structure;
A control circuit unit connected to the other electrode of the fuse element;
A Zener breakdown resistor connected to the other electrode of the fuse element in the previous stage of the control circuit unit and disposed in the opposite direction to the overcurrent flow through the fuse element immediately after breaking the dielectric film. A protection circuit unit comprising a protection diode having a threshold voltage smaller than the overvoltage;
A method of manufacturing a semiconductor memory device having a fuse circuit comprising:
A first step of forming a first conductive type semiconductor layer and a second conductive type semiconductor layer on a lower part and an upper part of a semiconductor substrate,
A second step of forming a trench reaching the first conductivity type semiconductor layer even if the bottom is shallow, inside the semiconductor substrate;
A third step of forming a dielectric film on the exposed portion of the first conductivity type semiconductor layer of the inner wall of the trench;
A fourth step of embedding a first conductor inside the dielectric film;
A fifth step of forming an insulating film at a lower portion of the portion of the trench inner wall where the second conductive semiconductor layer is exposed;
A sixth step of embedding a second conductor inside the insulating film;
A seventh step of burying a third conductor in an upper portion of the portion where the second conductive type semiconductor layer is exposed on the inner wall of the trench;
Said third contact with the side surfaces of the conductor, and at least have a eighth step of forming a diffusion layer of the first conductivity type exposed at the surface of the semiconductor substrate,
At least the first conductive semiconductor layer, the dielectric film and the first conductor constitute the fuse element;
A method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising: forming the protective diode from at least the second conductive semiconductor layer and the diffusion layer .
前記第7工程において埋め込む前記第3の導電体には、前記第1及び第2の導電体に比して高濃度の第1導電型不純物が添加されており、
前記第8工程は、所定の熱処理を施して、前記第3の導電体に添加されている第1導電型不純物を前記第2導電型半導体層へ拡散させる工程である
ことを特徴とする請求項記載の半導体記憶装置の製造方法。
The third conductor embedded in the seventh step is doped with a first conductivity type impurity having a higher concentration than the first and second conductors,
The eighth step is a step of performing a predetermined heat treatment to diffuse a first conductivity type impurity added to the third conductor into the second conductivity type semiconductor layer. 3. A method for manufacturing a semiconductor memory device according to 2 .
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