JP2006013338A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気的に切断されやすいヒューズ素子を有する半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のヒューズ素子4は、回路を遮断する部分である第1の領域4aと、第1の領域4aの両端に接し、第1の領域4aよりもパターン幅の広い第2の領域4bおよび第3の領域4cとからなる。ヒューズ素子4のうち第2の領域4b、第1の領域4aおよび第3の領域4cのうちの一部は厚膜絶縁膜2の上に設けられているのに対し、第3の領域4cのうちの他部は薄膜絶縁膜3の上に設けられている。ヒューズ素子4で発生した熱は、厚膜絶縁膜2を介して半導体基板1へ放熱しにくいのに対し薄膜絶縁膜3を介して放熱しやすいため、ヒューズ素子4内の温度変化および温度勾配が大きくなるため、第1の領域4aが電気的に切断されやすくなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、ヒューズ素子を有する半導体装置およびその製造方法に関するものであり、特に、ポリシリコン等の半導体層とシリサイド等の金属層の単体または積層された複合体からなるヒューズ素子を有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。
従来から、半導体装置において、メモリ回路の冗長回路を使うビットを指定したり、アナログ回路の抵抗値を調整したり、ロジック回路の機能を有効にしたりするのに、ヒューズ素子が必要とされてきた。ヒューズ素子を、同じ半導体装置内におけるトランジスタ等と同時に形成しておくと、半導体装置の製造が終了しテストが終わった段階でヒューズ素子の電気抵抗を外部から調整することが可能となり、所望の機能の動作を制御することができるためである。
従来では、レーザー加工によって電気的に切断されるポリシリコンからなるヒューズ素子や、下部電極と上部電極との間に形成され、薄膜絶縁体が絶縁破壊されるアンチヒューズ素子などが利用されてきた。ところが、近年の半導体装置の高集積化、微細化に伴い、これらのヒューズ素子に変えて、ポリシリコンで形成された細長い形状を持った抵抗体に電流を流し、ジュール熱を発生させることでポリシリコン抵抗体を融点以上に加熱し、ポリシリコンを溶断させるヒューズ素子の検討がなされている(例えば、特許文献1参照)。以下では、このようなヒューズ素子を、レーザー加工によって切断するヒューズ素子やアンチヒューズ素子と区別するために、電気ヒューズ素子と記する。
この電気ヒューズ素子では、ポリシリコン抵抗体からなるヒューズ部(ヒューズ素子のうち回路を遮断する部分)を完全に切断する必要がなく、ヒューズ部に電流を流して溶かすことによりヒューズ部を細くして、抵抗値を上昇させることができる。
図7は、従来の電気ヒューズ素子を有する半導体装置を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)に示すC−C線に沿った断面図である。なお、図7(a)では、図7(b)に示す第1の層間絶縁膜104および第2の層間絶縁膜108の図示は省略してあり、また、金属配線107a, 107bは点線で示してある。
従来の電気ヒューズ素子103を平面的に見れば、図7(a)に示すように、ヒューズ部となる第1の領域103aと、第1の領域103aを挟んで両側横に設けられ、コンタクト形成領域となる第2の領域103bおよび第3の領域103cとから構成されている。そして、電気ヒューズ素子103の第1の領域103aのパターン幅(縦方向の幅)は、第2の領域103bおよび第3の領域103cのパターン幅に比べて狭く設けられている。また、第2の領域103bおよび第3の領域103cの上には、それぞれ5個のコンタクトプラグ106a, 106bが縦一列に並んで設けられている。
また、従来の電気ヒューズ素子103を断面的に見れば、図7(b)に示すように、半導体基板101と、半導体基板101の上に設けられた絶縁膜102と、絶縁膜102の上の一部に設けられた電気ヒューズ素子103と、絶縁膜102および電気ヒューズ素子103の上に設けられた第1の層間絶縁膜104と、第1の層間絶縁膜104を貫通し、コンタクト形成領域となる第2の領域103bおよび第3の領域103cに到達するコンタクトホール105a, 105bと、コンタクトホール105a, 105bを埋め、タングステンなどの導電材料からなるコンタクトプラグ106a, 106bと、第1の層間絶縁膜104の一部の上にコンタクトプラグ106a,106bと接して設けられた金属配線107a,107bと、第1の層間絶縁膜104の上に金属配線107a,107bを覆うように形成された第2の層間絶縁膜108とを備えている。
特開2000−40790号公報
しかしながら、上述のような従来の電気ヒューズ素子103では、ヒューズ部となる第1の領域103aを溶断しにくく、所望の抵抗値を得ることができないという不具合が生じていた。
そこで、本発明では、ヒューズ部を溶断しやすくする手段を講ずることにより、より確実に電気抵抗を調整することができるヒューズ素子を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明の第1の半導体装置は、半導体基板の上に設けられた第1の絶縁膜と、前記半導体基板の上における前記第1の絶縁膜に隣接する領域に設けられ、前記第1の絶縁膜よりも膜厚の薄い第2の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜の上及び前記第2の絶縁膜の上に亘って設けられており、ヒューズ部(ヒューズ素子のうち電気抵抗が他よりも高い部分、言い換えると回路が溶断される部分)となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接して設けられた第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接して設けられた第3の領域とを有するヒューズ素子と、前記ヒューズ素子の上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第2の領域と接する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第3の領域と接する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接続される第1の配線と、前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第2のコンタクトプラグと接続される第2の配線とを備えることを特徴とする。
この構成を有するヒューズ素子に電流を流すとヒューズ部において熱が発生し、この熱は、膜厚の小さな第2の絶縁膜を介して半導体基板に放熱される。ここで、半導体基板の熱伝導率は大きいため、ヒューズ素子のうち第2の絶縁膜の上に位置する部分は加熱されにくくなる。それに対し、膜厚の大きな第1の絶縁膜には熱が伝導しにくいため、ヒューズ素子のうち第1の絶縁膜の上に位置する部分は加熱され高温になる。このように、ヒューズ素子のうち第2の絶縁膜の上に設けられた部分と第1の絶縁膜の上に設けられた部分とでは、温度に大きな差が生じる。これにより、ヒューズ部である第1の領域における温度変化と、温度分布を長さで微分した温度勾配とが大きくなり、第1の領域が溶断されやすくなる。
前記ヒューズ素子において、前記第1の領域の幅(ヒューズ素子において電流を流す方向と垂直な方向の幅)は、前記第2の領域および前記第3の領域の幅よりも狭いことが好ましい。これにより、第1の領域の抵抗値が高くなるため、ヒューズ素子に電流を流した場合に、第1の領域が溶断されやすくなる。
前記第2の領域全体が前記第1の絶縁膜の上に設けられ、前記第3の領域の少なくとも一部は前記第2の絶縁膜の上に設けられていることが好ましい。これにより、第2の領域の温度が上昇しやすくなるのに対して第3の領域の前記一部の温度が上昇しにくくなるため、両者間の温度差が大きくなり、両者に挟まれる第1の領域の温度変化および温度勾配が大きくなる。
前記第2のコンタクトプラグの平面積の合計は、前記第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きくてもよい。この場合には、第2のコンタクトプラグを介して放熱される熱量は第1のコンタクトプラグを介して放熱される熱量よりも多くなる。したがって、第2の領域と第3の領域の温度差をより大きいものとすることができる。
前記第1の半導体装置は、前記半導体基板上に設けられた素子分離絶縁膜と、前記半導体基板のうち側方を前記素子分離絶縁膜によって囲まれる領域の上に設けられたゲート絶縁膜および前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極を有するMISトランジスタとをさらに備え、前記第1の絶縁膜と前記素子分離絶縁膜とは、実質的に同じ膜厚を有し、前記第2の絶縁膜と前記ゲート絶縁膜とは、実質的に同じ膜厚を有し、前記ヒューズ素子と前記ゲート電極とは、同じ導電体材料で構成されていてもよい。
本発明の第2の半導体装置は、半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられており、ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接して設けられた第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接して設けられた第3の領域とを有するヒューズ素子と、前記ヒューズ素子の上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第2の領域と接する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第3の領域と接する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接続される第1の配線と、前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第2のコンタクトプラグと接続される第2の配線とを備え、前記第2のコンタクトプラグの平面積の合計が、前記第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きいことを特徴とする。
この構成を有するヒューズ素子に電流を流すとヒューズ素子で熱が発生し、この熱は、第1のコンタクトプラグよりも第2のコンタクトプラグからより多く放熱される。したがって、ヒューズ素子のうち第1のコンタクトプラグと接する第2の領域の温度が上昇しやすく、第2のコンタクトプラグと接する第3の領域の温度が上昇しにくくなり、両者の温度に大きな差が生じる。これにより、第2の領域と第3の領域とに挟まれる第1の領域における温度変化と、温度変化を長さで微分した温度勾配とが大きくなり、第1の領域が溶断されやすくなる。
具体的には、前記第2のコンタクトプラグの数を、前記第1のコンタクトプラグの数よりも多くすることにより、第2のコンタクトプラグの平面積の合計を第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きくすることができる。
また、前記第2のコンタクトプラグの1つあたりの平面積を、前記第1のコンタクトプラグの1つあたりの平面積よりも大きくすることによっても、第2のコンタクトプラグの平面積の合計を第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きくすることができる。
また、前記第1のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第1の距離は、前記第2のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第2の距離よりも大きくてもよい。この場合には、第2の領域と第3の領域の温度差をより大きいものとすることができる。
ここで、前記第1のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第1の距離は、前記第1のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値であり、前記第2のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第2の距離は、前記第2のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値であることが好ましい。
前記ヒューズ素子において、前記第1の領域の幅は、前記第2の領域および前記第3の領域の幅よりも狭いことが好ましい。これにより、第1の領域の抵抗値が高くなるため、ヒューズ素子に電流を流した場合に、第1の領域が溶断されやすくなる。
前記第2の半導体装置は、前記半導体基板の上に設けられた素子分離絶縁膜と、前記半導体基板のうち側方を前記素子分離絶縁膜によって囲まれる領域の上に設けられたゲート絶縁膜および前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極を有するMISトランジスタとをさらに備え、前記ヒューズ素子と前記ゲート電極とは、同じ導電体材料で構成されていてもよい。
本発明の第3の半導体装置は、半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられており、ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接して設けられた第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接して設けられた第3の領域とを有するヒューズ素子と、前記ヒューズ素子の上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第2の領域と接する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第3の領域と接する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接続される第1の配線と、前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第2のコンタクトプラグと接続される第2の配線とを備え、前記第1のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第1の距離は、前記第2のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第2の距離よりも大きいことを特徴とする。
この構成を有するヒューズ素子に電流を流すと熱が発生し、この熱は、第1のコンタクトプラグよりも第2のコンタクトプラグからより多く放熱される。したがって、ヒューズ素子のうち第1のコンタクトプラグと接する第2の領域の温度が上昇しやすく、第2のコンタクトプラグと接する第3の領域の温度が上昇しにくくなり、両者の温度に大きな差が生じる。これにより、第2の領域と第3の領域とに挟まれる第1の領域における温度変化と、温度変化を長さで微分した温度勾配とが大きくなり、第1の領域が溶断されやすくなる。
ここで、前記第1のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第1の距離は、前記第1のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値であり、前記第2のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第2の距離は、前記第2のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値であることが好ましい。
前記第1〜第3の半導体装置における前記ヒューズ素子は、ポリシリコン膜からなっていてもよい。
本発明の第1の半導体装置の製造方法は、ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接続される第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接続される第3の領域とを有するヒューズ素子を備えた半導体装置の製造方法であって、半導体基板の上に第1の絶縁膜を形成する工程(a)と、前記半導体基板の上に、前記第1の絶縁膜よりも膜厚の薄い第2の絶縁膜を前記第1の絶縁膜に隣接させて形成する工程(b)と、前記工程(a)および前記工程(b)の後に、前記第1の絶縁膜の上及び前記第2の絶縁膜の上に亘る前記ヒューズ素子を形成する工程(c)と、前記工程(c)の後に、前記ヒューズ素子の上に層間絶縁膜を形成する工程(d)と、前記工程(d)の後に、前記層間絶縁膜を貫通して、前記第2の領域に到達する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと前記第3の領域に到達する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグとを形成する工程(e)と、前記工程(e)の後に、前記層間絶縁膜の上に、前記第1のコンタクトプラグに到達する第1の配線と、前記第2のコンタクトプラグに到達する第2の配線とを形成する工程(f)とを備えることを特徴とする。
この方法により製造した半導体装置のヒューズ素子に電流を流すと、ヒューズ部では熱が発生し、この熱は、膜厚の小さな第2の絶縁膜を介して半導体基板に放熱される。ここで、半導体基板の熱伝導率は大きいため、ヒューズ素子のうち第2の絶縁膜の上に位置する部分は加熱されにくくなる。それに対し、膜厚の大きな第1の絶縁膜には熱が伝導しにくいため、ヒューズ素子のうち第1の絶縁膜の上に位置する部分は加熱され高温になる。このように、ヒューズ素子のうち第2の絶縁膜の上に設けられた部分と第1の絶縁膜の上に設けられた部分とでは、温度に大きな差が生じる。これにより、ヒューズ部である第1の領域における温度変化と、温度分布を長さで微分した温度勾配とが大きくなり、第1の領域が溶断されやすくなる。
前記工程(c)では、前記第1の領域の幅が、前記第2の領域および前記第3の領域の幅よりも狭い前記ヒューズ素子を形成することが好ましい。このように形成したヒューズ素子では、第1の領域の抵抗値が高くなるため、ヒューズ素子に電流を流した場合に、第1の領域が溶断されやすくなる。
前記工程(c)では、前記第2の領域全体が前記第1の絶縁膜の上に配置し、前記第3の領域の少なくとも一部が前記第2の絶縁膜の上に配置するように前記ヒューズ素子を形成することが好ましい。このように形成したヒューズ素子では、第2の領域の温度が上昇するのに対して第3の領域の前記一部の温度が上昇しにくくなるため、両者間の温度差が大きくなり、両者に挟まれる第1の領域の温度変化および温度勾配が大きくなる。
本発明の第2の半導体装置の製造方法は、ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接続される第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接続される第3の領域とを有するヒューズ素子を備えた半導体装置の製造方法であって、半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程(a)と、前記工程(a)の後に、前記絶縁膜の上に前記ヒューズ素子を形成する工程(b)と、前記工程(b)の後に、前記ヒューズ素子の上に層間絶縁膜を形成する工程(c)と、前記工程(c)の後に、前記層間絶縁膜を貫通して、前記第2の領域に到達する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと前記第3の領域に到達する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグとを形成する工程(d)と、前記工程(d)の後に、前記層間絶縁膜の上に、前記第1のコンタクトプラグに到達する第1の配線と、前記第2のコンタクトプラグに到達する第2の配線とを形成する工程(e)とを備え、前記工程(d)では、前記第2のコンタクトプラグの平面積の合計を、前記第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きくすることを特徴とする。
この方法により製造した半導体装置のヒューズ素子に電流を流すと、ヒューズ部では熱が発生し、この熱は、第1のコンタクトプラグよりも第2のコンタクトプラグからより多く放熱される。したがって、ヒューズ素子のうち第1のコンタクトプラグと接する第2の領域の温度が上昇しやすく、第2のコンタクトプラグと接する第3の領域の温度が上昇しにくくなり、両者の温度に大きな差が生じる。これにより、第2の領域と第3の領域とに挟まれる第1の領域における温度変化と、温度変化を長さで微分した温度勾配とが大きくなり、第1の領域が溶断されやすくなる。
前記工程(d)では、前記第2のコンタクトプラグを、前記第1のコンタクトプラグよりも多く形成することにより、第2のコンタクトプラグの平面積の合計を第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きくすることができる。
前記工程(d)では、前記第2のコンタクトプラグの1つあたりの平面積を、前記第1のコンタクトプラグの1つあたりの平面積よりも大きくすることによっても、第2のコンタクトプラグの平面積の合計を第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きくすることができる。
前記工程(d)では、前記第1のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第1の距離を、前記第2のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第2の距離よりも大きくしてもよい。このようにしたヒューズ素子では、第2の領域と第3の領域の温度差をより大きいものとすることができる。
この場合に、前記工程(d)で、前記第1のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第1のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値を前記第1の距離とし、前記第2のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第2のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値を前記第2の距離とすることが好ましい。
前記工程(b)では、前記第1の領域の幅が、前記第2の領域および前記第3の領域の幅よりも狭い前記ヒューズ素子を形成することが好ましい。このように形成したヒューズ素子では、第1の領域の抵抗値が高くなるため、ヒューズ素子に電圧を印加した場合に、第1の領域が溶断されやすくなる。
本発明の第3の半導体装置の製造方法は、ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接続される第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接続される第3の領域とを有するヒューズ素子を備えた半導体装置の製造方法であって、半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程(a)と、前記工程(a)の後に、前記絶縁膜の上に前記ヒューズ素子を形成する工程(b)と、前記工程(b)の後に、前記ヒューズ素子の上に層間絶縁膜を形成する工程(c)と、前記工程(c)の後に、前記層間絶縁膜を貫通して、前記第2の領域に到達する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと前記第3の領域に到達する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグとを形成する工程(d)と、前記工程(d)の後に、前記層間絶縁膜の上に、前記第1のコンタクトプラグに到達する第1の配線と、前記第2のコンタクトプラグに到達する第2の配線とを形成する工程(e)とを備え、前記工程(d)では、前記第1のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第1の距離を、前記第2のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第2の距離よりも大きくする。
この方法により製造した半導体装置のヒューズ素子に電流を流すと、ヒューズ部では熱が発生し、この熱は、第1のコンタクトプラグよりも第2のコンタクトプラグからより多く放熱される。したがって、ヒューズ素子のうち第1のコンタクトプラグと接する第2の領域の温度が上昇しやすく、第2のコンタクトプラグと接する第3の領域の温度が上昇しにくくなり、両者の温度に大きな差が生じる。これにより、第2の領域と第3の領域とに挟まれる第1の領域における温度変化と、温度変化を長さで微分した温度勾配とが大きくなり、第1の領域が溶断されやすくなる。
前記工程(d)では、前記第1のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第1のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値を前記第1の距離とし、前記第2のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第2のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値を前記第2の距離とすることが好ましい。
以上のように、本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、ヒューズ素子のうちヒューズ部を挟んだ両側の領域の一方を他方に比べて放熱量の大きい構成とすることにより、ヒューズ部内部の温度変化および温度勾配を大きくすることができるので、電気的に溶断しやすいヒューズ素子を実現できる。
−解析結果−
以下に、従来の電気ヒューズ素子に電流を流した場合の温度分布等を解析した結果について、図8(a), (b)を参照しながら説明する。図8(a), (b)は、従来のヒューズ素子に電流を流したときの温度分布の計算結果を示す斜視図であり、(a)はヒューズ素子内部を温度範囲ごとにハッチングで区別して示す斜視図であり、(b)は(a)のC−C線に沿った温度分布および温度勾配をグラフにして示す図である。図8(a)は、電気ヒューズ素子103としてポリシリコン層を用い、電気ヒューズ素子103に電圧1.25V、電流0.5mAを印加し、電気ヒューズ素子103内部の最高温度が800℃(1073K)になったときの温度分布を示しており、図8(b)は、この温度分布および温度勾配を示している。なお、図8(b)において、実線で示すプロファイルは温度分布であり、点線で示すプロファイルは温度勾配である。
図7(b)に示すように、従来の電気ヒューズ素子103は、全体が熱伝導率が小さく均一な第1の層間絶縁膜104および第2の層間絶縁膜108で囲まれている。そのため、図8(a)に示すように、従来の電気ヒューズ素子103で発生した熱は、電気ヒューズ素子103の上方向、横方向、下方向に伝わりにくく、電気ヒューズ素子103の両端に接続されているコンタクトプラグ106a, 106bに集中して放熱される。このように放熱されると、図8(b)に示すように、電気ヒューズ素子103内部では、ヒューズ部となる第1の領域103aの中央付近の温度が最も高くなり、コンタクトプラグ106a, 106bが接続されている第2の領域103bおよび第3の領域103cの両端の温度が最も低くなる。そして、第1の領域103aの中央部から第2の領域103bおよび第3の領域103cの端部に向かって、温度勾配が緩やかに変化する。
ここで、電気ヒューズ素子103が溶断するためには、電気ヒューズ素子103の融点まで温度を上げるだけではなく、電気ヒューズ素子103内部での温度分布を長さで微分した温度勾配の大きさが重要である。しかし、従来の構造では、主な放熱部分が電気ヒューズ素子103の両端部のみであり、しかも電気ヒューズ素子の両端のそれぞれから放熱される熱量は同程度になることから、電気ヒューズ素子103全体の温度が上昇し、電気ヒューズ素子103内部における温度勾配が小さくなり、電気ヒューズ素子が溶断しにくくなってしまう。
以上の解析をもとにして、本発明では、電気ヒューズ素子内部の温度勾配を大きくする方法を考え出した。以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示し、(a)は平面図、(b)は図1(a)のA−A線に沿った断面図である。なお、図1(a)では、図1(b)における第1の層間絶縁膜5および第2の層間絶縁膜9の図示は省略してあり、また、金属配線13a, 13bは点線で示してある。
本実施形態のヒューズ用抵抗体(以下、ヒューズ素子と称す)4を平面的に見れば、図1(a)に示すように、ヒューズ部となる第1の領域4aと、第1の領域4aを挟んで両側に設けられ、コンタクト形成領域となる第2の領域4bおよび第3の領域4cとを備えている。そして、ヒューズ素子4の第1の領域4aにおけるパターン幅W1は、第2の領域4bおよび第3の領域4cのパターン幅W2に比べて狭く形成されており、例えばパターン幅W2が1μm程度であるのに対し、パターン幅W1は100nm程度となる。なお、本実施形態では、第2の領域4bおよび第3の領域4cは、第1の領域4aとの接続箇所から離れるにしたがって除々に幅が広くなる傾斜部を有しているが、必ずしも傾斜は必要なく矩形であってもよい。そして、第2の領域4bおよび第3の領域4cには、それぞれ複数のコンタクトプラグ7a、7bが接している。
また、本実施形態のヒューズ素子4を断面的に見れば、図1(b)に示すように、シリコンからなる半導体基板1をエッチングして設けられたトレンチ内に形成された厚さ300nmの厚膜絶縁膜2と、半導体基板1上に厚膜絶縁膜2に隣接して形成された厚さ10nmの薄膜絶縁膜3と、厚膜絶縁膜2の一部領域上から薄膜絶縁膜3の一部領域上に跨って形成された厚さ100nmのヒューズ素子4と、半導体基板1およびヒューズ素子4の上に設けられた厚さ300nmの第1の層間絶縁膜5と、第1の層間絶縁膜5を貫通し、ヒューズ素子4のうちの第2の領域4bおよび第3の領域4cに到達する、タングステンなどの導電材料からなる直径100nmのコンタクトプラグ7a, 7bと、コンタクトプラグ7a,7bの上からその周囲の第1の層間絶縁膜5の上に亘って設けられた金属配線13a,13bと、第1の層間絶縁膜5の上のうち金属配線13a,13bの間に設けられた第2の層間絶縁膜9とを有している。
ヒューズ素子4は、ポリシリコンやアモルファスシリコンからなる半導体層、AlやCuからなる金属層、Ti/TiNやTa/TaNなどの高融点金属層とAlやCuなどの金属層からなる積層構造、又は、半導体層とシリサイド層からなる積層構造からなる。また、金属配線13a,13bは、銅(Cu)、アルミニウム(Al)又はアルミ合金からなる。
本実施形態の最大の特徴は、図1(a), (b)に示すように、ヒューズ素子4を厚膜絶縁膜2の上から薄膜絶縁膜3の上に跨って設けたことにある。すなわち、ヒューズ素子4のうち第2の領域4bおよび第1の領域4aは厚膜絶縁膜2の上に設けられ、第3の領域4cは厚膜絶縁膜2の上から薄膜絶縁膜3の上に亘って設けられている。ここで、ヒューズ素子4のうち厚膜絶縁膜2の上に設けられている部分、つまり第1の領域4a、第2の領域4bおよび第3の領域4cの一部を厚膜上領域Raと呼び、ヒューズ素子4のうち薄膜絶縁膜3の上に設けられている部分、つまり第3の領域4cの他部を薄膜上領域Rbと呼ぶ。なお、薄膜絶縁膜3は、必ずしも薄膜上領域Rbに位置する第3の領域4cと半導体基板1との間の領域全体に介在していなくてもよいが、少なくともコンタクトプラグ7bを形成する領域の下には設けられていることが望ましい。なお、ヒューズ素子4の配置は図1に示すような配置に限定されるものではなく、例えば、ヒューズ素子4のうち、厚膜絶縁膜2の上に第2の領域4bと第1の領域4aの一部を形成し、第1の領域4aのうちの他部と第3の領域4cとを薄膜絶縁膜3上に形成してもよい。
次に、上述の構成を有するヒューズ素子の動作について説明する。ヒューズ素子4に電流を流すと、パターン幅が狭い第1の領域4aでは、抵抗が大きくなっているため、熱量が最も多く発生する。この熱量は、第2の領域4bおよび第3の領域4cとコンタクトプラグ7a,7bとを介して外部に放熱されることになる。ここで、薄膜絶縁膜3の膜厚は薄いため、薄膜上領域Rbに放熱された熱量は、薄膜絶縁膜3を介して半導体基板1に放熱される。このとき、厚膜絶縁膜2の膜厚は厚いため、ヒューズ素子4のうち厚膜上領域Raに放熱された熱量は、厚膜絶縁膜2を介して半導体基板1に伝わりにくい。その結果、ヒューズ素子4に電圧を印加して電流を流した場合には、ヒューズ素子4内部のうちの薄膜上領域Rbは室温程度になり、厚膜上領域Raは高温に加熱されることになる。
図2は、本発明の第1の実施形態に係るヒューズ素子に電流を流したときの温度分布の計算結果を示す斜視図であり、(a)はヒューズ素子内部を温度範囲ごとにハッチングで区別して示す斜視図であり、(b)は(a)のA−A線に沿った温度分布および温度勾配をグラフにして示す図である。なお、図2(a)、(b)に示す計算結果は、ヒューズ素子としてポリシリコン層を用いて計算された結果であり、図2(b)において、実線で示すプロファイルは温度分布であり、点線で示すプロファイルは温度勾配である。また、図2(a), (b)は、ヒューズ素子4に電圧1.25V、電流0.63mAを印加し、ヒューズ素子4内部の最高温度が800℃(1073K)になったときのヒューズ素子内部の温度分布を計算した結果である。
図2(a)および図2(b)に示すように、ヒューズ素子4のうち、薄膜絶縁膜3上に位置する第3の領域4cでは、熱が薄膜絶縁膜3を介して半導体基板1に放熱されるため、温度が200℃(473K)となる。これに対して、ヒューズ素子4のうち、厚膜絶縁膜2上に位置する第2の領域4bでは、熱が厚膜絶縁膜2を介して半導体基板1に放熱されにくいため、温度が800℃(1073K)となる。このため、ヒューズ素子4のうち、高温になっている第2の領域4bと低温になっている第3の領域4cとに挟まれ、パターン幅が狭くなっている第1の領域4a内部では、一部の箇所が最高温度の800℃(1073K)となり、且つ、−2000℃/μmという大きな温度勾配が発生する。このように第1の領域4a内部の温度勾配が急峻になると、ヒューズ素子4の溶断が容易に起こるようになる。
以上のように本実施形態によれば、ヒューズ素子4の下に、膜厚の厚い厚膜絶縁膜2と膜厚の薄い薄膜絶縁膜3とを設けることにより、ヒューズ素子4に電流を流した場合の放熱量に違いが生じるため、ヒューズ部となる第1の領域4a内部の温度勾配を大きくすることができ、ヒューズ素子4を電気的に溶断しやすくすることができる。
なお、本実施形態では、薄膜絶縁膜3と厚膜絶縁膜2との境界位置と、ヒューズ部となる第1の領域4aとの距離を調整することにより、温度勾配が最大になる位置を調整することができる。温度勾配が最大になる位置を、第1の領域4a内か、または第2の領域4bのうち第1の領域4aとの境界付近にすると、他の領域より幅が狭く溶断されやすい第1の領域4aをさらに溶断しやすくすることができる。
また、この実施形態において、ヒューズ素子4の下には、薄膜絶縁膜3と厚膜絶縁膜2との境界を一箇所しか設けていないが、より大きな温度勾配を作り出すために境界を複数箇所設けてもよい。
また、本実施形態のヒューズ素子4を溶断するためには、下方に薄膜絶縁膜3が形成されているコンタクトプラグ7bと半導体基板1とには同じ値の電圧(第1の電圧)を印加して同電位とし、下方に厚膜絶縁膜2が形成されているコンタクトプラグ7aには、第1の電圧と異なる値の電圧(第2の電圧)を印加する。特に、第2の電圧が第1の電圧よりも高い場合には、膜厚の薄い薄膜絶縁膜3を絶縁破壊させることなくヒューズ素子4を溶断することができる。
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図3(a)〜(e)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図中において、左半分はヒューズ素子形成領域AreaHであり、右半分はトランジスタ形成領域AreaTである。なお、本実施形態では、トランジスタとしてNチャネルMISトランジスタを形成する場合について説明する。
本実施形態の半導体装置の製造方法では、まず、図3(a)に示す工程で、ドライエッチングを行なうことにより半導体基板1におけるヒューズ素子形成領域AreaHの一部領域を所望の深さまで除去して第1の溝部1aを形成するのと同時に、トランジスタ形成領域AreaTのうちトランジスタの活性領域を取り囲む領域を所望の深さまで除去して第2の溝部1bを形成する。その後、半導体基板1の上に、第1の溝部1aおよび第2の溝部1bを埋めるシリコン酸化膜等からなる絶縁膜(図示せず)を堆積した後、化学的機械研磨(CMP)法を用いて絶縁膜のうち半導体基板1の上に位置する部分を研磨除去することにより、第1の溝部1a内に厚膜絶縁膜2を形成すると共に、第2の溝部1b内に素子分離絶縁膜2aを形成する。このとき、厚膜絶縁膜2および素子分離絶縁膜2aは、その上面が半導体基板1の表面とほぼ同じか若干高くなるように形成することが望ましい。
次に、図3(b)に示す工程で、半導体基板1の上に厚さ10nmの絶縁膜(図示せず)を形成する。この絶縁膜は、ヒューズ素子形成領域AreaHのうち厚膜絶縁膜2に隣接する領域において薄膜絶縁膜3となり、トランジスタ形成領域AreaTの活性領域においてゲート絶縁膜3Aとなる。その後、絶縁膜の上に厚さ100nmのポリシリコン膜(図示せず)を堆積し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを行なってパターニングを行なった後、絶縁膜のうち露出する部分を除去する。これにより、厚膜絶縁膜2の上から薄膜絶縁膜3の上に亘るヒューズ素子4を形成すると共に、ゲート絶縁膜3Aの上にゲート電極4Aを形成する。
ここで、薄膜絶縁膜3は必ずしもゲート絶縁膜3Aと同工程で形成しなくてもよい。また、薄膜絶縁膜3は、半導体基板1の表面を熱酸化することにより形成してもよいし、CVDにより絶縁膜を堆積することによって形成してもよい。また、この薄膜絶縁膜3は、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜または金属酸化膜等のいずれであってもよい。また、上述の説明では、ポリシリコン膜をパターニングした後、絶縁膜のうち露出する部分、つまり薄膜絶縁膜3およびゲート絶縁膜3Aとなる領域以外を除去しているが、必ずしも除去しなくてもよい。
次に、ゲート電極4Aをマスクにして、n型不純物である砒素(As)イオンをドーズ量5×1014ions/cm2、注入エネルギー5keVの注入条件でイオン注入することにより、半導体基板1のトランジスタ形成領域AreaTにn型エクステンション拡散層10Aを形成する。このイオン注入によって、ヒューズ素子4にも砒素イオンが注入され、また、半導体基板1のうち露出する領域にも砒素イオンが注入されて、n型の不純物拡散層10が形成される。ヒューズ素子4に砒素イオンを注入することにより、ヒューズ素子4の抵抗を調整することができる。
次に、図3(c)に示す工程で、半導体基板1の上の全面に絶縁膜(図示せず)を堆積した後、異方性ドライエッチングを行なうことにより絶縁膜をエッチバックして、ヒューズ素子4の側面上に第1のサイドウォール11を形成するとともに、ゲート電極4Aの側面上に第2のサイドウォール11Aを形成する。その後、ゲート電極4Aおよび第2のサイドウォール11Aをマスクにして、n型不純物である砒素(As)イオンを、ドーズ量5×1015ions/cm2、注入エネルギー50keVの注入条件でイオン注入することにより、半導体基板1のトランジスタ形成領域AreaTにn型ソース・ドレイン拡散層12Aを形成する。このイオン注入によって、ヒューズ素子4にも砒素イオンが注入され、また、半導体基板1のうち露出する領域にも砒素イオンが注入されて、不純物拡散層12が形成される。
次に、図3(d)に示す工程で、半導体基板1上に、シリコン酸化膜やフッ素を含有する酸化膜(FSG膜)等からなる第1の層間絶縁膜5を形成した後、CMP法を用いて表面平坦化を行なう。その後、第1の層間絶縁膜5のうちの一部をエッチングにより除去することにより、ヒューズ素子4の表面に到達するコンタクトホール6a,6bを形成する。このとき同時に、n型ソース・ドレイン拡散層12Aの表面に到達するコンタクトホール6cも形成しておく。第1の層間絶縁膜5にコンタクトホール6a,6b,6cをドライエッチングによって形成する際には、CF4等のエッチングガスを用いることにより、第1の層間絶縁膜5と、ヒューズ素子4のポリシリコンおよび半導体基板1のシリコンとのエッチング速度に差をつけることができるため、エッチングが進行してコンタクトホール6a,6b,6cがヒューズ素子4や半導体基板1に到達してもこれらが除去されにくい。その後、第1の層間絶縁膜5の上にコンタクトホール6a,6b,6cを埋めるタングステン膜をCVD法により形成した後、CMPを行なうことにより第1の層間絶縁膜5上の不要なタングステン膜を研磨除去して、コンタクトホール6a,6b,6c内にコンタクトプラグ7a,7b,7cを形成する。
次に、図3(e)に示す工程で、コンタクトプラグ7a,7b,7cを含む第1の層間絶縁膜5の上に第2の層間絶縁膜9を形成する。その後、第2の層間絶縁膜9の一部をエッチングにより除去して、コンタクトプラグ7a, 7b, 7cに到達する配線溝8a,8b,8cを形成する。その後、配線溝8a,8b,8cを含む第2の層間絶縁膜9上に、電解メッキ法により銅膜(図示せず)を形成する。その後、CMP法により第2の層間絶縁膜9上の不要な銅膜を研磨除去して、配線溝8a,8b,8c内に銅膜からなる金属配線13a,13b,13cを形成する。なお、本実施形態では、金属配線をいわゆるシングルダマシン法を用いて形成したが、第1の層間絶縁膜5上に金属膜を形成した後、金属膜をエッチングすることにより形成してもよい。あるいは、コンタクトプラグと金属配線とを同時に形成するデュアルダマシン法によって形成してもよい。
なお、本実施形態では、図3(b),(c)に示す工程で、ヒューズ素子形成領域AreaHの半導体基板1に不純物拡散層10, 12を形成したが、必ずしもこれらを形成する必要はない。これらを形成しない場合には、図3(b), (c)に示す工程で、それぞれヒューズ素子形成領域AreaHを覆うレジストなどからなるイオン注入マスクを形成した後、n型エクステンション拡散層10Aあるいはn型ソース・ドレイン拡散層12Aを形成するためのイオン注入を行なえばよい。
また、本実施形態では、図3(b)に示す工程で、半導体基板1のトランジスタ領域AreaTにn型エクステンション拡散層10Aを形成するのと同時にヒューズ素子4に砒素イオンを注入したが、これらを別の工程において行なってもよい。同様に、図3(c)に示す工程で、半導体基板1のトランジスタ領域AreaTにn型ソース・ドレイン拡散層12Aを形成するのと同時にヒューズ素子4に砒素イオンを注入したが、これらを別の工程において行なってもよい。
また、本実施形態では、ヒューズ素子4としてポリシリコン膜のみを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ヒューズ素子4がポリシリコン膜上にシリサイド膜を形成した積層構造を有していてもよい。この積層構造を形成する場合には、図3(c)に示す工程で、n型ソース・ドレイン拡散層12Aおよび不純物拡散層12を形成した後に、サリサイド技術を用いて、半導体基板1のうち露出している部分とポリシリコンとの上に、例えばコバルトシリサイド膜を形成すればよい。このようにシリサイド化を行なうと、ゲート電極4Aおよびn型ソース・ドレイン拡散層12Aの上にもコバルトシリサイド膜が形成される。なお、不純物拡散層12の上には、コバルトシリサイド膜を形成してもよいし形成しなくてもよい。
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を示し、(a)は平面図、(b)は図1(a)のB−B線に沿った断面図である。なお、図4(a)では、図4(b)における第1の層間絶縁膜5および第2の層間絶縁膜9の図示は省略してあり、また、金属配線13a, 13bは点線で示してある。
本実施形態のヒューズ用抵抗体(以下、ヒューズ素子と称す)4を平面的に見れば、図4(a)に示すように、ヒューズ部となる第1の領域4aと、第1の領域4aを挟んで両側に設けられたコンタクト形成領域となる第2の領域4bおよび第3の領域4cとを備えている。そして、ヒューズ素子4の第1の領域4aのパターン幅W1は、第2の領域4bおよび第3の領域4cのパターン幅W2に比べて狭く形成されており、例えばパターン幅W2が100nm程度であるのに対し、パターン幅W1は1μm程度である。なお、本実施形態では、第2の領域4bおよび第3の領域4cは、第1の領域4aとの接続箇所から離れるにしたがって除々に幅が広くなる傾斜部を有しているが、必ずしも傾斜は必要なく矩形であってもよい。そして、第2の領域4bおよび第3の領域4cには、それぞれ複数のコンタクトプラグ7a、7bが形成されている。
また、本実施形態のヒューズ素子4を断面的に見れば、図4(b)に示すように、半導体基板1をエッチングして設けられたトレンチ内に形成された厚さ300nmの厚膜絶縁膜2と、厚膜絶縁膜2の上に形成された厚さ100nmのヒューズ素子4と、半導体基板1およびヒューズ素子4の上に設けられた第1の層間絶縁膜5と、第1の層間絶縁膜5を貫通し、ヒューズ素子4のうちの第2の領域4bおよび第3の領域4cに到達する、タングステンなどの導電材料からなる直径100nmのコンタクトプラグ7a, 7bと、コンタクトプラグ7a,7bの上からその周囲の第1の層間絶縁膜5の上に亘って設けられた金属配線13a,13bと、第1の層間絶縁膜5の上のうち金属配線13a,13bの間に形成された第2の層間絶縁膜9とを有している。
ヒューズ素子4は、ポリシリコンやアモルファスシリコンからなる半導体層、AlやCuからなる金属層、Ti/TiNやTa/TaNなどの高融点金属層とAlやCuなどの金属層からなる積層構造、又は、半導体層とシリサイド層からなる積層構造からなる。また、金属配線13a, 13bは、銅(Cu)、アルミニウム(Al)またはアルミ合金からなる。
本実施形態の最大の特徴は、図4(a), (b)に示すように、ヒューズ素子4の第2の領域4bに接続されるコンタクトプラグ7aと、第3の領域4cに接続されるコンタクトプラグ7bとの数が互いに異なっていることにある。すなわち、ヒューズ素子4の両端のコンタクト形成領域のうちの一方である第2の領域4b上には、コンタクトプラグ7aが5個形成されているのに対して、他方である第3の領域4c上には、コンタクトプラグ7bが15個形成されている。しかも、ヒューズ素子4のうちヒューズ部となる第1の領域4aからコンタクトプラグ7bまでの距離の平均が、第1の領域4aからコンタクトプラグ7aまでの距離の平均に比べて短くなっている。このような構成によって、コンタクトプラグ7bに伝わる放熱量は、コンタクトプラグ7aに伝わる放熱量よりも大きくなり、第1の領域4aのうちコンタクトプラグ7bに近い側の温度が低下する。このため、ヒューズ素子4のヒューズ部となる第1の領域4a内部の温度勾配が大きくなり、第1の領域4aの溶断が容易に起こる。
以上のように、本実施形態によれば、ヒューズ素子の両端に接続されているコンタクトプラグ7a, 7bの数および位置を調整することにより、ヒューズ部となる第1の領域4aの両端から放出される熱量を左右で異なるものとし、ヒューズ部となる第1の領域4a内部の温度勾配を大きくすることができるため、電気的に溶断しやすくなる。
なお、本実施形態において、数が多く放熱効果が高い側のコンタクトプラグ、すなわちコンタクトプラグ7bの一部がヒューズ素子4の第3の領域4cと電気的に接続していなくてもよい。具体的には、コンタクトプラグ7bの一部と第3の領域4cとの間には、第1の層間絶縁膜5等の絶縁膜が介在していてもよい。ただし、これらのコンタクトプラグ7bにもヒューズ素子4の熱を伝導させるために、間に介在している絶縁膜の厚さは10nm以下とすることが好ましい。また、コンタクトプラグ7bの一部が、金属配線13bと電気的に接続していなくてもよい。具体的には、コンタクトプラグ7bの一部と金属配線13bとの間に第1の層間絶縁膜5や第2の層間絶縁膜9といった絶縁膜が介在していてもよい。
また、本実施形態では、コンタクトプラグ7aとコンタクトプラグ7bとの数を異なるものとすることにより、コンタクトプラグ7aとコンタクトプラグ7bとのそれぞれの平面積の合計を異なるものとし、コンタクトプラグ7aとコンタクトプラグ7bからの放熱量が互いに異なるようにしている。この観点によると、本実施形態の変形例として、図5(a), (b)に示すように、コンタクトプラグ7aとコンタクトプラグ7bの数は同じとして、1つあたりの平面積を異なるものとする方法が挙げられる。図5は、第2の実施形態の変形例の構造を示し、(a)は平面図、(b)は図5(a)のB−B線に沿った断面図である。この方法によっても、異なる数のコンタクトプラグを設ける方法と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、金属配線13bの膜厚を金属配線13aの膜厚よりも厚く形成してもよい。このように、金属配線13bの断面積を金属配線13aの断面積よりも大きくすることによって、コンタクトプラグ7bに接続されている金属配線13bから外部に放出される熱量が増大するため、ヒューズ素子4のうち第2の領域4bと第3の領域4cとの温度差をより大きくすることができる。したがって、ヒューズ素子4における第1の領域4aの温度勾配をより大きくすることができる。
なお、本実施形態では、ヒューズ素子4の全体を厚膜絶縁膜2上に形成したが、第1の実施形態と同様に、ヒューズ素子4を厚膜絶縁膜2から薄膜絶縁膜3(図1(a), (b)に示す)の上に亘って形成してもよい。これにより、ヒューズ素子4のヒューズ部となる第1の領域4aの両端の温度差がさらに大きくなり、温度勾配が増加するため、さらに電気的な溶断が容易になる。また、本実施形態では、コンタクトプラグ7a, 7bのそれぞれの数を異なるものとし、かつ、ヒューズ素子4からの距離を異なるものとしたが、これら2つの方法のうちいずれか一方のみを採用してもよい。
次に、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図6(a)〜(e)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図中において、左半分はヒューズ素子形成領域AreaHであり、右半分はトランジスタ形成領域AreaTである。なお、本実施形態では、トランジスタとしてNチャネルMISトランジスタを用いて説明する。
本実施形態の半導体装置の製造方法では、まず、図6(a)に示す工程で、ドライエッチングを行なうことにより半導体基板1におけるヒューズ素子形成領域AreaHの一部領域を所望の深さまで除去して第1の溝部1aを形成するのと同時に、トランジスタ形成領域AreaTのうちトランジスタの活性領域を取り囲む領域を所望の深さまで除去して第2の溝部1bを形成する。その後、半導体基板1の上に、第1の溝部1aおよび第2の溝部1bを埋めるシリコン酸化膜等からなる絶縁膜(図示せず)を堆積した後、化学的機械研磨(CMP)法を用いて絶縁膜のうち半導体基板1の上に位置する部分を研磨除去することにより、ヒューズ素子形成領域AreaHの第1の溝部1a内に厚膜絶縁膜2を形成すると共に、トランジスタ形成領域AreaTの第2の溝部1b内に素子分離絶縁膜2aを形成する。このとき、厚膜絶縁膜2および素子分離絶縁膜2aは、その上面が半導体基板1の表面とほぼ同じか若干高くなるように形成することが望ましい。
次に、図6(b)に示す工程で、半導体基板1のトランジスタ形成領域AreaTにおける活性領域上にゲート絶縁膜3Aを形成する。ゲート絶縁膜3Aは、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、または金属酸化膜等のいずれの膜であってもよい。その後、半導体基板1上にポリシリコン膜(図示せず)を堆積した後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを行なうことによりポリシリコン膜をパターニングして、ヒューズ素子形成領域AreaHの厚膜絶縁膜2の上にヒューズ素子4を形成すると共に、トランジスタ形成領域AreaTのゲート絶縁膜3Aの上にゲート電極4Aを形成する。なお、本実施形態では、ポリシリコン膜をパターニングした後、露出したゲート絶縁膜3Aを除去しているが、必ずしも除去する必要はない。その後、半導体基板1のトランジスタ形成領域AreaTに、ゲート電極4Aをマスクにして、n型不純物である砒素(As)イオンを、ドーズ量5×1014ions/cm2、注入エネルギー50KeVの注入条件でイオン注入して、n型エクステンション拡散層10Aを形成する。
次に、図6(c)に示す工程で、半導体基板1の上の全体に絶縁膜(図示せず)を堆積した後、異方性ドライエッチングを行なうことにより絶縁膜をエッチバックして、ヒューズ素子4の側面上に第1のサイドウォール11を形成するとともに、ゲート電極4Aの側面上に第2のサイドウォール11Aを形成する。
その後、半導体基板1のトランジスタ形成領域AreaTに、ゲート電極4Aおよび第2のサイドウォール11Aをマスクにして、n型不純物である砒素(As)イオンを、ドーズ量5×1015ions/cm2、注入エネルギー50keVの注入条件でイオン注入して、n型ソース・ドレイン拡散層12Aを形成する。このとき同時に、半導体基板1のヒューズ素子形成領域AreaHに形成されているヒューズ素子4にも砒素イオンがイオン注入される。
次に、図6(d)に示す工程で、半導体基板1の上にシリコン酸化膜やフッ素を含有する酸化膜(FSG膜)等の第1の層間絶縁膜5を形成した後、CMP法を用いて表面平坦化を行なう。その後、第1の実施形態と同様なエッチング条件によって、第1の層間絶縁膜5のうちの一部をエッチングにより除去することにより、ヒューズ素子4の表面に到達するコンタクトホール6a,6bを形成する。このとき、コンタクトホール6aの数に比べて、コンタクトホール6bの数を多く形成する。本実施形態では、コンタクトホール6aを5個に対し、コンタクトホール6bを15個形成する。なお、コンタクトホール6a, 6bの形成と同時に、n型ソース・ドレイン拡散層12Aの表面に到達するコンタクトホール6cも形成しておく。
その後、CVD法を行なうことにより、第1の層間絶縁膜5の上にコンタクトホール6a,6b,6cを埋めるタングステン膜(図示せず)を形成した後、CMP法により第1の層間絶縁膜5上の不要なタングステン膜を研磨除去することにより、コンタクトホール6a,6b,6c内にコンタクトプラグ7a,7b,7cを形成する。このとき、コンタクトプラグ7aが5個形成されるのに対して、コンタクトプラグ7bが15個形成される。
次に、図6(e)に示す工程で、コンタクトプラグ7a,7b,7cを含む第1の層間絶縁膜5上に第2の層間絶縁膜9を形成する。その後、第2の層間絶縁膜9の一部をエッチングにより除去することにより、コンタクトプラグ7a, 7b, 7cに到達する配線溝8a, 8b, 8cを形成する。その後、第2の層間絶縁膜9の上に、配線溝8a, 8b, 8cを埋める銅膜(図示せず)を形成し、CMP法により第2の層間絶縁膜9上の不要な銅膜を研磨除去することにより、配線溝8a,8b,8c内に銅膜からなる金属配線13a,13b,13cを形成する。なお、本実施形態では、金属配線13a,13b,13cをいわゆるシングルダマシン法を用いて形成したが、第1の層間絶縁膜5上に金属膜を形成した後、金属膜をエッチングすることにより形成してもよい。あるいは、コンタクトプラグと金属配線を同時に形成するデュアルダマシン法によって形成してもよい。
なお、本実施形態では、図6(a)に示す工程で、トランジスタ形成領域AreaTの活性領域を取り囲む第2の溝部1bと、ヒューズ素子形成領域AreaHに形成した第1の溝部1aとを分離して設けたが、必ずしも分離して設ける必要はなく、トランジスタ形成領域AreaTの活性領域を取り囲む素子分離の一部を第1の溝部1aとしてもよい。この場合、トランジスタ形成領域AreaTの活性領域を取り囲む素子分離のうち、3側面が素子分離絶縁膜2aとなり、1側面が厚膜絶縁膜2となる。
また、本実施形態では、ヒューズ素子4としてポリシリコン膜のみを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ポリシリコン膜上にシリサイド膜を形成した積層構造であってもよい。この場合、図6(c)に示す工程で、n型ソース・ドレイン拡散層12Aを形成した後に、サリサイド技術を用いて、選択的に露出しているシリコン上に、例えばコバルトシリサイド膜を形成する。これにより、ポリシリコン膜上にコバルトシリサイド膜が形成された積層構造のヒューズ素子4が形成される。なお、このとき同時に、ゲート電極4Aおよびn型ソース・ドレイン拡散層12A上にもコバルトシリサイド膜が形成される。
以上説明したように、本発明は、電流を印加して溶断するヒューズ素子を有する半導体装置等に有用である。
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置であり、(a)は平面図、(b)は図1(a)のA−A線に沿った断面図である。 本発明の第1の実施形態に係るヒューズ素子に電流を流したときの温度分布の計算結果を示す斜視図であり、(a)はヒューズ素子内部を温度範囲ごとにハッチングで区別して示す斜視図であり、(b)は(a)のA−A線に沿った温度分布および温度勾配をグラフにして示す図である。 (a)〜(e)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置であり、(a)は平面図、(b)は図1(a)のB−B線に沿った断面図である。 第2の実施形態の変形例の構造を示し、(a)は平面図、(b)は図5(a)のB−B線に沿った断面図である。 (a)〜(e)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 従来の電気ヒューズ素子を有する半導体装置を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)に示すC−C線に沿った断面図である。 従来のヒューズ素子に電流を流したときの温度分布の計算結果を示す斜視図であり、(a)はヒューズ素子内部を温度範囲ごとにハッチングで区別して示す斜視図であり、(b)は(a)のC−C線に沿った温度分布および温度勾配をグラフにして示す図である。
符号の説明
1 半導体基板
1a 第1の溝部
1b 第2の溝部
2 厚膜絶縁膜
2a 素子分離絶縁膜
3 薄膜絶縁膜
3A ゲート絶縁膜
4 ヒューズ素子
4A ゲート電極
4a 第1の領域
4b 第2の領域
4c 第3の領域
5 第1の層間絶縁膜
6a,6b,6c コンタクトホール
7a, 7b, 7c コンタクトプラグ
8a, 8b 配線溝
9 第2の層間絶縁膜
10 不純物拡散層
10A n型エクステンション拡散層
11 第1のサイドウォール
11A 第2のサイドウォール
12 不純物拡散層
12A n型ソース・ドレイン拡散層
13a,13b,13c 金属配線

Claims (26)

  1. 半導体基板の上に設けられた第1の絶縁膜と、
    前記半導体基板の上における前記第1の絶縁膜に隣接する領域に設けられ、前記第1の絶縁膜よりも膜厚の薄い第2の絶縁膜と、
    前記第1の絶縁膜の上及び前記第2の絶縁膜の上に亘って設けられており、ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接して設けられた第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接して設けられた第3の領域とを有するヒューズ素子と、
    前記ヒューズ素子の上に設けられた層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第2の領域と接する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと、
    前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第3の領域と接する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグと、
    前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接続される第1の配線と、
    前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第2のコンタクトプラグと接続される第2の配線と
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記第1の領域の幅は、前記第2の領域および前記第3の領域の幅よりも狭いことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項1または2に記載の半導体装置であって、
    前記第2の領域全体が前記第1の絶縁膜の上に設けられ、前記第3の領域の少なくとも一部は前記第2の絶縁膜の上に設けられていることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項3に記載の半導体装置であって、
    前記第2のコンタクトプラグの平面積の合計は、前記第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記半導体基板の上に設けられた素子分離絶縁膜と、
    前記半導体基板において側方を前記素子分離絶縁膜によって囲まれる領域の上に設けられたゲート絶縁膜および前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極を有するMISトランジスタとをさらに備え、
    前記第1の絶縁膜と前記素子分離絶縁膜とは、実質的に同じ膜厚を有し、
    前記第2の絶縁膜と前記ゲート絶縁膜とは、実質的に同じ膜厚を有し、
    前記ヒューズ素子と前記ゲート電極とは、同じ導電体材料で構成されていることを特徴とする半導体装置。
  6. 半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、
    前記絶縁膜の上に設けられており、ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接して設けられた第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接して設けられた第3の領域とを有するヒューズ素子と、
    前記ヒューズ素子の上に設けられた層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第2の領域と接する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと、
    前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第3の領域と接する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグと、
    前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接続される第1の配線と、
    前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第2のコンタクトプラグと接続される第2の配線とを備え、
    前記第2のコンタクトプラグの平面積の合計が、前記第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項6に記載の半導体装置であって、
    前記第2のコンタクトプラグの数は、前記第1のコンタクトプラグの数よりも多いことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項6または7に記載の半導体装置であって、
    前記第2のコンタクトプラグの1つあたりの平面積は、前記第1のコンタクトプラグの1つあたりの平面積よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項6〜8のうちいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記第1のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第1の距離は、前記第2のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第2の距離よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項9に記載の半導体装置であって、
    前記第1のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第1の距離は、前記第1のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値であり、
    前記第2のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第2の距離は、前記第2のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値であることを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項6〜10のうちいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記第1の領域の幅は、前記第2の領域および前記第3の領域の幅よりも狭いことを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項6〜11のうちいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記半導体基板の上に設けられた素子分離絶縁膜と、
    前記半導体基板において側方を前記素子分離絶縁膜によって囲まれる領域の上に設けられたゲート絶縁膜および前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極を有するMISトランジスタとをさらに備え、
    前記ヒューズ素子と前記ゲート電極とは、同じ導電体材料で構成されていることを特徴とする半導体装置。
  13. 半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、
    前記絶縁膜の上に設けられており、ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接して設けられた第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接して設けられた第3の領域とを有するヒューズ素子と、
    前記ヒューズ素子の上に設けられた層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第2の領域と接する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと、
    前記層間絶縁膜を貫通し、前記ヒューズ素子における前記第3の領域と接する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグと、
    前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接続される第1の配線と、
    前記層間絶縁膜の上に設けられ、前記第2のコンタクトプラグと接続される第2の配線とを備え、
    前記第1のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第1の距離は、前記第2のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第2の距離よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  14. 請求項13に記載の半導体装置であって、
    前記第1のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第1の距離は、前記第1のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値であり、
    前記第2のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第2の距離は、前記第2のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値であることを特徴とする半導体装置。
  15. 請求項1〜14のうちいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記ヒューズ素子は、ポリシリコン膜からなることを特徴とする半導体装置。
  16. ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接続される第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接続される第3の領域とを有するヒューズ素子を備えた半導体装置の製造方法であって、
    半導体基板の上に第1の絶縁膜を形成する工程(a)と、
    前記半導体基板の上に、前記第1の絶縁膜よりも膜厚の薄い第2の絶縁膜を前記第1の絶縁膜に隣接させて形成する工程(b)と、
    前記工程(a)および前記工程(b)の後に、前記第1の絶縁膜の上及び前記第2の絶縁膜の上に亘る前記ヒューズ素子を形成する工程(c)と、
    前記工程(c)の後に、前記ヒューズ素子の上に層間絶縁膜を形成する工程(d)と、
    前記工程(d)の後に、前記層間絶縁膜を貫通して、前記第2の領域に到達する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと前記第3の領域に到達する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグとを形成する工程(e)と、
    前記工程(e)の後に、前記層間絶縁膜の上に、前記第1のコンタクトプラグに到達する第1の配線と、前記第2のコンタクトプラグに到達する第2の配線とを形成する工程(f)とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  17. 請求項16に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記工程(c)では、前記第1の領域の幅が、前記第2の領域および前記第3の領域の幅よりも狭い前記ヒューズ素子を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  18. 請求項16または17に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記工程(c)では、前記第2の領域全体が前記第1の絶縁膜の上に配置し、前記第3の領域の少なくとも一部が前記第2の絶縁膜の上に配置するように前記ヒューズ素子を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  19. ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接続される第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接続される第3の領域とを有するヒューズ素子を備えた半導体装置の製造方法であって、
    半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程(a)と、
    前記工程(a)の後に、前記絶縁膜の上に前記ヒューズ素子を形成する工程(b)と、
    前記工程(b)の後に、前記ヒューズ素子の上に層間絶縁膜を形成する工程(c)と、
    前記工程(c)の後に、前記層間絶縁膜を貫通して、前記第2の領域に到達する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと前記第3の領域に到達する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグとを形成する工程(d)と、
    前記工程(d)の後に、前記層間絶縁膜の上に、前記第1のコンタクトプラグに到達する第1の配線と、前記第2のコンタクトプラグに到達する第2の配線とを形成する工程(e)とを備え、
    前記工程(d)では、前記第2のコンタクトプラグの平面積の合計を、前記第1のコンタクトプラグの平面積の合計よりも大きくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  20. 請求項19に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記工程(d)では、前記第2のコンタクトプラグを、前記第1のコンタクトプラグよりも多く形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  21. 請求項19または20に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記工程(d)では、前記第2のコンタクトプラグの1つあたりの平面積を、前記第1のコンタクトプラグの1つあたりの平面積よりも大きくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  22. 請求項19〜21のうちいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記工程(d)では、前記第1のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第1の距離を、前記第2のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第2の距離よりも大きくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  23. 請求項22に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記工程(d)では、前記第1のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第1のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値を前記第1の距離とし、前記第2のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第2のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値を前記第2の距離とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  24. 請求項19〜23のうちいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記工程(b)では、前記第1の領域の幅が、前記第2の領域および前記第3の領域の幅よりも狭い前記ヒューズ素子を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  25. ヒューズ部となる第1の領域と、前記第1の領域の一方側に接続される第2の領域と、前記第1の領域の他方側に接続される第3の領域とを有するヒューズ素子を備えた半導体装置の製造方法であって、
    半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程(a)と、
    前記工程(a)の後に、前記絶縁膜の上に前記ヒューズ素子を形成する工程(b)と、
    前記工程(b)の後に、前記ヒューズ素子の上に層間絶縁膜を形成する工程(c)と、
    前記工程(c)の後に、前記層間絶縁膜を貫通して、前記第2の領域に到達する少なくとも1つの第1のコンタクトプラグと前記第3の領域に到達する少なくとも1つの第2のコンタクトプラグとを形成する工程(d)と、
    前記工程(d)の後に、前記層間絶縁膜の上に、前記第1のコンタクトプラグに到達する第1の配線と、前記第2のコンタクトプラグに到達する第2の配線とを形成する工程(e)とを備え、
    前記工程(d)では、前記第1のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第1の距離を、前記第2のコンタクトプラグから前記第1の領域までの距離である第2の距離よりも大きくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  26. 請求項25に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記工程(d)では、前記第1のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第1のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値を前記第1の距離とし、前記第2のコンタクトプラグが複数設けられている場合には、前記第2のコンタクトプラグのそれぞれから前記第1の領域までの距離の平均値を前記第2の距離とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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