(57)【要約】【課題】  薄膜抵抗体に通電して発熱させることによってその薄膜抵抗体を溶断することによって抵抗値を調整する半導体装置において、その薄膜抵抗体に直接又は間接に隣接する絶縁性膜にクラックが生じる。【解決手段】  シリコン酸化膜２４上に形成されている薄膜抵抗体３２と、その薄膜抵抗体３２の一端に接続されている第１アルミパッド部６２と、その薄膜抵抗体３２の他端に接続されている第２アルミパッド部６４を備えている。薄膜抵抗体３２は、絶縁性薄膜３４に、平均粒径が１〜１０nmの金属粒子３６が分散して混入している薄膜であることを特徴としている。【選択図】  図１
2005303036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層上に形成されている薄膜抵抗体と、
薄膜抵抗体の一端に接続されている第１電極と、
薄膜抵抗体の他端に接続されている第２電極を備え、
前記薄膜抵抗体は、絶縁性薄膜に、平均粒径が１〜１０nmの金属粒子が分散して混入している薄膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記薄膜抵抗体が、金属成分を５０〜８０atom％含有していることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
前記薄膜抵抗体の膜厚が、１０〜１００nmであることを特徴とする請求項１または２の半導体装置。
【請求項４】
前記薄膜抵抗体に分散して混入している金属粒子の主成分が、鉄族であることを特徴とする請求項１から３のいずれかの半導体装置。
【請求項５】
前記薄膜抵抗体を形成する絶縁性薄膜の主成分が、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または酸化シリコン（ＳｉＯ２）であることを特徴とする請求項１から４のいずれかの半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜抵抗体を備える半導体装置に関する。より詳細には、その薄膜抵抗体に通電して発熱させることによってその薄膜抵抗体を溶断するのに適した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路を完成した後にその集積回路に組み込まれている薄膜抵抗体の抵抗値を調整することがある。従来は、完成した集積回路に組み込まれている薄膜抵抗体にレーザを照射して部分的に溶断することで抵抗値を調整している。集積回路の小型化とともに、その集積回路に組み込まれている薄膜抵抗体も小型化されており、レーザを照射して抵抗値を調整することが困難となっている。
そこで、薄膜抵抗体に通電して発熱させることによってその薄膜抵抗体を溶断することによって抵抗値を調整する技術が開発され、特許文献１や特許文献２に記載されている。
この種の技術では、複数個の薄膜抵抗体を並列に接続した調整用抵抗を集積回路に形成しておく。この調整用抵抗に通電すると、特定の薄膜抵抗体に集中的に電流が流れて特定抵抗を溶断することができる。所望の個数の薄膜抵抗体を溶断することによって、並列に接続されている調整用抵抗の抵抗値を調整することができる。この種の技術では、ディジタル的に抵抗値を調整することから、ディジタルトリミング等と称される。この技術によると、集積回路が小型化されても、あるいは集積回路がプリント基板等に実装された後であっても、集積回路に作りこまれている抵抗値を調整することができる。
【特許文献１】特開平３−１０６０５５号公報（その公報の図１参照）
【特許文献２】特開平８−６４６８４号公報（その公報の図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術では、クロムシリコン(ＣｒＳｉ)合金を薄膜にして、薄膜抵抗体を形成する。クロムシリコン合金は、溶断時の体積変化が小さく、周囲の部材に熱的応力を与える度合いが低いと予想されることから、通電発熱によって溶断させて抵抗値を調整する薄膜抵抗体によく利用される。
しかしながら、本発明者の研究によって、クロムシリコン合金に通電して発熱させることによって溶断する場合、加熱されることによって高融点の金属間化合物であるクロムシリサイド(Ｃｒ3Ｓｉ)が不均一に析出することがわかってきた。高融点のクロムシリサイドが溶解あるいは昇華するのに要する時間は長く、溶断するのに必要なエネルギーが大きいという問題があることがわかってきた。その結果、薄膜抵抗体を溶断する際に、薄膜抵抗体に直接又は間接に隣接して形成されている絶縁性の保護膜などに過大な熱ストレスが加わり、このストレスがクラックを発生させることがわかってきた。さらに、クロムシリサイドが不均一に析出するために、電流と発熱量の分布が不均一となることがわかってきた。発熱量の不均一な分布もまたクラックを発生させることがわかってきた。保護膜などにクラックが発生すると、半導体装置を劣化させる原因となる。
本発明は、小さいエネルギーで溶断することができる薄膜抵抗体を提供するために創作された。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の半導体装置は、絶縁層上に形成されている薄膜抵抗体と、薄膜抵抗体の一端に接続されている第１電極と、薄膜抵抗体の他端に接続されている第２電極を備えている。薄膜抵抗体は、絶縁性薄膜に、平均粒径が１〜１０nmの金属粒子が分散して混入している。
本発明の半導体装置の特徴は、絶縁性薄膜中に平均粒径が１〜１０nm金属粒子が分散して混入していることである。いわゆるナノグラニュラー構造体として知られる材料を薄膜抵抗体に利用する。
【０００５】
平均粒径が１〜１０nmのナノサイズの金属粒子が絶縁性薄膜中に分散して混入していると、均一な抵抗分布が得られる。そのため、第１電極と第２電極の間を流れる電流分布も均一となり、薄膜抵抗体の断面において均一に溶解あるいは昇華する。発熱量の分布が不均一となって、発熱量の不均一な分布が保護膜などにクラックを発生させることが抑制される。
またグラニュラー構造体は、金属粒子と絶縁性薄膜が相分離しているために、金属粒子が溶断する過程で高融点の金属間化合物が析出することがない。そのために、低温度で溶解あるいは昇華し、溶断するのに要するエネルギーが小さくてすむ。保護膜などにクラックが生じることを抑制することができる。
金属粒子の平均粒径が１nm以下になると抵抗成分が大きくなり、溶断に要するエネルギーが大きくなりすぎる。金属粒子の平均粒径が１０nm以上であると、薄膜抵抗体の断面内の抵抗分布に偏りが生じ、電流分布が不均一となる。従って金属粒子の平均粒径は、１〜１０nmが好適である。
【０００６】
薄膜抵抗体が、金属成分を５０〜８０atom％含有していることが好ましい。
金属成分が５０atom％以下であると、抵抗成分が大きくなり、溶断に要するエネルギーが大きくなりすぎる。金属成分が８０atom％以上であると、金属粒子を薄膜抵抗中に均一に分散させることが困難となり、薄膜抵抗体の断面内における抵抗と電流と発熱の分布が不均一となる。金属成分が５０〜８０atom％であると、いわゆるグラニュラー構造体を得ることができる
【０００７】
薄膜抵抗体の膜厚が、１０〜１００nmであることが好ましい。
薄膜抵抗体の膜厚が１０nm以下であると、抵抗成分が大きくなり、溶断に要するエネルギーが大きくなりすぎる。薄膜抵抗体の膜厚が１００nm以上になると、溶断時に薄膜抵抗体に生じる体積変化が、その周囲の保護膜等に熱ひずみをもたらし、保護膜等に損傷を与える場合がある。
【０００８】
金属粒子の主成分が鉄族であることが好ましい。
鉄族の金属は、絶縁性薄膜との間で相分離を形成し易い。金属粒子が絶縁性薄膜中に均一に分散したグラニュラー構造を容易に形成することができる。また、相分離を形成することから、溶融または昇華する過程で、高融点の金属間化合物が析出しづらい。これらによって、溶断に要するエネルギーが低減し、保護膜等にクラックが発生するのを効果的に抑制する。
【０００９】
絶縁性薄膜の主成分が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または酸化シリコン（ＳｉＯ２）であることが好ましい。この場合、酸化アルミニウムと酸化シリコンの混合物であっても構わない。
アルミニウムまたはシリコンは酸化され易いことから、金属粒子と絶縁性薄膜が相分離したナノグラニュラー構造体を形成することができる。なかでも、金属粒子の主成分が鉄族である場合、アルミニウムまたはシリコンが鉄族よりも酸化され易いことから、きれいに相分離したナノグラニュラー構造体を得ることができる。
またアルミニウムまたはシリコンは通常の半導体製造工程で多用される金属であるため、特別な反応装置等を付加することなく使用することができる。製造プロセスの面でも酸化アルミニウムまたは酸化シリコンを利用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、薄膜抵抗体の溶断に要するエネルギー量が小さくなり、薄膜抵抗体に隣接する保護膜等にクラックが生じるといった事態が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
最初に実施例の主要な特徴を列記する。
(第１実施形態)  薄膜抵抗体に直接又は間接に隣接する半導体膜としては、シリコン酸化膜(ＳｉＯｘ)、リンガラス(ＰＳＧ)、ボロンガラス(ＢＳＧ)、ボロンリンガラス(ＢＰＳＧ)、シリコン窒化膜(ＳｉＮ)などを好適に利用することができる。これらの半導体膜の組み合わせを積層して構成してもよい。また、これらの半導体膜は、薄膜抵抗体の下面又は上面のみに形成されていてもよく、あるいはその両面に形成されていてもよい。
(第２実施形態)  薄膜抵抗体に利用する金属粒子は鉄族が好ましい。これは、溶断に要するエネルギーが小さいという利点の他に、抵抗として優れた特性を具備するからである。溶断されなかった薄膜抵抗体は抵抗として利用されることから、抵抗体としても優れた特性を具備していることが重要である。金属粒子に鉄族を利用した薄膜抵抗体は、比抵抗（Ω・ｍ）や面積抵抗（Ω／□）が高い。また、温度変化に対して抵抗値の変化が小さいという利点がある。これは、鉄族の金属粒子と絶縁性薄膜がきれいに相分離することが理由であると考えられる。
(第３実施形態)  鉄族の中でも、ニッケルとコバルトが特に好ましい。ニッケルとコバルトは、半導体製造工程の中で安全に利用可能な金属である。
【実施例】
【００１２】
図１に、薄膜抵抗体３２を備えている半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
図示２２は単結晶シリコンからなる基板であり、シリコン基板２２上に絶縁性のシリコン酸化膜２４が形成されている。シリコン酸化膜２４上の一部に薄膜抵抗体３２が形成されている。絶縁性のシリコン酸化膜２４は、薄膜抵抗体３２を流れる電流がシリコン基板２２側へ漏洩するのを防止する。薄膜抵抗体３２上には、不純物としてリンを含有するリンガラス膜(ＰＳＧ)５２が形成され、そのリンガラス膜５２上にはシリコン窒化膜５４が保護膜として形成されている。
薄膜抵抗体３２の紙面右端にはチタンタングステンからなる第１バリア膜４２ａが接続し、その第１バリア膜４２ａ上には第１アルミ配線部４４ａを介して第１アルミパッド部６２が接続している。この第１アルミパッド部６２は、例えば正側電極と接続される。薄膜抵抗体３２の紙面左端にも同様に、第２バリア膜４２ｂと第２アルミ配線部４４ｂと第２アルミパッド部６４が接続しており、この第２アルミパッド部６４は、例えば負側電極と接続される。
図２に、薄膜抵抗体３２の拡大断面図を模式的に示す。
図示３６がニッケルを主成分とする金属粒子であり、図示３４が酸化アルミニウムからなる絶縁性薄膜である。図に示すように、この薄膜抵抗体３２は、絶縁性薄膜３４中に金属粒子３６がほぼ均一に分散して混入されているナノグラニュラー構造であることが分かる。
また本実施例では、この薄膜抵抗体３２が矩形形状に形成されているが、この形状は特に限定するものではない。例えば、薄膜抵抗体３２の一部に狭窄された領域を設けて、その箇所で電流密度を上げて溶断箇所を制御するようにしてもよい。
【００１３】
次に、上記の半導体装置の製造方法を図３〜７を用いて説明する。
まず図３に示すように、単結晶シリコンからなる基板２２を準備する。このシリコン基板２２上に、例えば熱酸化法によって厚さが約1μmのシリコン酸化膜２４を形成する。
次に図４に示すように、例えばＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)法によって厚さが約0.03μmのナノグラニュラー構造からなる薄膜抵抗体３２を形成する。この薄膜抵抗体３２の金属粒子３６はニッケルを主成分とし、薄膜抵抗体３２中にニッケルを60atm％の成分比で含有している。また、絶縁性薄膜３４は酸化アルミニウムを主成分とし、薄膜抵抗体３２中にアルミニウムを16atm％含有し、酸素を24atm％含有している。この薄膜抵抗体３２は、その形状が平面視したときに矩形となるように、エッチング技術を利用して形成される。この薄膜抵抗体３２の金属粒子の平均粒径を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって計測すると、約5nmであることが確認された。
なお、薄膜抵抗体３２の製造方法を、ＰＶＤ法に代えて多元スパッタリング法を利用してもよい。
【００１４】
次に図５に示すように、薄膜抵抗体３２を覆ってチタンタングステン(ＴｉＷ)からなるバリア膜４２と、アルミニウム(Ａｌ)からなるアルミニウム膜４４を、例えばＰＶＤ法によって形成する。バリア膜４２の膜厚は0.15μmであり、その組成比はチタンが90atm％であり、タングステンが10atm％である。また、アルミニウム膜４４の膜厚は0.3μmである。
次に図６に示すように、フォト工程によってレジストをパターニングした後に、薄膜抵抗体３２上のバリア膜４２とアルミニウム膜４４を異方性のウェットエッチングによって除去する。これにより、薄膜抵抗体３２の左右両端にバリア膜４２とアルミ膜４４の積層構造がそれぞれ形成される。薄膜抵抗体３２の右端には第１バリア膜４２ａと第１アルミ配線部４４ａが形成され、薄膜抵抗体３２の左端には第２バリア膜４２ｂと第２アルミ配線部４４ｂが形成される。
次に図７に示すように、例えばＰＶＤ法によってリンを含有するリンガラス膜５２と、そのリンガラス膜５２上にシリコン窒化膜５４を形成する。
次にシリコン窒化膜５４上から左右のアルミ配線部４４ａ、４４ｂに向けて、異方性のエッチングによってトレンチを形成し、そのトレンチ内にアルミニウム合金を埋設することで第１アルミパッド部６２と第２アルミパッド部６４を形成する。これにより図１に示す半導体装置が製造される。
【００１５】
次に、本実施例の半導体装置の特性を評価するために、パワーメータを用いて溶断に要するエネルギー量を計測した。溶断に必要なエネルギーは、薄膜抵抗体３２の単位断面積当たりに投入されるエネルギーであり、次式を用いて計算される。通電時間は１μ秒で一定とした。
溶断必要エネルギー＝(溶断電圧×通電電流×通電電流×通電時間)÷断面積
図８に、計測された溶断必要エネルギーを示す。本実施例では、溶断電圧を15Ｖから60Ｖまで5Ｖ間隔で変化させて、そのときの溶断必要エネルギー量をそれぞれ計測している。なお、本実施例の薄膜抵抗体に代えて、クロムシリコン膜からなる薄膜抵抗体を利用した場合を比較例として示す。
【００１６】
図８の結果から、本実施例の半導体装置の溶断必要エネルギーは、比較例のクロムシリコン膜に比して著しく小さいことが分かる。このことから、本実施例の半導体装置では、薄膜抵抗体３２の上下に配置されている絶縁体に対して、なかでも保護膜として利用されているシリコン窒化膜５４に加える熱ストレスを大幅に軽減できると考えられる。そこで実際にキャロル試験でクラックの有無を調べたところ、比較例では15Ｖを超える溶断電圧を印加すると、シリコン窒化膜５４にクラックを生じてしまうが、本実施例では60Ｖの溶断電圧を印加してもクラックを生じていないことが確認された。即ち、溶断電圧を増加すると、通電電流が比例的に増加するとともに、その通電電流の２乗に比例する投入エネルギー量が増大し、その投入エネルギー量の増大に追随して薄膜抵抗体３２の昇温速度が大きくなる。昇温速度が大きくなると、リンガラス膜５２の膨張などによる熱ストレスがシリコン窒化膜５４に伝播しクラックを生じる。本実施例の薄膜抵抗体３２の場合、大きい昇温速度のときは、その昇温速度に対応して短い時間で溶断または昇華がその断面において均一に生じることができる。薄膜抵抗体３２が過剰な温度まで到達することが防止される。そのため、高い溶断電圧であっても利用可能となっている。一方、クロムシリコン膜の場合は、高融点のクロムシリサイドが析出し、そのクロムシリサイドを介して通電電流が流れ続けるために、薄膜抵抗体は高い温度まで到達してしまい、ひいてはシリコン窒化膜５４にクラックが発生してしまう。高い溶断電圧で利用することができない。
また、断面を電子顕微鏡による観察と、Ｘ線回折による結晶構造の解析をしたところ、本実施例の溶断面は金属粒子が絶縁性薄膜中に分散したナノグラニュラー構造が維持されたままであることが確認された。一方、比較例では、クロムシリサイドが不均一に析出していることが確認された。
【００１７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
【図２】薄膜抵抗体の要部断面図を模式的に示す。
【図３】実施例の半導体装置の製造過程を示す(１)。
【図４】実施例の半導体装置の製造過程を示す(２)。
【図５】実施例の半導体装置の製造過程を示す(３)。
【図６】実施例の半導体装置の製造過程を示す(４)。
【図７】実施例の半導体装置の製造過程を示す(５)。
【図８】実施例と比較例の溶断必要エネルギーの比較を示す。
【符号の説明】
【００１９】
２２：基板
２４：シリコン酸化膜
３２：薄膜抵抗体
４２、４２ａ、４２ｂ：バリア膜
４４、４４ａ、４４ｂ：アルミ膜、アルミ配線部
５２：リンガラス膜
５４：シリコン窒化膜
６２、６４：アルミパッド部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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