KR100611385B1 - Semiconductor device including fuse which is broken down by junction leakage and method of forming the same - Google Patents
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Abstract
정션 누설로 절연파괴되는 퓨즈를 갖는 반도체소자 및 그 제조방법에 대해 개시되어 있다. 본 발명의 반도체 소자는 제 1도전형 웰을 갖는 실리콘기판 상부에 게이트 전극과, 게이트 전극 사이에 드러난 기판의 제 1영역에 제 2도전형 불순물이 저농도로 주입된 제 1불순물 영역과, 기판의 다른 제 2영역에 제 2도전형 불순물이 고농도로 주입된 제 2불순물 영역을 갖는 트랜지스터와, 트랜지스터를 갖는 기판 전면에 형성된 층간 절연막의 콘택홀을 통해서 제 1불순물 영역에 콘택되며, 층간 절연막 및 불순물 영역의 정션 부분에 실리콘과 반응하여 누설전류를 크게 일으키는 장벽 금속막을 포함하는 금속 전극과, 층간절연막의 다른 콘택홀의 내측벽에 절연막으로 이루어진 스페이서 월을 통해서 제 2불순물 영역에 콘택되도록 순차적으로 적층된 절연체박막 및 도전막을 포함하는 퓨즈를 구비한다. 이에, 본 발명의 반도체 소자는 퓨즈의 전극으로 사용되는 도전막과 또 다른 전극으로 사용되는 불순물 영역 사이에 있는 절연체박막이 트랜지스터에 가해지는 낮은 전위에 의해서도 트랜지스터의 채널을 통하여 흐르는 다른 콘택 전극에서 발생하는 누설 전류에 의해 절연파괴되어 프로그래밍된다. Disclosed are a semiconductor device having a fuse that is insulated and destroyed by junction leakage, and a method of manufacturing the same. The semiconductor device of the present invention includes a gate electrode on a silicon substrate having a first conductive well, a first impurity region in which a second conductive impurity is injected at a low concentration into a first region of a substrate exposed between the gate electrode, and a substrate. The first impurity region is contacted through a contact hole of a transistor having a second impurity region in which a second conductive type impurity is injected into another second region at a high concentration, and an interlayer insulating film formed on the front surface of the substrate having the transistor. Sequentially stacked to contact the second impurity region through a spacer wall made of a metal electrode including a barrier metal film that reacts with silicon in the junction portion of the region to cause a large leakage current, and an inner wall of the other contact hole of the interlayer insulating film. A fuse including an insulator thin film and a conductive film is provided. Accordingly, the semiconductor device of the present invention is generated at the other contact electrode flowing through the channel of the transistor even by a low potential applied to the transistor between the conductive film used as the electrode of the fuse and the impurity region used as another electrode. The insulation is broken and programmed by the leakage current.
Description
도 1은 본 발명에 따른 정션 누설로 절연파괴되는 퓨즈를 갖는 반도체소자의 구조를 나타낸 수직 단면도.1 is a vertical cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device having a fuse that is insulated and destroyed by junction leakage in accordance with the present invention.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 정션 누설로 절연파괴되는 퓨즈를 갖는 반도체소자의 제조방법 중에서 트랜지스터의 제조 공정을 설명하기 위한 수직 단면도 및 평면도.2A and 2B are vertical cross-sectional views and plan views for explaining a transistor manufacturing process in a method of manufacturing a semiconductor device having a fuse that is insulated and destroyed by junction leakage according to the present invention, respectively;
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법 중에서 퓨즈를 형성하기 위해 트랜지스터의 고농도 불순물 영역과 접하는 절연체박막과 도전막을 형성하는 제조 공정을 설명하기 위한 수직 단면도 및 평면도.3A and 3B are a vertical sectional view and a plan view for explaining a manufacturing process of forming an insulator thin film and a conductive film in contact with a high concentration impurity region of a transistor to form a fuse in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, respectively;
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법 중에서 사진 공정에 의해 상기 절연체박막과 도전막이 패터닝된 것을 나타낸 수직 단면도 및 평면도.4A and 4B are vertical cross-sectional views and plan views showing that the insulator thin film and the conductive film are patterned by a photographic process in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, respectively.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 반도체소자의 제조 방법 중에서 트랜지스터의 다른 저농도 불순물 영역과 접하는 금속 전극의 제조 공정을 설명하기 위 한 수직 단면도 및 평면도.5A and 5B are a vertical sectional view and a plan view, respectively, for explaining a manufacturing process of a metal electrode in contact with another low concentration impurity region of a transistor in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention;
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10 : 실리콘 기판 12 : 게이트 산화막10
14 : 게이트전극 16, 24 : 스페이서 월14
18, 19 : 저농도 불순물 영역 20 : 고농도 불순물 영역18, 19: low concentration impurity region 20: high concentration impurity region
22 : 제 1층간절연막 26 : 절연체박막22: first interlayer insulating film 26: insulator thin film
28 : 도전막 30 : 포토레지스트 패턴28
32 : 퓨즈의 상부 패턴 34 : 제 2층간절연막32: upper pattern of the fuse 34: second interlayer insulating film
36 : 장벽 금속막 38 : 금속36: barrier metal film 38: metal
40, 44 : 콘택전극40, 44: contact electrode
본 발명은 퓨즈를 포함하는 반도체소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 내부 소자에서 발생한 정션 누설로 절연파괴되는 퓨즈(fuse)를 갖는 반도체소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device including a fuse and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device having a fuse that is insulated and destroyed by junction leakage generated in an internal device and a method for manufacturing the same.
반도체 메모리 장치는 메모리의 리던던시 셀(redundancy cell)을 서브 어레이 블록별로 설치해두는데, 예를 들면 256K 셀 어레이마다 여분의 행과 열을 미리 설치해 두어 결함이 발생하여 불량이 된 메모리 셀을 행/열 단위로 여분의 메모리 리던던시 셀로 치환시킨다. 이 리페어 회로는 웨이퍼 제조 공정이 종료되면 테스 트를 통해서 불량 메모리 셀을 골라내어 그에 해당하는 리던던시 셀의 어드레스 신호로 바꾸어 주는 프로그래밍을 내부 회로에 행하며 이에 따라 실제 사용할 때에 불량 라인에 해당하는 어드레스가 입력되면 리던던시 셀의 라인으로 선택이 바뀌게 된다.In the semiconductor memory device, redundancy cells of memory are installed for each sub-array block. For example, redundant rows and columns are pre-installed for each 256K cell array. Replace with extra memory redundancy cells. This repair circuit performs programming in the internal circuit that selects the defective memory cell through the test and replaces it with the address signal of the corresponding redundancy cell when the wafer fabrication process is completed. Accordingly, the address corresponding to the defective line is actually input in actual use. The selection changes to a line of redundancy cells.
이러한 프로그래밍 방식에는 과전류로 퓨즈를 녹여 절단하는 전기 퓨즈 방식, 레이저 빔으로 퓨즈를 태워버리는 방식 등이 있으며, 이 방법들 중에서 레이저를 이용하여 퓨즈를 절단하는 방식이 단순하면서도 확실하고 레이아웃도 용이하여 자주 사용되고 있다.Such programming methods include an electric fuse method of melting and cutting a fuse by overcurrent, and a method of burning a fuse with a laser beam. Among these methods, a method of cutting a fuse using a laser is simple, reliable, and easy to lay out. It is used.
그러나, 레이저 방식의 프로그래밍 방법은 별도의 불량 셀을 러던던시 셀로 교체하기 위해 고가의 레이저 장비를 이용한 리페어 공정이 필요하며, 제조 공정 중에 부가적인 퓨즈 윈도우(window) 공정을 실시하여 퓨즈를 절단하고자 하는 부분에 레이저를 조사하여 프로그래밍을 실시한 후에 패시베이션 공정을 실시하기 때문에 리페어 공정이 복잡하며 번거러운 문제점이 있었다.However, the laser programming method requires a repair process using expensive laser equipment to replace a separate defective cell with a redundancy cell, and in order to cut the fuse by performing an additional fuse window process during the manufacturing process. The repair process is complicated and cumbersome because the passivation process is performed after programming by irradiating the laser to the part.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 트랜지스터의 턴온시 금속 전극과 불순물 영역 사이의 장벽 금속막으로 인해 발생되는 누설 전류를 이용하여 다른 불순물 영역과 접하는 절연체박막을 절연파괴함으로써 절연체박막 위의 도전막과 기판이 도통되어 퓨즈의 역할을 하여 웨이퍼 및 패키지 레벨에서도 반도체소자의 리페어 내지 프로그래밍 방법이 간단한 정션 누설로 절연 파괴되는 퓨즈를 갖는 반도체소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
An object of the present invention is to breakdown an insulator thin film in contact with another impurity region by using a leakage current generated by the barrier metal film between the metal electrode and the impurity region at turn-on of the transistor. Accordingly, the present invention provides a semiconductor device having a fuse in which a conductive film on an insulator thin film and a substrate are conducted to act as a fuse, and a repair or programming method of the semiconductor device is insulated and destroyed at a simple junction leakage even at the wafer and package levels. .
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전기적으로 절연파괴되는 퓨즈를 포함하는 반도체소자의 구성에 있어서, 제 1도전형 웰을 갖는 실리콘기판 상부에 도전형 폴리실리콘으로 이루어진 게이트 전극과, 게이트 전극 사이에 드러난 기판의 제 1영역에 제 2도전형 불순물이 저농도로 주입된 제 1불순물 영역과, 기판의 다른 제 2영역에 제 2도전형 불순물이 고농도로 주입된 제 2불순물 영역을 갖는 트랜지스터와, 상기 트랜지스터를 갖는 기판 전면에 형성된 층간 절연막의 콘택홀을 통해서 제 1불순물 영역에 콘택되며, 층간 절연막 및 불순물 영역의 정션 부분에 실리콘과 반응하여 누설전류를 크게 일으키는 장벽 금속막을 포함하는 금속 전극과, 층간절연막의 다른 콘택홀의 내측벽에 절연막으로 이루어진 스페이서 월을 통해서 제 2불순물 영역에 콘택되도록 순차적으로 적층된 절연체박막 및 도전막을 포함하여, 트랜지스터의 턴온시 금속 전극과 제 1불순물 영역간에서 발생되는 누설 전류에 의해 절연체박막이 절연파괴되어 상부의 도전막과 제 2불순물 영역이 도통되는 퓨즈를 구비하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor device including a fuse that is electrically insulated and destroyed, wherein a gate electrode made of a conductive polysilicon on a silicon substrate having a first conductive well is disposed between the gate electrode and the gate electrode. A transistor having a first impurity region in which a second conductivity type impurity is injected into the first region of the exposed substrate at a low concentration, and a second impurity region in which a second conductivity type impurity is highly injected into the other second region of the substrate; A metal electrode including a barrier metal film contacting the first impurity region through a contact hole of an interlayer insulating film formed on the front surface of the substrate having a transistor, and including a barrier metal film reacting with silicon to a junction portion of the interlayer insulating film and the impurity region to increase leakage current; A cone is formed in the second impurity region through a spacer wall made of an insulating film on the inner sidewall of the other contact hole of the insulating film. A fuse including an insulator thin film and a conductive film which are sequentially stacked as follows, wherein the insulator thin film is destroyed by the leakage current generated between the metal electrode and the first impurity region when the transistor is turned on, so that the upper conductive film and the second impurity region are conducted. Characterized in having a.
본 발명은 금속 전극과 제 1불순물 영역간의 정션 면적이 퓨즈의 절연체박막과 제 2불순물 영역간보다 더 큰 것이 바람직하다. 또한, 장벽 금속막은 Ti, TiN 중에서 선택된 어느 한 물질 내지 순차적으로 두 물질을 모두 사용하고, 퓨즈를 구성하는 도전막은 폴리실리콘을 사용하고, 절연체박막은 산화막, 질화막, 자연산화 막, 열산화막 중에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the junction area between the metal electrode and the first impurity region is larger than between the insulator thin film and the second impurity region of the fuse. In addition, the barrier metal film uses any one material selected from Ti and TiN to sequentially, and the conductive film constituting the fuse is made of polysilicon, and the insulator thin film is selected from an oxide film, a nitride film, a natural oxide film, and a thermal oxide film. It is preferable to use either.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 정션 누설로 절연파괴되는 퓨즈를 갖는 반도체소자의 구조를 나타낸 수직 단면도이다.1 is a vertical cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device having a fuse that is insulated and destroyed by junction leakage in accordance with the present invention.
본 발명의 퓨즈를 갖는 반도체소자는 프로그래밍에 따라 턴온되는 트랜지스터(10)와, 트랜지스터(10)의 어느 한 접합 영역에 연결되어 상기 트랜지스터(10)의 턴온시 누설 전류를 발생하는 금속 전극(42)과, 트랜지스터(10)의 다른 접합 영역에 연결되도록 절연체박막(26') 및 도전막(28')으로 이루어지며 상기 금속 전극(42)과 기판 사이에서 유발된 누설 전류에 의해 절연체박막(26')이 절연파괴되어 도전막(28')과 기판, 그 아래의 불순물 영역(20)이 도통되는 퓨즈(32)를 포함한다.The semiconductor device having the fuse of the present invention includes a
도 1을 참조하면, 상기 트랜지스터는 제 1도전형, p-형 웰을 갖는 실리콘기판(2) 상부에 도전형 폴리실리콘으로 이루어진 게이트 전극(14)과, 게이트 전극(14) 사이에 드러난 기판의 어느 한 영역에 제 2도전형, n형 불순물이 저농도로 주입된 제 1불순물 영역(18)과, 다른 영역에 제 2도전형, n형 불순물이 고농도로 주입된 제 2불순물 영역(20)을 갖는다. 이때, 상기 게이트 전극(14) 하부에는 게이트 산화막(12), 그 측벽에는 스페이서 월(16)이 형성되어 있다. 그리고, 제 2불순물 영역(20)은 게이트 전극(14)의 에지 근방의 기판에 n형 불순물이 저농도로 주입된 LDD 구조(19)를 가질 수도 있다.Referring to FIG. 1, the transistor includes a
그러므로, 본 발명에 따른 정션 누설로 절연파괴되는 퓨즈(32)를 갖는 반도체 소자는 트랜지스터의(10)가 턴온될 때 B 영역의 얇은 절연체막(26')이 낮은 전위에서도 쉽게 절연파괴된다. 이로 인해 도전막(28')과 n+ 불순물 영역(20)이 연결되어 도전막(28')에 인가되는 전위가 기판(2)으로 통하게 된다.Therefore, in the semiconductor device having the
본 발명의 퓨즈의 프로그래밍은 트랜지스터(10)가 턴온될 때 발생하는 금속 전극(42)의 정션 누설 전류(Iℓ)를 이용한 것이다. 즉, 금속 전극(42)의 콘택면에서 발생하는 누설 전류(Iℓ)는 금속 전극(42)의 콘택 면적이 매우 큰 경우에 금속(38)과 기판(2) 사이에 있는 장벽 금속막(36)인 Ti가 작은 크기의 금속 콘택보다 실리콘 반응이 크게 일어나서 그 계면에 TiSi2를 형성하여 실리콘 손실이 커지고 정션 깊이가 얕아져 누설 전류가 많아진다. 더욱이, 장벽 금속막(36)의 두께가 두꺼울수록 금속 콘택의 정션 누설의 효과 또한 커진다. The programming of the fuse of the present invention utilizes the junction leakage current Il of the
그러므로, 본 발명은 트랜지스터(10)의 턴온시 금속 전극(42)과 제 1불순물 영역(18)간에서 발생되는 누설 전류(Iℓ)에 의해 퓨즈의 절연체박막(26')이 절연파괴되어 상부의 도전막(28')과 제 2불순물 영역(20)이 도통된다.Therefore, according to the present invention, the insulator thin film 26 'of the fuse is insulated and destroyed by the leakage current Il generated between the
한편, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 공정은 아래 도면들을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, a manufacturing process of a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the drawings below.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 정션 누설로 절연파괴되는 퓨즈를 갖는 반도체소자의 제조방법 중에서 트랜지스터의 제조 공정을 설명하기 위한 수직 단면도 및 평면도이다.2A and 2B are vertical cross-sectional views and plan views illustrating a manufacturing process of a transistor in a method of manufacturing a semiconductor device having a fuse that is insulated and destroyed by junction leakage according to the present invention, respectively.
이를 참조하면, 본 발명은 우선, 제 1도전형, p-형 웰을 갖는 실리콘기판(2) 상부에 게이트 산화막(2)을 얇게 형성하고, 그 위에 도전형 폴리실리콘을 증착한 후에 이들을 패터닝하여 게이트 전극(14)을 형성한다. 그리고, 게이트 전극(14) 사이에 드러난 기판의 제 1영역(A)에 제 2도전형, n형 불순물이 저농도로 주입된 제 1불순물 영역(18)을 형성하면서 제 2영역(B)에도 LDD 영역(19)을 형성한다. 그 다음, 제 2영역(B)에만 선택적으로 n형 불순물을 고농도로 주입하여 제 2불순물 영역(20)을 형성하여 트랜지스터(10)를 완성한다.Referring to this, the present invention firstly forms a thin
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법 중에서 퓨즈를 형성하기 위해 트랜지스터의 고농도 불순물 영역과 접하는 절연체박막과 도전막을 형성하는 제조 공정을 설명하기 위한 수직 단면도 및 평면도이다.3A and 3B are vertical cross-sectional views and plan views for explaining a manufacturing process of forming an insulator thin film and a conductive film in contact with a high concentration impurity region of a transistor to form a fuse in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, respectively.
이를 참조하면, 본 발명의 다른 제조 공정은 트랜지스터(10)가 형성된 기판(2) 전면에 제 1층간 절연막(22)을 형성하고, 그 층간 절연막(22) 내에 제 2불순물 영역(B)이 개방되는 콘택홀(도시하지 않음)을 형성한다. 그리고, 층간 절연막(22)에 실리콘질화막을 증착한 후에 에치백 내지 건식 식각 공정으로 상기 실리콘질화막을 식각하여 콘택홀 내측벽에 스페이서 월(24)을 형성한다. 그 다음, 스페이서 월(24)이 형성된 기판(2) 전면에 절연체박막(26)으로서, 실리콘산화막과 도전막(28)으로서 폴리실리콘을 순차적으로 증착하여 콘택홀을 매립한다. 그리고, 사진 공정을 진행하여 상기 도전막(28) 위에 퓨즈의 상부 패턴을 정의하기 위한 포토레지스트 패턴(30)을 형성한다.Referring to this, in another manufacturing process of the present invention, the first
또한, 상기 절연체박막(26)은 실리콘산화막 대신에 실리콘질화막, 자연산화막, 열산화막 중에서 어느 하나를 사용해도 된다.The insulator
한편, 도 3b의 도면부호 40은 이후 형성될 퓨즈의 콘택 전극을 나타낸다. Meanwhile,
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법 중에서 사진 공정에 의해 상기 절연체박막과 도전막이 패터닝된 것을 나타낸 수직 단면도 및 평면도이다.4A and 4B are vertical cross-sectional views and plan views showing that the insulator thin film and the conductive film are patterned by a photographic process in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, respectively.
이를 참조하면, 본 발명의 다음 공정은 식각 공정을 실시하여 상기 포토레지스트 패턴(30)에 정렬되도록 상기 도전막(28) 및 절연체박막(26)을 패터닝하여 퓨즈의 상부 패턴(32)을 형성한다. 그리고, 포토레지스트 패턴(30)을 제거한다.Referring to this, the next process of the present invention performs an etching process to pattern the
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 반도체소자의 제조 방법 중에서 트랜지스터의 다른 저농도 불순물 영역과 접하는 금속 전극의 제조 공정을 설명하기 위한 수직 단면도 및 평면도이다.5A and 5B are vertical cross-sectional views and plan views respectively for explaining a manufacturing process of a metal electrode in contact with another low concentration impurity region of a transistor in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
이를 참조하면, 본 발명의 그 다음 공정은 도 4a 구조를 갖는 결과물 상부에 제 2층간 절연막(34)을 형성하고, 제 1 및 제 2층간 절연막(22,34)내에 제 1불순물 영역(18)이 개방되는 콘택홀을 형성한다. 그리고, 상기 콘택홀을 갖는 제 2층간 절연막(34) 상부에 장벽 금속막(36)을 증착한다. 이때, 장벽 금속막(36)은 Ti, TiN 중에서 선택된 어느 한 물질 내지 순차적으로 두 물질을 모두 사용한다.Referring to this, the next process of the present invention forms the second
그 다음, 상기 장벽 금속막(36)이 형성된 층간 절연막(34)의 콘택홀에 금속(38)으로서 W를 매립하고, 사진 및 식각 공정을 진행하여 금속(38)과 장벽 금속막(36)을 정렬되게 식각하여 금속 전극(42)을 형성한다.Then, W is buried as a
한편, 도 5b의 도면 부호 44는 금속 전극의 콘택 전극을 나타낸다.In addition,
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 공정시 금속 전극(42)과 제 1불순물 영역(18)간의 정션 면적이 퓨즈(32)의 절연체박막(26')과 제 2불순물 영역(20)간보다 더 크게 형성할 경우 A영역(금속 콘택의 정션)에서 발생하는 누설 전류량이 커진다.In the manufacturing process of the semiconductor device according to the present invention, the junction area between the
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자는 퓨즈의 전극으로 사용되는 폴리실리콘과 또 다른 전극으로 사용되는 불순물 영역 사이에 있는 절연체박막이 트랜지스터에 가해지는 외부 전위에 의해서 트랜지스터의 채널을 통하여 흐르는 다른 콘택 전극에서 발생하는 누설 전류에 의해 끊어지게 된다. As described above, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that the insulator thin film between the polysilicon used as the electrode of the fuse and the impurity region used as another electrode flows through the channel of the transistor by an external potential applied to the transistor. It is cut off by the leakage current generated by the contact electrode.
이에 따라, 본 발명은 고가의 레이저 장비를 사용하지 않고서도 낮은 전압으로도 퓨즈를 프로그래밍할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼 및 패키지 레벨에서 손쉽게 전기적 리페어 내지 프로그래밍이 가능하다.As a result, the present invention not only enables programming of fuses at low voltages without using expensive laser equipment, but also enables easy electrical repair or programming at the wafer and package level.
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- 1999-07-02 KR KR1019990026512A patent/KR100611385B1/en not_active IP Right Cessation
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