JP2007134558A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気ヒューズの保持特性を高める。
【解決手段】半導体装置１００は、半導体基板（不図示）と、該半導体基板上に設けられ、直列に接続された第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４を含む電気ヒューズ２００と、第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４の間に設けられた端子２０５と、を備える。第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４は、切断するのに必要な電流値が異なるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、とくに電気ヒューズを含む半導体装置およびその製造方法に関する。

従来、半導体装置にヒューズを搭載しておき、ヒューズを切断することにより半導体装置で使用する抵抗の値を調整したり、不良素子を切り離して正常素子に置き換える等の処理を行う技術が知られている。

ヒューズの切断方法の一つとして、ヒューズの被切断部位にレーザ照射を行う方式がある。特許文献１には、レーザ照射により切断されるヒューズにおいて生じる以下の問題を解決する技術が開示されている。すなわち、半導体装置のデザインルールが微細化するに伴い、切断される配線も微細化されている。そのため、ヒューズ配線を切断するためのレーザリペア装置のレーザ照射のための位置決め精度も高い精度のものが要求される。しかし、新しい世代の製品に新しい装置を用いていたのでは、製造コストは上昇する一方である。特許文献１では、一世代前の位置決め精度の高くないレーザリペア装置を用いて、確実にヒューズ配線を切断する手法を提供するため、１つの内部回路を切り替えるために切断される配線が複数本設けられ、複数の配線のどれか１本でも切断されれば、回路が切り替わる回路構成が提案されている。これにより、レーザ光線の切断される配線への照射位置ずれによる切断不良により、回路切り替え不良の発生を低減することができるとされている。

一方、レーザ照射によりヒューズを切断する方式とは異なるものとして、ヒューズを電流により切断する方式が知られている（特許文献２、特許文献３）。特許文献２には、より小さい電流により溶断可能なヒューズが開示されている。特許文献２において、ヒューズを構成する導電体が複数回折り返す形状に形成されている。

また、特許文献３には、ヒューズのうち、溶断させる部分をプレートで囲むことにより、ヒューズに電流を流したときにヒューズの溶断部に発生する熱をヒューズの溶断部近傍に閉じこめたり蓄積するようにした構成が開示されている。
特開平１１−２９７８３７号公報 特開２００５−３９２２０号公報 特開２００５−５７１８６号公報

電流によりヒューズを切断するヒューズ（Ｅヒューズ、以下電気ヒューズという。）では、電気ヒューズに所定の電流を流すことにより電気ヒューズが切断されるため、レーザ照射でヒューズを切断する方式において生じるような位置決め精度の問題は生じない。

しかし、電気ヒューズにおいて、カット歩留まりの向上が求められる。また、電気ヒューズにおいて、新たな課題が生じ得ることが見出された。

電気ヒューズにおいて、電気ヒューズ切断後に熱処理が行われると、その際に切断箇所で再接続が生じる可能性がある。とくにエレクトロマイグレーションにより移動する材料を用いて電気ヒューズを構成した場合、電気ヒューズ切断後に半導体装置に熱処理が施されると、材料がエレクトロマイグレーションの影響で移動して切断箇所で再接続が生じる可能性が考えられる。もし、このような再接続が生じてしまうと、切断対象の電気ヒューズを切断しておいても、その電気ヒューズが切断されているか否かを検知する際に、正しい結果が得られないことになる。

以上のような再接続や再切断が生じる可能性はそれほど高くなく、通常の動作に用いる分には問題はないと考えられるが、半導体装置の信頼性が非常に高度に要求される場合や過酷な条件下で使用される場合等は、切断された電気ヒューズが切断状態を保持する保持特性をより高める必要がある。

本発明によれば、
半導体基板と、
該半導体基板上に設けられ、直列に接続された第１のヒューズリンクおよび第２のヒューズリンクを含む電気ヒューズと、
前記第１のヒューズリンクおよび前記第２のヒューズリンクの間に設けられた端子と、
を備え、
前記第１のヒューズリンクおよび前記第２のヒューズリンクは、切断するのに必要な電流値が異なるように構成された半導体装置が提供される。

電気ヒューズとは、電流または電圧により切断されるヒューズのことである。ヒューズリンクとは、電気ヒューズにおける被切断部位のことである。ここで、電気ヒューズが切断されているか否かは、直列に接続された２つのヒューズリンクが切断されているか否かに応じて判定される構成となっている。

本発明の半導体装置において、電気ヒューズに含まれる２つのヒューズリンクが直列に接続された構成となっているので、電気ヒューズにおいて、２つのヒューズリンクを通過した電流を検知することができる。これにより、２つのヒューズリンクのうち、一方が再接続してしまった場合でも、他方が切断されたままの状態であれば、電気ヒューズが切断されていると検知されるようにすることができる。このような構成とすることにより、１つのヒューズリンクしか有しない電気ヒューズに比べて、再接続率を二乗単位で大幅に低減することができる。ここで、再接続率とは、切断された電気ヒューズにおいて、ヒューズリンクが再接続することにより、その電気ヒューズが接続されていると検知されてしまう可能性のことである。そのため、半導体装置において、電気ヒューズの保持特性を高めることができる。

本発明では、特許文献１に記載された技術とは異なり、電気ヒューズにおける再接続率を大幅に低減し、保持特性を高めることを目的としている。電気ヒューズの切断時に、２つのヒューズリンクのうちのいずれか一方しか切断されていなかった場合、その電気ヒューズの再接続率を低減することができない。そのため、再接続率を低減するためには、電気ヒューズ切断時には、２つのヒューズリンクをそれぞれ切断する必要がある。２つのヒューズリンクを直列に接続した構成において、電気ヒューズに電流を流してヒューズリンクを切断する際、一方のヒューズリンクが切断されると、電気ヒューズに電流が流れなくなってしまう。そのため、いずれか一方のヒューズリンクが切断された場合でも、他方のヒューズリンクに電流を流すことができるような構成とする必要がある。

本発明において、２つのヒューズリンクの切断のされやすさが異なる。そのため、切断されやすい方のヒューズリンクを切断する際は、切断されにくい方のヒューズリンクを配線として用いて、当該ヒューズリンクを介して電源線からの電流を切断されやすいヒューズリンクに流して切断することができる。また、第１のヒューズリンクと第２のヒューズリンクの間には端子が設けられているため、切断されにくい方のヒューズリンクを切断するときには端子を用いて切断されにくい方のヒューズリンクにのみ電圧を印加して切断することができる。これにより、簡易な構成で、２つのヒューズリンクを独立に切断することができる。また、電気ヒューズのカット歩留まりを高めることができる。

本発明によれば、
半導体基板の上部に設けられ、直列に接続された第１のヒューズリンクおよび第２のヒューズリンクを含む電気ヒューズを備え、
前記第１のヒューズリンクを介して前記第２のヒューズリンクに第１の電流を流して前記第２のヒューズリンクを切断する工程と、
前記第１の電流よりも電流値が高い第２の電流を前記第１のヒューズリンクに流して前記第１のヒューズリンクを切断する工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。

ここで、第１のヒューズリンクを切断する工程は、第２のヒューズリンクを切断する工程の後に行われる。このように段階的にヒューズリンクを切断することにより、一つの電源供給源により、２つのヒューズリンクを独立に切断することができる。

本発明によれば、電気ヒューズの保持特性を高めることができる。

図１は、本実施の形態における電気ヒューズを含む半導体装置の構成を示す回路図である。
本実施の形態において、半導体装置１００は、半導体基板（不図示）と、半導体基板上に形成された絶縁膜（不図示）と、その上に形成された電気ヒューズ２００と、電気ヒューズ２００の一端に接続された電源線２２０と、電気ヒューズ２００の他端に接続された判定回路２１０とを含む。本実施の形態において、判定回路２１０は、切断するトランジスタの制御回路の機能も有する。

電気ヒューズ２００は、互いに直列に接続された第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４を含む。第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４は、いずれも導電性材料により構成され、それぞれ所定の電流値を超える電流が流れたときに切断されるように構成される。

第１のヒューズリンク２０２と第２のヒューズリンク２０４との間には、端子２０５が設けられる。半導体装置１００は、第１のトランジスタ２０６および第２のトランジスタ２０８をさらに含む。第１のトランジスタ２０６は、ゲート電極が判定回路２１０に接続されるとともに、ソース・ドレイン電極の一方が端子２０５に接続され、他方が接地される。第２のトランジスタ２０８は、ゲート電極が判定回路２１０に接続されるとともに、ソース・ドレイン電極の一方が第２のヒューズリンク２０４の端子２０５とは反対側の一端に接続され、他方が接地される。

第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４は、切断するのに必要な電流値が異なるように構成される。本実施の形態において、第１のヒューズリンク２０２の方が第２のヒューズリンク２０４よりも切断されにくい構成とすることができる。つまり、第１のヒューズリンク２０２は、第２のヒューズリンク２０４よりも切断するのに必要な電流値が高い構成とされる。このような構成により、第２のヒューズリンク２０４を切断する際に、第１のヒューズリンク２０２を第２のヒューズリンク２０４に電流を流すための配線として機能させることができる。その後、第１のヒューズリンク２０２を切断する際には、第１のヒューズリンク２０２に独立に電圧を印加して電流を流すことができ、第１のヒューズリンク２０２を切断することができる。これにより、電源線２２０から供給される電流により、第１のヒューズリンク２０２と第２のヒューズリンク２０４とを独立に確実に切断することができる。

たとえば、第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４は、異なる材料により構成することができる。この場合、第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４は、同じ形状を有するようにしてもよく、異なる形状を有するようにしてもよい。

たとえば、第１のヒューズリンク２０２を銅を主成分として含む銅含有金属膜により構成するとともに、第２のヒューズリンク２０４をポリシリコン膜により構成することができる。これにより、第１のヒューズリンク２０２が第２のヒューズリンク２０４よりも切断されにくいようにすることができる。ここで、銅含有金属膜は、銀を含むことができる。さらに、銅含有金属膜は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、または、Ｓｎから選択される一又は二以上の異種元素を含む構成とすることもできる。また、第２のヒューズリンク２０４は、ポリシリコン膜の表面に高融点金属膜やシリサイド膜が形成された構成とすることもできる。たとえば、第２のヒューズリンク２０４は、ポリシリコン膜の表面にコバルトシリサイド膜が形成された構成とすることができる。

また、たとえば、第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４は、異なる形状を有するようにすることができる。たとえば、第１のヒューズリンク２０２は、第２のヒューズリンク２０４よりも幅を太く、長さを短くすることができる。これにより、第１のヒューズリンク２０２が第２のヒューズリンク２０４よりも切断されにくいようにすることができる。この場合、第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４は、同じ材料により構成してもよく、異なる材料により構成してもよい。

次に、図２を参照して、このように構成された電気ヒューズ２００を電流により切断する手順を説明する。電気ヒューズ２００は、第１のヒューズリンク２０２を介して第２のヒューズリンク２０４のヒューズリンクに第１の電流を流して第２のヒューズリンク２０４を切断する工程と、第１の電流よりも電流値が高い第２の電流を第１のヒューズリンク２０２に流して第１のヒューズリンク２０２を切断する工程とにより切断される。

後述するように、半導体装置１００は、複数の電気ヒューズ２００を含むことができる。判定回路２１０の制御により、切断対象の電気ヒューズ２００が適宜選択される。本実施の形態において、切断対象として選択された電気ヒューズ２００においては、第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４がそれぞれ切断される。

ここで、電源線２２０は電源に接続されており、電源電圧Ｖｄｄが印加されている。まず、第２のトランジスタ２０８をオンとするとともに第１のトランジスタ２０６をオフとする。これにより、電源線２２０からの電流が第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４に流れる（図２（ａ））。これにより、切断されやすい方の第２のヒューズリンク２０４が切断される（図２（ｂ））。このとき、第１のヒューズリンク２０２は、第２のヒューズリンク２０４よりも切断されにくいので、第２のヒューズリンク２０４が切断されるまでは配線として機能する。第２のヒューズリンク２０４が切断されると電気ヒューズ２００に電流が流れなくなる。

つづいて、第１のトランジスタ２０６をオンにするとともに第２のトランジスタ２０８をオフとする。これにより、電源線２２０からの電流が第１のヒューズリンク２０２に電流が流れ（図２（ｃ））、第１のヒューズリンク２０２が切断される（図２（ｄ））。ここで、第１のヒューズリンク２０２を切断する際には、第２のヒューズリンク２０４を切断する際に流す電流値よりも高い電流値の電流を流すことができる。

以上の処理により、電気ヒューズ２００において、２つのヒューズリンクをそれぞれ確実に切断することができる。本実施の形態において、２つのヒューズリンクの切断のされやすさが異なる。そのため、一つの電源線からの電流を切断されにくい方のヒューズリンクを配線として用いて当該ヒューズリンクを介して他方の切断されやすいヒューズリンクに流して切断することができる。次いで、切断されにくい方のヒューズリンクに独立に電流を流すことにより、切断されにくいヒューズリンクを切断することができる。これにより、電流供給源を増やさなくても２つのヒューズリンクを切断することができ、簡易な構成で、２つのヒューズリンクを独立に切断することができる。

次に、図３を参照して、本実施の形態における電気ヒューズ２００の切断状態を判定する手順を説明する。
ここで、判定対象の電気ヒューズ２００に接続された判定回路２１０から所定の信号を出力するとともに、電源線２２０を接地する。この状態で、電源線２２０との導通を検出することにより、判定対象の電気ヒューズ２００が切断されているか否かを判定することができる。

本実施の形態における電気ヒューズ２００のように、第１のヒューズリンク２０２と第２のヒューズリンク２０４が直列に接続された構成とすることにより、第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４の少なくとも一方が切断されている場合には、電気ヒューズ２００が切断されていると判定される。そのため、電気ヒューズ２００の切断処理後の熱処理工程等において第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４の再接続が生じる可能性がある場合でも、電気ヒューズ２００の再接続率を二乗単位で低減することができる。また、本実施の形態において、電源線２２０に複数の電気ヒューズ２００が接続されている場合でも、各電気ヒューズ２００の切断状態を個別に判定することができる。

電気ヒューズ２００において、直列に接続された第１のヒューズリンク２０２と第２のヒューズリンク２０４とを独立に切断するためには、たとえば図６に示したように、第１のヒューズリンク２０２に電源電圧を印加するための電源線２２０に加えて、第２のヒューズリンク２０４側にさらに電源線２２１を追加した構成が考えられる。しかし、このような構成とすると、判定回路２１０により判定対象として切断された電気ヒューズ２００の切断状態を判定する場合でも、破線で示したように、電源線２２１を介して判定対象以外の切断されていない他の電気ヒューズ２００を介して電流が流れてしまい、正しい判定が行えないという問題が生じる。本実施の形態において、上述したように、第１のヒューズリンク２０２を配線として機能させて第２のヒューズリンク２０４を切断する方法を用いることにより、一つの電源供給源により２つのヒューズリンクを独立に切断することができる。これにより、判定回路２１０による判定も正確に行うことができる。

図４は、本実施の形態における半導体装置１００の構成を模式的に示す図である。
図４（ａ）は、半導体装置１００の上面図を部分的に示す図である。ここでは、第１のヒューズリンク２０２が銅含有金属膜により構成され、第２のヒューズリンク２０４がポリシリコン膜により構成された場合の例を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。半導体装置１００は、半導体基板１０２と、その上に形成されたフィールド絶縁膜１０４と、その上に形成された第２のヒューズリンク２０４と、その上に形成された層間絶縁膜（不図示）と、その上に形成された第１のヒューズリンク２０２とを含む。第２のヒューズリンク２０４は、ＭＯＳトランジスタのゲート電極と同じ層に、ゲート電極と同一工程で形成することができる。第２のヒューズリンク２０４と第１のヒューズリンク２０２とは、層間絶縁膜中に形成された第１のプラグ２３０を介して電気的に接続することができる。

また、図４（ａ）に示したように、電源線２２０は、銅含有金属膜により構成することができ、第１のヒューズリンク２０２と同じ層に形成することができる。第１のヒューズリンク２０２は、第２のプラグ２３２を介して第１のトランジスタ２０６のソース・ドレイン電極の一方に接続される。また、第２のヒューズリンク２０４は、第３のプラグ２３４を介して、第２のトランジスタ２０８のソース・ドレイン電極の一方に接続される。

以上のような構成とすると、第１のヒューズリンク２０２や第２のヒューズリンク２０４をＭＯＳトランジスタや電源線２２０等他の素子と同時に形成することができ、簡易な工程で電気ヒューズ２００を形成することができる。

他の例として、電気ヒューズ２００は、半導体基板上に設けられるものであればどのようなレベルに形成されてもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

以上の実施の形態においては、電気ヒューズ２００が２つのヒューズリンクを含む構成を示したが、電気ヒューズ２００は、３つ以上のヒューズリンクを含む構成とすることもできる。この場合も、各ヒューズリンクは、たとえば切断されにくい順に電源線に近い方から順に直列に接続され、トランジスタ等のスイッチ素子により、それぞれ独立に電圧印加可能に構成することができる。これにより、複数のヒューズリンクを含む電気ヒューズの各ヒューズリンクを確実に切断することができる。このような構成で、電気ヒューズ２００に含まれるヒューズリンクの数を増やすことにより、再接続率を大幅に低減することができる。

電気ヒューズ２００の第１のヒューズリンク２０２および第２のヒューズリンク２０４は、種々の形状に形成することができる。たとえば、第１のヒューズリンク２０２や第２のヒューズリンク２０４は、特許文献２や特許文献３に記載されたように、折り返し部分を有する構成とすることもできる。

また、以上の実施の形態において、電気ヒューズ２００のヒューズリンクを構成する材料として銅含有金属膜やポリシリコン膜を例として説明したが、これら以外の材料も適宜用いることができる。とくに、エレクトロマイグレーション等により再接続が生じるような材料によりヒューズリンクを構成した場合、本発明を適用することが有用である。

図５は、本発明の実施の形態における電気ヒューズのまた他の例を示す回路図である。
半導体装置１００は、図１に示した第１のトランジスタ２０６および第２のトランジスタ２０８にかえて、第３のトランジスタ２５０および第４のトランジスタ２５２を含む。この構成において、まず、第１のヒューズリンク２０２を切断する。第１のヒューズリンク２０２を切断する際には、第４のトランジスタ２５２をオンとするとともに第３のトランジスタ２５０をオフとする。これにより、第１のヒューズリンク２０２に電源線２２０からの電流が流れ、第１のヒューズリンク２０２が切断される。つづいて、第２のヒューズリンク２０４を切断する際には、第３のトランジスタ２５０および第４のトランジスタ２５２をオンとする。これにより、第３のトランジスタ２５０、第２のヒューズリンク２０４および第４のトランジスタ２５２の順に電源線２２０からの電流が流れ、第２のヒューズリンク２０４が切断される。

以上のように、電気ヒューズ２００を切断するための構成は種々の形態とすることができる。ただし、図５に示したような構成とすると、第２のヒューズリンク２０４を切断する際に、第３のトランジスタ２５０および第４のトランジスタ２５２を介して電流が流れるため、第３のトランジスタ２５０および第４のトランジスタ２５２の大きさを大きくする必要が生じる。そのため、半導体装置１００を微細化するという観点からは、図１に示した構成の方が好ましい。

本発明の実施の形態における電気ヒューズを含む半導体装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態において、電気ヒューズを切断する手順を説明する図である。 本発明の実施の形態において、電気ヒューズの接続状態を判定する手順を説明する図である。 本実施の形態における半導体装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態における電気ヒューズのまた他の例を示す回路図である。 ２つの電源線を用いて電気ヒューズを切断する構成を示す図である。

符号の説明

１００ 半導体装置
１０２ 半導体基板
１０４ フィールド絶縁膜
２００ 電気ヒューズ
２０２ 第１のヒューズリンク
２０４ 第２のヒューズリンク
２０５ 端子
２０６ 第１のトランジスタ
２０８ 第２のトランジスタ
２１０ 判定回路
２２０ 電源線
２２１ 電源線
２５０ 第３のトランジスタ
２５２ 第４のトランジスタ

Claims (9)

1. 半導体基板と、
   該半導体基板上に設けられ、直列に接続された第１のヒューズリンクおよび第２のヒューズリンクを含む電気ヒューズと、
   前記第１のヒューズリンクおよび前記第２のヒューズリンクの間に設けられた端子と、
   を備え、
   前記第１のヒューズリンクおよび前記第２のヒューズリンクは、切断するのに必要な電流値が異なるように構成された半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記半導体基板上に設けられた電流供給線と、
   前記端子に接続され、前記電流供給線から供給された電流を前記第１のヒューズリンクに選択的に流すスイッチ素子をさらに含み、
   前記第１のヒューズリンクは、前記第２のヒューズリンクよりも切断するのに必要な電流値が高くなるように構成された半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記第１のヒューズリンクは、前記電流供給線と前記端子との間に設けられた半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記半導体基板上に設けられた電流供給線と、
   ソース・ドレインのいずれか一方が前記端子に接続されるとともにソース・ドレインのいずれか他方が接地された第１のトランジスタと、
   ソース・ドレインのいずれか一方が前記第２のヒューズリンクの前記端子が設けられた側とは反対側の一端に接続されるとともにソース・ドレインのいずれか他方が接地された第２のトランジスタと、
   をさらに含み、
   前記第１のヒューズリンクは、前記電流供給線と前記端子との間に設けられるとともに、前記第２のヒューズリンクよりも切断するのに必要な電流値が高くなるように構成された半導体装置。
5. 請求項１から４いずれかに記載の半導体装置において、
   前記第１のヒューズリンクおよび第２のヒューズリンクは、異なる材料により構成された半導体装置。
6. 請求項１から５いずれかに記載の半導体装置において、
   前記第１のヒューズリンクおよび第２のヒューズリンクは、異なる形状を有する半導体装置。
7. 請求項１から６いずれかに記載の半導体装置において、
   前記第１のヒューズリンクは銅を主成分として含む銅含有金属膜により構成され、前記第２のヒューズリンクはポリシリコン膜により構成された半導体装置。
8. 半導体基板の上部に設けられ、直列に接続された第１のヒューズリンクおよび第２のヒューズリンクを含む電気ヒューズを備え、
   前記第１のヒューズリンクを介して前記第２のヒューズリンクに第１の電流を流して前記第２のヒューズリンクを切断する工程と、
   前記第１の電流よりも電流値が高い第２の電流を前記第１のヒューズリンクに流して前記第１のヒューズリンクを切断する工程と、
   を含む半導体装置の製造方法。
9. 請求項１から７いずれかに記載の半導体装置を製造する方法であって、
   前記第１のヒューズリンクを介して前記第２のヒューズリンクに電流を流して前記第２のヒューズリンクを切断する工程と、
   前記第１のヒューズリンクに電流を流して前記第１のヒューズリンクを切断する工程と、
   を含む半導体装置の製造方法。
   

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