JP2004103604A

JP2004103604A - ヒューズ装置

Info

Publication number: JP2004103604A
Application number: JP2002259002A
Authority: JP
Inventors: Mie Matsuo; 松尾　美恵; Takashi Yoda; 依田　孝
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】微細化で、回路規模の増大を防止でき、信頼性の高いヒューズ装置を構成することが困難であった。
【解決手段】相転移型のヒューズ１１は、カルコゲン化合物、又はマルテンサイト変態を生じる合金により構成されている。このヒューズ１１を加熱した後、急速に冷却することにより、このヒューズ１１に情報を記憶させる。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体装置に適用され、情報を記憶するヒューズ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体装置は、各種の情報を記憶するためにヒューズが用いられている。例えば半導体記憶装置の冗長回路は、ヒューズを用いて不良アドレスを記憶している。このヒューズとしては、レーザービームを照射することにより溶断するタイプのヒューズが多く用いられている。
【０００３】
一方、レーザーによる溶断以外のヒューズとしては、次のようなものがある。例えばＭＯＳトランジスタ構造のゲート酸化膜を破壊して電気的に導通させることにより、記憶データを切り替えるアンチヒューズ。キャパシタセルに高電圧をかけて絶縁膜を破壊することにより、記憶データを変化させるアンチヒューズ。あるいは、サリサイドや配線を電気的に溶断させるヒューズなどが開発されている。
【０００４】
さらに、ヒューズではないが、カルコゲナイド材料を用いた記憶素子が次の文献に記載されている。カルコゲナイド材料を用いた消去可能な記憶装置が（例えば、特許文献１参照）に記載され、カルコゲナイド材料を用いた電気的に書換え可能な記憶装置が（例えば、特許文献２参照）に記載され、カルコゲナイド材料を用いた不揮発性メモリセルが（例えば、特許文献３参照）に記載されている。さらに、カルコゲナイド材料を用いた半導体装置が（例えば、特許文献４参照）に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特表平１１−５１０３１７号公報（図１）
【０００６】
【特許文献２】
特公昭６３−３１９５５号公報（第１図）
【０００７】
【特許文献３】
特表平１０−５１１８１４号公報（図３）
【０００８】
【特許文献４】
特公昭６２−３０５１１号公報（第１図乃至第１３図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図９、図１０は、従来のレーザー溶断タイプのヒューズの例を示している。図９に示すように、複数のヒューズ１は、配線層２を介してラッチ回路３にそれぞれ接続されている。各ヒューズ１は、図１０に示すように、シリコン基板４の上に形成された絶縁膜５内に形成されている。これらヒューズ１の上には複数の絶縁膜６が形成されている。この絶縁膜６には、これらヒューズ１に対応して凹部７が形成されている。各ヒューズ１は凹部７の底部に残された絶縁膜の薄い層により覆われている。各ヒューズ１の材料としては、ポリシリコン、あるいは上層の配線と同様にＡｌやＣｕが用いられる。
【００１０】
ところで、近時、デバイスの微細化に伴い、ヒューズ相互のピッチも狭小化する必要がある。しかし、ヒューズのピッチを微細化した場合、ヒューズを溶断する際に用いるレーザービームの径も微細化する必要がある。現在用いられているレーザーの波長は１μｍ前後であり、この波長を考慮すると、ヒューズのピッチは２μｍが限界と考えられる。
【００１１】
そこで、短波長のレーザーを用いたり、レーザービームの径を絞ることにより、狭ピッチ化に対応することが考えられている。しかし、短波長のレーザーを用いる場合や、レーザービームの径を絞った場合、ヒューズに照射されるレーザーのエネルギーが高くなり、シリコン基板に対するダメージが大きくなる。したがって、素子の微細化に伴いヒューズを微細化することが困難であった。
【００１２】
また、溶断型のヒューズは、レーザーによりヒューズを溶断した際、破壊されたヒューズが飛散し、これが半導体装置の他の回路に付着してショートを引き起こす。さらに、ヒューズを溶断する際、隣接するヒューズ相互間の絶縁膜までも劣化させ、回路の信頼性を低下させることがあった。
【００１３】
一方、アンチヒューズなどのように、電気的にヒューズの状態を設定する構成の場合、ヒューズを選択するための選択回路、ヒューズの設定状態を検証するベリファイ回路等が必要である。このため、ヒューズ以外の回路が多くなり、チップ面積の削減が困難である。
【００１４】
また、アンチヒューズのように、電気的に絶縁膜を破壊するヒューズの場合、高電圧、高電流を発生する回路を必要とする。現在、半導体装置は、低電圧、低消費電力化が図られており、このような半導体装置内に、低電圧回路と高電圧回路の両方を形成しなければならないという問題が有る。
【００１５】
さらに、電気的に絶縁膜を破壊する方法は、破壊が十分でない場合、設定した情報が反転することがあり、信頼性が低いという問題が有った。
【００１６】
上記のように、従来のレーザー溶断ヒューズ及び電気的にヒューズの状態を切り替えるアンチヒューズはいずれも微細化及び回路規模の増大を抑えることが困難であり、確実にヒューズを設定することが困難であった。また、上記カルコゲナイド材料を用いた記憶素子をヒューズ素子に単に適用した程度ではヒューズ装置を構成することが困難である。すなわち、複数のヒューズ素子から所要のヒューズ素子を選択して記憶データを設定する必要があるが、単に記憶素子を用いた程度では回路規模の増大を抑えて所要のヒューズ素子のみを確実に設定することは困難である。
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、微細化が可能であり、回路規模の増大を防止できるとともに、信頼性の高いヒューズ装置を提供しようとするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のヒューズ装置は、上記課題を解決するため、半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の内部に形成され、加熱手段により加熱することにより相転移によって抵抗値が変化し、情報が設定されるヒューズとを具備している。
【００１９】
前記ヒューズの材料は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎの中から少なくとも１つ選ばれた金属を含むカルコゲン化合物である。
【００２０】
前記ヒューズの材料は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌの中から少なくとも１つ選ばれた金属を含む合金であり、相転移がマルテンサイト変態である。
【００２１】
前記相転移は、結晶とアモルファス間の変態である。
【００２２】
前記加熱手段は、レーザービームである。
【００２３】
前記加熱手段は、ヒューズに接触されたヒータである。
【００２４】
前記ヒータへはダイソートテスト装置から電流が供給される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１、図２は、本発明の第１の実施形態を示している。
【００２７】
図１において、ヒューズ１１の一端部には配線１２ａが接続され、他端部には配線１２ｂが接続されている。この配線１２ｂには、ヒューズ１１により記憶された情報をラッチする例えばラッチ回路１３が接続されている。
【００２８】
前記ヒューズ１１に用いる材料としては、相転移により電気抵抗が変化する合金材料が適用される。具体的には、例えばＧｅ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎのうちの少なくとも１つの金属、及びＳ、Ｓｅ、Ｔｅのうちの少なくとも１つのＶＩ族元素の合金であるカルコゲン化合物が用いられる。カルコゲンを含む二元系合金、又は三元系合金は、相転移によって結晶構造がアモルファスへと変化し、電気抵抗が３桁以上変化することが知られている。第１の実施形態では、ヒューズ１１の材料として、例えばＧｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５の組成の材料を用いた。
【００２９】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。半導体基板１４上には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜１５が形成されている。この絶縁膜１５内には、前記配線１２ａ、１２ｂ、及びヒューズ１１が形成されている。このヒューズ１１は、例えばヒューズ１１と同一の材料で形成されたコンタクト１１ａを介して前記配線１２ａ、１２ｂに接続されている。これら配線１２ａ、１２ｂは、例えばＡｌ又はＣｕにより構成されている。前記絶縁膜１５の上には、例えばシリコン窒化膜からなる絶縁膜１６が形成されている。
【００３０】
相転移型のヒューズ１１の場合、溶断型のヒューズのようにレーザー照射により破壊されない。このため、ヒューズ１１上に形成されるシリコン酸化膜１５、及びシリコン窒化膜１６の合計の膜厚は、溶断型のヒューズの場合のように、吹き飛ぶ程度に薄く形成する必要はなく、レーザーが透過可能な程度の膜厚であればよい。このため、相転移型のヒューズ１１の場合、溶断型のヒューズのように、複数のヒューズに対応して、絶縁膜に凹部を形成する必要がない。
【００３１】
図２に示すようにデバイスを形成した後、カルコゲン化合物を結晶化させるため、４００℃、３０分の熱処理を行った。
【００３２】
図１、図２に示す構成において、ヒューズ１１にデータを記憶させる場合、例えば２０ｎｓｅｃ程度のパルスのレーザービーム１７が、ヒューズ１１の例えば中央部に照射される。このレーザー照射によってヒューズ１１の中央部が瞬間的に例えば７００℃程度の温度に上昇される。この後、このヒューズ１１の熱は、シリコン基板１４及び大気中に拡散され、ヒューズ１１は急速に冷却される。このヒューズ１１の相転移は、前述したように結晶とアモルファス間の変態である。すなわち、結晶状態であったカルコゲン化合物の一部分がレーザー照射によって加熱され、その後、アモルファス状態で急冷される。このようにして、ヒューズ１１の電気抵抗が上昇される。
【００３３】
溶断型のヒューズの場合、ヒューズに情報を記憶させるために１５００℃以上の温度が必要となる。すなわち、ヒューズとしての配線材料、例えばＣｕが昇華する以上の温度が必要となる。このため、高エネルギーのレーザーが必要である。これに対して、第１の実施形態の場合、ヒューズ材料に相転移が起こる程度の温度であればよい。このため、溶断型のヒューズのように、高エネルギーのレーザーを必要としない。したがって、レーザービームを十分に絞ることが可能となるため、狭ピッチのヒューズを形成することが可能である。
【００３４】
図３はレーザービームのプロファイルとヒューズとの間隔を示している。図３に実線で示すように、本実施形態の場合、破線で示す従来例に比べてレーザービームを十分に絞ることが可能となる。このため、ヒューズのピッチをレーザービームの径に対応して狭くすることが可能である。
【００３５】
また、本実施形態に適用されるレーザーのエネルギーは、従来の溶断型のヒューズに適用されるレーザーのエネルギーに比べて弱い。このため、レーザービームがＧａｕｓｓ分布であるとすると、レーザービームを図３に示すように絞らなくとも、照射対象外のヒューズに照射されるレーザーエネルギーを微弱に抑えることができる。このため、隣接ヒューズや下部の素子にダメージを与えることを防止できる。
【００３６】
尚、レーザービームの波長は、従来と同様の波長を使用し、例えば１．０３４μｍであり、径は、例えば２．４μｍである。このため、ヒューズのピッチを、例えば１．５μｍに設定することができる。
【００３７】
図４は、レーザー照射前と、照射後における相転移型ヒューズの抵抗値の変化を示している。レーザー照射の前後で抵抗値が５０Ω程度から１ＭΩ程度に変化しており、ヒューズとして十分機能することが分かる。
【００３８】
また、ヒューズのピッチを狭くするため、隣接するヒューズ相互間で熱の伝導を遮断することが望ましい。そのためには、ウェハを冷却することが効果的である。例えばレーザー照射装置のステージにチラーによって冷却する装置を設け、ウェハを例えば−４０℃程度に冷却することにより、良好な結果を得ることができる。尚、この際、ウェハに霜が付かないよう、ウェハ周辺の湿度を制御することが望ましい。
【００３９】
上記第１の実施形態によれば、ヒューズ１１を相転移により電気抵抗が変化する合金材料により構成している。このため、従来の溶断型のヒューズのように、ヒューズを破壊しないため、高エネルギーのレーザーを必要としない。したがって、レーザービームを十分に絞ることが可能であるため、ヒューズ１１のピッチを狭めることが可能であり、チップサイズの増大を防止することができる。
【００４０】
しかも、相転移型のヒューズは、溶断型のヒューズのように、ヒューズを破壊しない。このため、飛散物による回路のショートや、隣接するヒューズ間の絶縁膜破壊がないため、信頼性を向上することができる。
【００４１】
さらに、相転移型のヒューズは、溶断型のヒューズのように、ヒューズを破壊しないため、情報の再設定が可能である。このため、情報が十分に設定されていない場合、再度レーザーを照射することにより、情報を再設定することができ、信頼性及び歩留まりを向上することが可能である。
【００４２】
また、相転移型のヒューズは、溶断型のヒューズのように、ヒューズを破壊しないため、レーザービームの照射領域に対応して、凹部を形成する必要がない。したがって、製造工程を削減することができ、製造コストを削減することが可能である。
【００４３】
（第２の実施形態）
図５、図６は、本発明の第２の実施形態を示すものであり、図１、図２と同一部分には同一符号を付している。
【００４４】
第１の実施形態は、レーザービームを用いて相転移型のヒューズに情報を設定した。これに対して、第２の実施形態は、ジュール加熱により相転移型のヒューズに情報を設定する。
【００４５】
図５、図６において、相転移型のヒューズ１１の例えばほぼ中央部且つ直下には、ヒータ２１が接触されている。このヒータ２１は、例えばポリシリコンやタングステン等の材料により構成される。このヒータ２１の抵抗値は、比較的高く、例えば１ｋΩである。このヒータ２１には、図６に示すように、配線２２ａ、２２ｂが接続されており、この配線２２ａ、２２ｂを介してヒータ２１にパルス状の電流が供給される。ヒータ２１はこの電流に応じて発熱し、この熱によりヒューズ１１がジュール加熱される。ヒューズ１１の周辺は絶縁膜１５で覆われている。この絶縁膜１５により、隣接するヒューズへの熱伝導が抑えられる。また、ヒータ２１への通電が停止されると、絶縁膜１５、１６、シリコン基板１４及び配線１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂを介してヒータ２１及びヒューズ１１が急速に冷却される。これにより、ヒューズ１１の抵抗は、ほぼ５０Ωからほぼ１ＭΩへと変化する。
【００４６】
図７は、前記ヒータ２１に対する通電方法の一例を示している。ヒータ２１への給電は、例えば半導体チップの外部から行うことが可能である。例えばダイソートテスト時に、ダイソートテスト装置２４のプローブ２３を介して給電することが可能である。すなわち、この場合、各ヒータ２１を半導体チップのテストパッド２２にそれぞれ接続する。ダイソートテストの結果に応じて、これらテストパッド２２のうち、給電が必要なテストパッド２２にダイソートテスト装置２４のプローブ２３を接触させる。このプローブ２３を介して例えば３０ｎｓ程度で、電流値が５００μＡ程度のパルス状の電流を供給する。このパルス状の電流は、例えばダイソートテスト装置２４において発生される。この電流はヒータ２１に供給される。ヒータ２１が通電されることにより、対応するヒューズ１１の一部がほぼ６５０℃に加熱される。ヒータ２１への通電が切れると、ヒューズ１１の熱が絶縁膜１５、１６、シリコン基板１４及び配線１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂへ放熱され、ヒューズ１１は急速に冷却される。このようにして、ヒューズ１１の抵抗値は、例えばほぼ５０Ωからほぼ１ＭΩへと変化する。
【００４７】
第２の実施形態においても、ヒューズ１１に情報を設定する場合、ウェハを例えばチラーによって冷却することが望ましい。
【００４８】
上記第２の実施形態によれば、相転移型のヒューズ１１にヒータ２１を接触させ、このヒータ２１にパルス状の電流を供給することにより発熱させ、この熱によってヒューズ１１を加熱することにより、ヒューズ１１に情報を設定している。このため、第１の実施形態と同様にヒューズ１１に確実に情報を設定することが可能である。
【００４９】
しかも、第２の実施形態の場合、ヒータ２１の幅をヒューズ１１の幅とほぼ同一のサイズとすることが可能である。このため、ヒューズ１１及びヒューズ相互間のピッチを微細化することが可能であり、チップサイズの増大を防止できる利点を有している。
【００５０】
また、テストパッド２２を用いてダイソートテスト装置のプローブを介してヒータ２１に電流を供給しているため、チップ内にヒータを選択する選択回路やパルス状の電流を発生する電流発生回路を設ける必要がない。このため、チップ面積の増大を防止できる。
【００５１】
尚、第２の実施形態において、ヒータ２１はヒューズ１１の下部に配置したが、これに限定されるものではなく、ヒューズ１１の上部に配置してもよい。
【００５２】
また、チップサイズに余裕がある場合、チップ内に例えばヒータ２１を選択する選択回路やパルス状の電流を発生する電流発生回路を設けてもよい。選択回路は、ヒューズが例えば不良のメモリセルを救済するための冗長回路に適用されている場合、不良アドレス信号に応じて複数のヒータを選択する。この選択回路には電流発生回路が接続され、この電流発生回路は前記パルス状の電流を発生する。このパルス状の電流は選択回路を介して複数のヒータに供給される。このような構成とした場合、ダイソートテスト後においてもヒューズに所要の情報を設定することができる。
【００５３】
また、上記第１、第２の実施形態において、ヒューズ１１の材料は、カルコゲン化合物を用いた。しかし、これに限定されるものではなく、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌの中から少なくとも１つ選ばれた金属を含みマルテンサイト変態を起こす合金を用いることも可能である。マルテンサイト変態は、合金が相転移温度以上の温度になると、結晶のすべりが発生し、電気抵抗が変化する。この状態から合金を急速に冷却することにより、合金は高い電気抵抗を保持することができる。このようなマルテンサイト変態を起こす合金をヒューズとして使用することによっても、第１、第２の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００５４】
また、相転移型のヒューズとして使用可能な合金の組成は上述したように複数あり、合金の組成に応じて相転移が発生する温度も相違する。このため、ヒューズを加熱するための温度も合金の組成に応じて適宜設定可能である。
【００５５】
図８は、上記ヒューズ１１を半導体記憶装置のロウ系の冗長回路に適用した場合の例を示している。ヒューズ群３１は複数の前記ヒューズ１１により構成されている。このヒューズ群３１の一端には電源Ｖｄｄが供給されている。ヒューズ群３１の他端は、ラッチ回路群３２の入力端に接続されている。このラッチ回路群３２は複数の前記ラッチ回路３により構成されている。ラッチ回路群３２の出力端は、スペアロウデコーダ３３の入力端に接続されている。このスペアロウデコーダ３３の入力端には、さらにロウアドレス信号が供給されている。スペアロウデコーダ３３の出力端はメモリセルアレイ３５のスペアロウ群３５ａに接続されている。ロウデコーダ３４の入力端には、前記ロウアドレス信号が供給されている。ロウデコーダ３４の出力端はメモリセルアレイ３５に接続されている。
【００５６】
前記ヒューズ群３１は、メモリセルアレイ３５の不良ロウアドレスを記憶している。半導体メモリ装置に電源が供給されると、ヒューズ群３１に記憶された不良ロウアドレスが読み出され、ラッチ回路群３２にラッチされる。スペアロウデコーダ３３は、ロウアドレス信号とラッチ回路群３２から供給される不良ロウアドレス信号とを比較し、これらが一致した場合、スペアロウ群３５ａより１つのスペアロウを選択する。これとともに、スペアロウデコーダ３３は、ロウデコーダ３４にディスエーブル信号ＤＥを供給し、ロウデコーダ３４をディスエーブルとする。
【００５７】
上記冗長回路に第１、第２の実施形態のヒューズを適用することにより、従来の溶断型ヒューズやアンチヒューズと同様の作用、効果を得ることができる。
【００５８】
尚、上記第１、第２の実施形態のヒューズは、半導体記憶装置の冗長回路だけではなく、半導体装置において、種々の情報を設定する回路に適用可能なことは言うまでもない。
【００５９】
その他、本発明の要旨を変えない範囲において種々変形実施可能なことは勿論である。
【００６０】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明によれば、微細化が可能であり、回路規模の増大を防止できるとともに、信頼性の高いヒューズ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。
【図３】本発明のレーザービームのプロファイルを従来と比較して示す図。
【図４】相転移による抵抗値の変化を示す図。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す構成図。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図。
【図７】図５、図６に示すヒータへの給電方法の一例を示す構成図。
【図８】第１、第２の実施形態のヒューズが適用される半導体記憶装置の冗長回路の例を示す構成図。
【図９】従来のヒューズ回路を示す構成図。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図。
【符号の説明】
１１…相転移型ヒューズ、
１３…ラッチ回路、
１４…シリコン基板、
１５…絶縁膜、
１７…レーザービーム、
２１…ヒータ、
２２…テストパッド、
２３…プローブ。

Claims

半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の内部に形成され、加熱手段により加熱することで相転移によって抵抗値が変化し、情報が設定されるヒューズと
を具備することを特徴とするヒューズ装置。
前記ヒューズの材料は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎの中から少なくとも１つ選ばれた金属を含むカルコゲン化合物であることを特徴とする請求項１記載のヒューズ装置。
前記ヒューズの材料は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌの中から少なくとも１つ選ばれた金属を含む合金であり、相転移がマルテンサイト変態であることを特徴とする請求項１記載のヒューズ装置。
前記相転移は、結晶とアモルファス間の変態であることを特徴とする請求項１記載のヒューズ装置。
前記加熱手段は、レーザービームであることを特徴とする請求項１記載のヒューズ装置。
前記加熱手段は、前記ヒューズに接触されたヒータであることを特徴とする請求項１記載のヒューズ装置。
前記ヒータへはダイソートテスト装置から電流が供給されることを特徴とする請求項６記載のヒューズ装置。