JP2007305939A - 半導体装置および電気ヒューズの切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気ヒューズが中途半端に切断されると、切断動作をリトライできない。
【解決手段】電気ヒューズ２００は、半導体基板（不図示）上に形成された第１の配線３００および第２の配線３０２と、半導体基板上に形成されるとともに一端が第１の配線３００に接続して設けられ、第２の配線３０２を第１の配線３００から電気的に切断するヒューズリンク３０４と、半導体基板上に形成され、第１の配線３００の一端および他端にそれぞれ設けられたヒューズリンク切断用の電流流入端子３０６および電流流出端子３０８と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置および電気ヒューズの切断方法に関し、とくに電気ヒューズを含む半導体装置および電気ヒューズの切断方法に関する。

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には、ヒューズの一部にレーザを照射することによりヒューズを切断する方式や、ヒューズを電流により切断する方式が用いられている。

特許文献１〜３には、ヒューズを構成する材料がエレクトロマイグレーションにより移動する現象を用いて切断される電気ヒューズが開示されている。

特許文献２（特開２００５−３９２２０号公報）には、より小さい電流により切断可能なヒューズが開示されている。特許文献１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。図９は、特許文献２に開示されたヒューズを示す平面図である。ここで、ヒューズ１１００は２回折り返している。

ヒューズ１１００は、電流流入端子１１０１、電流流出端子１１０２、および両端子間に、第１往路直線部１１０３、復路直線部１１０４、第２往路直線部１１１３を有する。ヒューズ１１００はさらに、第１往路直線部１１０３と復路直線部１１０４とを結ぶ第１直角接続部１１０６および第２往路直線部１１１３と復路直線部１１０４とを結ぶ第２直角接続部１１０７を有する。上記のような構成のヒューズ１１００において、電流流入端子１１０１から電流流出端子１１０２に所定の電流を流すと、ヒューズ１１００の外側の斜線部１１０８で発生した熱が、ヒューズ１１００の内側の斜線部１１０９で発生する熱に加えられて、斜線部１１０９に挟まれる復路直線部１１０４の切断を加速させる。これにより、ヒューズ１１００が容易に切断される。

また、特許文献３（特開２００５−５７１８６号公報）には、ヒューズのうち、切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切断部に発生する熱をヒューズの切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。

特許文献４（特開２００４−１８６５９０号公報）には、半導体基板内または上方に、導電層および絶縁膜がこの順で形成され、絶縁膜を貫通し導電層の上面に達する接続孔が設けられた半導体装置が開示されている。当該半導体装置は、絶縁膜上に形成された平坦部と該平坦部に連続して接続孔の側面上と底面上とに形成され、上方に向けて縮径する形状の空洞部を画定する屈曲部とを含む配線層を備える。ここで、接続孔に形成された配線層の形状は屈曲しており、接続孔下部で薄くなっている。当該構造はヒューズ素子構造であり、厚さの薄い部分は抵抗が高くなるため、下部配線層と上層配線層との間の電気的接続を切断できる最小の電流値を小さくすることができる。このような構成により、小さい電流密度でも切断しやすいヒューズ素子構造と多層配線構造とを整合性良く形成することができるとされている。

特許文献５（特開２００４−２１４５８０号公報）には、ヒューズの切れ残り不良を低減して歩留まりや信頼性を向上するためのヒューズレイアウトが開示されている。図１０に、特許文献５に記載されたヒューズレイアウトを示す。高融点金属からなるバリアメタル層と主配線メタル層とを有する配線電極にて形成されるヒューズレイアウト１０１０において、直列に繋がれた複数の溶断型ヒューズ部１０１１および１０１２が形成される。また、ヒューズ部１０１１の一端にヒューズパッド１０１３、ヒューズ部１０１１とヒューズ部１０１２の接続部にヒューズパッド１０１４、ヒューズ部１０１２の他端にヒューズパッド１０１５が形成される。ヒューズ部１０１１に電流を流すためには、ヒューズパッド１０１３およびヒューズパッド１０１４間に電圧を印加する。ヒューズ部１０１２に電流を流すためには、ヒューズパッド１０１４およびヒューズパッド１０１５間に電圧を印加する。このようなヒューズレイアウト１０１０により、複数のヒューズ部の少なくとも１つが切断すれば，レイアウト全体として切断されたことになり、切れ残り不良率を大きく低減できる。
米国特許４０６４４９３号 特開２００５−３９２２０号公報 特開２００５−５７１８６号公報 特開２００４−１８６５９０号公報 特開２００４−２１４５８０号公報

上述したように、従来の電気ヒューズは、切断されるヒューズリンクの両端に電圧を印加してヒューズリンクに電流を流すことにより切断していた。しかし、ヒューズリンクに電流を流して切断する際に、ヒューズリンクが完全に切れずに切れ残りが生じることがあった。このようなヒューズリンクの切れ残りが生じると、電気ヒューズが中途半端な抵抗を有するようになる。そのため、本来切断されていなければならないのに判定回路でヒューズが切断されていないと判定されるという問題が生じていた。一方、電気ヒューズの抵抗が高くなるため、再度電流を流してヒューズリンクを切断しようとしても、切断するのに必要な電流を流すこともできないという問題があった。

本発明によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１の配線および第２の配線と、
前記半導体基板上に形成されるとともに一端が前記第１の配線に接続して設けられ、前記第２の配線を前記第１の配線から電気的に切断するヒューズリンクと、
前記半導体基板上に形成され、前記第１の配線の一端および他端にそれぞれ設けられた前記ヒューズリンク切断用の電流流入端子および電流流出端子と、
を含む半導体装置が提供される。

ここで、ヒューズリンクは、第１の配線の電流流入端子と電流流出端子との間の領域に一端が接続された構成とすることができる。すなわち、ヒューズリンクは、第１の配線から分岐したような構成とすることができる。ヒューズリンクは、切断前状態において、一端および他端がそれぞれ第１の配線および第２の配線に接続され、これらを電気的に接続する。一方、ヒューズリンクは、切断状態において、少なくとも一端が第１の配線に接続され、第１の配線と第２の配線とを電気的に切断する。なお、本発明において、電気ヒューズは、ヒューズリンク、第１の配線、電流流入端子、および電流流出端子により構成される。

第１の配線、第２の配線、およびヒューズリンクは、導電体により構成される。ヒューズリンクは、第１の配線よりも切断されやすい構成とすることができる。本発明において、電流流入端子と電流流出端子との間に電圧を印加して第１の配線に電流を流し、第１の配線を加熱して第１の配線を構成する導電体を変形させることにより、ヒューズリンクを構成する導電体を第１の配線の方向に移動させ、ヒューズリンクを切断する。

本発明者は、電気ヒューズの構成や電気ヒューズへの電圧印加方法等を制御することにより、電気ヒューズ切断時に、電気ヒューズの一部で電気ヒューズを構成する導電体を強制的に外方に流出させ、材料の移動・供給のバランスを崩すことにより、他の部分に大きな切断箇所を形成するという電気ヒューズの新たな切断手法を見出した。これにより、切断された電気ヒューズの切断状態を良好に保つことができる。本発明において、このような切断メカニズムを用いてヒューズリンクを切断する。すなわち、まず第１の配線に電圧を印加して第１の配線を構成する導電体を外方に流出させる。ここで、「外方」とは、切断前状態において第１の配線が形成されていた領域の外方とすることができ、たとえば、第１の配線が形成されていた配線溝外とすることができる。これに伴い、ヒューズリンクを構成する導電体が第１の配線の方向に吸い出され、ヒューズリンクに切断箇所が生じる。

このようにすれば、ヒューズリンクを切断するための電圧は、切断箇所となるヒューズリンクではなく、第１の配線に印加される。そのため、ヒューズリンクを切断するために電流流入端子と電流流出端子との間に一度電圧を印加して、ヒューズリンクが部分的に切断されて切れ残りが生じているような場合に、電流流入端子と電流流出端子との間に再度電圧を印加することにより、ヒューズリンク切断をリトライすることができる。すなわち、ヒューズリンクの切断状態においても、第１の配線は切断されない。そのため、第１の配線に、何度でも初回と同様の電圧を印加することができ、ヒューズリンクの切断を確実に行うことができる。

本発明によれば、
半導体基板上において、一端および他端がそれぞれ第１の配線および第２の配線に接続して設けられたヒューズリンクを含む電気ヒューズの切断方法であって、
前記第１の配線の両端に所定の電圧を印加して前記第１の配線に電流を流し、前記第１の配線を構成する導電体を当該第１の配線から外方に流出させるとともに、前記ヒューズリンクを構成する導電体を前記第１の配線の方向に移動させて、前記ヒューズリンクに空隙部を形成する電気ヒューズの切断方法が提供される。

このようにすれば、一度第１の配線の両端に電圧を印加して、ヒューズリンクが部分的に切断されて切れ残りが生じているような場合でも、第１の配線は切断されない。そのため、第１の配線に、何度でも初回と同様の電圧を印加することができ、ヒューズリンクの切断を確実に行うことができる。

また、本発明の電気ヒューズの切断方法によれば、切断状態において、電気ヒューズを構成する導電体を第１の配線から外方に流出させてヒューズリンクに空隙部を形成するため、切断箇所となる空隙部を大きく形成することができる。また、導電体が流出された箇所とは異なる箇所に空隙部が設けられるため、切断された電気ヒューズが再接続される可能性を大幅に低減することができる。これにより、切断された電気ヒューズの切断状態を良好に保つことができる。

また、本発明によれば、切断対象の電気ヒューズを選択する工程と、選択対象の電気ヒューズを上記電気ヒューズの切断方法により切断する工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、電気ヒューズの切断動作をリトライすることができる。

図１は、本実施の形態における電気ヒューズ２００の構成を示すレイアウト図である。
電気ヒューズ２００は、ヒューズリンク３０４、ヒューズリンク３０４の一端に接続された第１の配線３００、ならびに第１の配線３００の一端および他端にそれぞれ形成された電流流入端子３０６および電流流出端子３０８により構成される。ヒューズリンク３０４は、第１の配線３００と第２の配線３０２との間に設けられ、第１の配線３００および第２の配線３０２を電気的に接続または切断する。切断前状態において、ヒューズリンク３０４の他端は第２の配線３０２に接続されている。ここで図示していないが、ヒューズリンク３０４、第１の配線３００、電流流入端子３０６、電流流出端子３０８、および第２の配線３０２は、半導体基板上に形成される。

本実施の形態において、ヒューズリンク３０４は、電流流入端子３０６と電流流出端子３０８との間に電圧を印加して第１の配線３００に電流を流すことにより切断される。本実施の形態においては、第１の配線３００に電流を流し、第１の配線３００を加熱して第１の配線３００を構成する導電体を変形させることにより、ヒューズリンク３０４を構成する導電体を第１の配線３００の方向に移動させ、ヒューズリンク３０４を切断する。これにより、第２の配線３０２を第１の配線３００から電気的に切断することができる。

すなわち、本実施の形態における電気ヒューズ２００においては、ヒューズリンク３０４を切断する際に、切断対象のヒューズリンク３０４に電流を流すのではない。この点で、図１０に示した従来のヒューズレイアウト１０１０と異なる。従来は、切断対象のヒューズ部１０１１やヒューズ部１０１２に電流を流すことにより、これらを切断していた。しかし、本実施の形態における電気ヒューズ２００においては、切断対象のヒューズリンク３０４に電流を流すのではなく、ヒューズリンク３０４に接続されたヒューズリンク３０４とは異なる配線（第１の配線３００）に電流を流すことによりヒューズリンク３０４を切断している。すなわち、電流が流れる第１の配線３００は、切断状態においても切断されることがない。これにより、一度ヒューズリンク３０４の切断を試みてヒューズリンク３０４が部分的に切断された場合であっても、初回と同様の電流を第１の配線３００に流すことができる。すなわち、第１の配線３００に電流を流すことにより、何度でもヒューズリンク３０４の切断をリトライすることができる。

次に、本実施の形態における電気ヒューズ２００の切断メカニズムを説明する。本実施の形態において、電気ヒューズ２００は、「クラックアシスト型」で切断される。なお、クラックアシスト型で切断される電気ヒューズは、絶縁膜中に形成された構成とすることができる。本実施の形態において、電気ヒューズを構成する導電体は、銅を主成分として含む銅含有金属膜により構成することができる。また、導電体は、側壁や底面等がバリアメタル膜で覆われた構成とすることができる。

まず、クラックアシスト型で電気ヒューズを切断する動作を図２を参照して説明する。ここでは、わかりやすくするために、従来と同様、切断箇所にも電流が流れる構成の電気ヒューズ２０を示す。電気ヒューズ２０は、導電体６と、導電体６の両端に設けられた第１の端子２および第２の端子４とを有する。また、図示していないが、導電体６は、絶縁膜中に形成された構成とすることができる。

このような構成の電気ヒューズ２０において、第１の端子２と第２の端子４との間に所定の電流値を超える電流を流すと、導電体６が外方に流出してなる流出部１２が形成される。また、流出部１２の形成に伴い、導電体６が流出部１２の方向に急激に移動して、切断箇所１４が形成される。これにより電気ヒューズ２０が切断される。

このようにして電気ヒューズ２０を切断すると、電気ヒューズ２０の切断時に多量の導電体６が流出部１２に流れ込んでおり、切断箇所１４を大きくすることができる。これにより、切断箇所１４を充分大きく保つことができる。そのため、切断された電気ヒューズ２０において、再接続等が生じないようにすることができる。

しかし、図２に示した構成においては、切断箇所１４にも電流が流れる構成のため、第１の端子２と第２の端子４との間に電流を流して、中途半端に切断箇所１４が形成されてしまうと、再度第１の端子２と第２の端子４との間に電流を流して切断箇所１４を大きくしようとしても、充分大きな電流を流すことができず、リトライを行うことができなかった。本実施の形態においては、以上のような「クラックアシスト型」で電気ヒューズ２００を切断する際に、切断される箇所の構成を工夫することにより、切断動作のリトライが可能となるようしている。

図３は、本実施の形態における電気ヒューズ２００の構成を示す図である。図３（ａ）は切断前の状態、図３（ｂ）は切断状態をそれぞれ示す。電気ヒューズ２００は、絶縁膜（不図示）中に形成された構成とすることができる。
電気ヒューズ２００において、ヒューズリンク３０４は、第１の配線３００から分岐した構成とし、第１の配線３００の両端に電流流入端子３０６および電流流出端子３０８が設けられる。また、ヒューズリンク３０４は、第１の配線３００よりも切断されやすい構成とすることができる。たとえば、ヒューズリンク３０４は、第１の配線３００と第２の配線３０２とを接続するビアにより構成することができる。一例として、第２の配線３０２、ヒューズリンク３０４および第１の配線３００は、この順で積層された多層配線構造とすることができる。配線およびビアを構成する導電体は、銅を主成分として含む銅含有金属膜により構成することができる。さらに、配線およびビアは、少なくとも側壁がバリアメタル膜で覆われた構成とすることができる。

このような構成の電気ヒューズ２００は、以下の手順で切断される。
（１）電流流入端子３０６と電流流出端子３０８との間に高電圧を印加して、第１の配線３００に過剰なパワーを印加する。これにより、第１の配線３００を構成する導電体が加熱される。
（２）加熱された第１の配線３００を構成する導電体が膨張し、周囲の絶縁膜やバリアメタル膜にクラックが発生する。
（３）絶縁膜やバリアメタル膜のクラック中に第１の配線３００を構成する導電体が流出して流出部１４２が形成される。
（４）これに伴い、ヒューズリンク３０４を構成する導電体が流出部１４２の方向に吸い寄せられる。たとえばヒューズリンク３０４がビアにより構成されていると、ヒューズリンク３０４の体積が配線に比べて小さくなるため、ヒューズリンク３０４に選択的に空隙部１４０を形成することができる。これにより、ヒューズリンク３０４に切断箇所（空隙部１４０）が生じ、電気ヒューズ２００が切断される。

このようにすると、ヒューズリンク３０４に空隙部１４０が形成された場合でも、第１の配線３００には切断箇所が生じないため、電流流入端子３０６と電流流出端子３０８との間に電圧を印加することにより、第１の配線３００に電流を流すことができる。これにより、第１の配線３００に、何度でも初回と同様の電圧を印加することができ、ヒューズリンク３０４に確実に空隙部１４０を形成することができる。

次に、電気ヒューズ２００への電圧印加方法を説明する。
上述したように、本実施の形態において、第１の配線３００に過剰なパワーを印加して第１の配線３００に流出部１４２を形成するとともにヒューズリンク３０４に空隙部１４０を形成する。本実施の形態において、電流流入端子３０６と電流流出端子３０８との間には、たとえば２〜５Ｖ程度の電圧を印加する。これにより、電気ヒューズ２００に流出部１４２および空隙部１４０を形成するようにすることができる。

図４は、電気ヒューズ２００を含む回路構成を示す図である。
第１の配線３００の一端に設けられた電流流入端子３０６は電源線２２２に接続されている。第１の配線３００の他端に設けられた電流流出端子３０８はトランジスタ３１２のソース・ドレインの一方に接続されている。トランジスタ３１２のソース・ドレインの他方は接地される。ここで図示していないが、トランジスタ３１２のゲートは、切断対象の電気ヒューズ２００を選択する制御回路に接続される。

ヒューズリンク３０４の一端は第１の配線３００の電流流入端子３０６と電流流出端子３０８の間の領域に接続される。ヒューズリンク３０４の他端は第２の配線３０２を介して判定回路３１４に接続される。

また、図示していないが、半導体基板上には同様の構成の複数の電気ヒューズ２００が形成され、複数の電気ヒューズ２００が電源線２２２に接続される。そのため、電源線２２２には、浮遊容量２２４が付加された状態となる。このように構成された回路において、電気ヒューズ２００を切断する手順を説明する。

本実施の形態において、電源線２２２をオンとするとともに、切断対象の電気ヒューズ２００に接続されたトランジスタ３１２をオンとすることにより、電流流入端子３０６に電源電圧Ｖ_ＣＣが印加され、電流流出端子３０８が接地されて、第１の配線３００に電流が流れる。その結果、図３を参照して説明したように、第１の配線３００に流出部１４２が形成されるとともにヒューズリンク３０４に空隙部１４０が生じる。この場合、第１の配線３００は切断されないため、第１の配線３００に何度でも電流を流すことができ、切断動作のリトライを行うことができる。

このようにして切断された電気ヒューズ２００の切断状態を判定する手順を説明する。判定回路３１４から所定の信号を出力するとともに、電源線２２２を接地する。この状態で、電源線２２２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。

なお、電気ヒューズ２００を切断する際には、電源線２２２をオンとした状態で、トランジスタ３１２をオンとすることが好ましい。図５は、トランジスタ３１２のオンのタイミングと、電流流入端子３０６に付与される電位の状態を示す図である。図中、下の実線は、トランジスタ３１２のオンオフの状態を示し、上の実線は、電流流入端子３０６に付与される電位の状態を示す。電源線２２２をオンにした状態でトランジスタ３１２をオンとすると、トランジスタ３１２がオンとなったタイミングで一瞬の電圧降下が生じるが、その後すぐに電位はＶ_ＣＣとなる。そのため、トランジスタ３１２をオンとした時点で電流流入端子３０６と電流流出端子３０８との間に電圧値Ｖｃｃが印加され、その結果、第１の配線３００に過剰なパワーが印加されることになる。これにより、第１の配線３００を構成する導電体を外方に流出させて流出部１４２を形成するとともに大きな空隙部１４０を形成することができる。

次に、本実施の形態における電気ヒューズ２００の具体的な構成を説明する。本実施の形態においては、電気ヒューズ２００を多層配線構造により構成する。

図６は、本実施の形態における電気ヒューズ２００の構成を示す上面模式図である。図６（ａ）は切断前の状態、図６（ｂ）は切断状態をそれぞれ示す。ここでは絶縁膜は記載していないが、電気ヒューズ２００は、絶縁膜中に形成された構成とすることができる。
ここで、第２の配線３０２は下層配線１２２として形成される。第１の配線３００は上層配線１３４として形成される。電流流入端子３０６および電流流出端子３０８は、上層配線１３４と同じ上層に形成される。下層配線１２２と上層配線１３４とは、上層と下層との間の層に形成されたビア１２８により電気的に接続される。ヒューズリンク３０４は、ビア１２８により構成される。

電流流入端子３０６および電流流出端子３０８は、上層配線１３４よりも幅広に形成することができる。一例として、上層配線１３４の幅を０．１μｍ、電流流入端子３０６および電流流出端子３０８の幅を０．３μｍとすることができる。ただし、配線幅を広くすると放熱しやすくなるため、流出部を形成するための配線近傍に幅広の電流流入端子３０６および電流流出端子３０８を設けると、流出部が形成されづらくなり、電気ヒューズ２００が切断されづらくなるおそれがある。そのため、電流流入端子３０６および電流流出端子３０８を上層配線１３４より幅広に形成した場合、電流流入端子３０６および電流流出端子３０８は、流出部や切断箇所からある程度離れた位置に設けることができる。また、電流流入端子３０６および電流流出端子３０８は、上層配線１３４と同幅に形成することもできる。

本実施の形態において、上層配線１３４は、半導体基板の面内方向における断面形状において、屈折した屈折箇所を有する構成とすることができる。図６では、上層配線１３４が略直角に屈折した屈折箇所を有する例を示す。このような構成において、ビア１２８は、上層配線１３４の屈折箇所で上層配線１３４に接続された構成とすることができる。上層配線１３４に電流を流したときに、上層配線１３４を構成する導電体は、屈折箇所で加熱されやすくなる。そのため、屈折箇所付近に流出部１４２が形成されやすくなる。そのため、ビア１２８を上層配線１３４の屈折箇所で接続させることにより、ビア１２８から導電体を吹き出させやすくでき、ビア１２８に空隙部１４０を形成することができる。また、ビア１２８を上層配線１３４の屈折箇所で接続させることにより、ビア１２８を構成する導電体も加熱され、これによってもビア１２８から導電体を吹き出させやすくすることができる。

また、他の例として、上層配線１３４は、直線状に形成することもできる。この場合、上層配線１３４に電流を流したときに、上層配線１３４を構成する導電体は、中心部で加熱されやすくなる。そのため、ビア１２８を上層配線１３４の中心部で接続させることができる。これにより、ビア１２８に空隙部１４０を形成することができる。上層配線１３４は、種々の形状とすることができるが、いずれの場合も、上層配線１３４に電流を流したときに、最も加熱されやすい箇所にビア１２８を接続することが好ましい。

これにより、上層配線１３４において、ビア１２８との接続箇所近傍で導電体が外方へ流出しやすくなる。そのため、上層配線１３４に流出部１４２が形成されるとともにビア１２８を構成する導電体が流出部１４２の方向に吸い上げられ、ビア１２８部分に空隙部が形成される。

図７は、図６のＡ−Ａ’断面図の一例を示す図である。
図７（ａ）は切断前の半導体装置１００、図７（ｂ）は切断後の半導体装置１００の構成を示す断面図である。ここでは、シングルダマシン構造の配線構造を示す。

図７（ａ）に示すように、半導体装置１００は、半導体基板（不図示）と、半導体基板上に、以下の順で形成された第１のエッチング阻止膜１０２、第１の層間絶縁膜１０４、第１の保護膜１０６、第２のエッチング阻止膜１０８、第２の層間絶縁膜１１０、第３のエッチング阻止膜１１２、第３の層間絶縁膜１１４、第２の保護膜１１６および第４のエッチング阻止膜１１８を含む。

切断前状態において、電気ヒューズ２００は、下層配線１２２、下層配線１２２に電気的に接続されたビア１２８、およびビア１２８に電気的に接続された上層配線１３４を含む。ここで、下層配線１２２は、第１のエッチング阻止膜１０２、第１の層間絶縁膜１０４および第１の保護膜１０６内に形成される。また、ビア１２８は、第２のエッチング阻止膜１０８、第２の層間絶縁膜１１０および第３のエッチング阻止膜１１２内に形成される。また、上層配線１３４は、第３のエッチング阻止膜１１２、第３の層間絶縁膜１１４および第２の保護膜１１６内に形成される。

下層配線１２２、ビア１２８、および上層配線１３４は、導電体により構成される。導電体は、銅を主成分として含む銅含有金属膜により構成することができる。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、Ａｌ、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。銅含有金属膜は、たとえばめっき法により形成することができる。また、銅含有金属膜の表面は、たとえばシリサイド膜が形成された構成とすることもできる。

さらに、下層配線１２２、ビア１２８、および上層配線１３４の側面および底面には、それぞれ、これらに接してこれらを覆うように設けられた第１のバリアメタル膜１２０、第２のバリアメタル膜１２６、および第３のバリアメタル膜１３２が形成されている。バリアメタル膜は、高融点金属を含む構成とすることができる。第１のバリアメタル膜１２０、第２のバリアメタル膜１２６、および第３のバリアメタル膜１３２は、たとえば、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ等により構成することができる。

つまり、切断前の状態において、下層配線１２２とビア１２８との間には、第２のバリアメタル膜１２６がこれらに接して設けられる。また、ビア１２８と上層配線１３４との間には、第３のバリアメタル膜１３２がこれらに接して設けられる。

第１の層間絶縁膜１０４および第３の層間絶縁膜１１４は、ＳｉＯＣ等の低誘電率膜により構成することができる。低誘電率膜としては、ＳｉＯＣの他に、ＨＳＱ（ハイドロジェンシルセスキオキサン）、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）、またはＭＨＳＱ（メチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン）等のポリハイドロジェンシロキサン、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）、ジビニルシロキサンービスーベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、またはＳｉｌｋ（登録商標）等の芳香族含有有機材料、ＳＯＧ、ＦＯＸ(ｆｌｏｗａｂｌｅ ｏｘｉｄｅ)、サイトップ、またはＢＣＢ（Ｂｅｎｓｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）等を用いることもできる。また、低誘電率膜としては、これらのポーラス膜を用いることもできる。第１の層間絶縁膜１０４および第３の層間絶縁膜１１４は、同じ材料により構成しても、異なる材料により構成してもいずれでもよい。

また、第２の層間絶縁膜１１０は、第１の層間絶縁膜１０４や第３の層間絶縁膜１１４について上述したのと同様の材料により構成することができる。ただし、第２の層間絶縁膜１１０は、第１の層間絶縁膜１０４や第３の層間絶縁膜１１４との関係において、第１の層間絶縁膜１０４や第３の層間絶縁膜１１４よりもかたい材料により構成することが好ましい。たとえば、第２の層間絶縁膜１１０は、第１の層間絶縁膜１０４や第３の層間絶縁膜１１４よりもヤング率の高い材料により構成することができる。このような構成とすることにより、配線部分に流出部１４２を形成しやすくすることができるとともに、ビア１２８に空隙部１４０を形成しやすくすることができる。

一例として、ビア１２８が形成される第２の層間絶縁膜１１０をＳｉＯＣ（Black Diamond）により構成し、上層配線１３４が形成される第３の層間絶縁膜１１４をＳｉＯＣ（Aurora）により構成することができる。ここで、Black DiamondおよびAuroraはいずれもＳｉＯＣのポーラス膜であるが、Auroraの方がBlack Diamondよりも比誘電率が低く、膜密度が低く、柔らかい膜である。

なお、このような構成に限られず、第２の層間絶縁膜１１０は、第１の層間絶縁膜１０４や第３の層間絶縁膜１１４と同じ材料により構成してもよい。この場合も、上層配線１３４は電流印加により自己発熱し膨張量が大きいことに対して、ビア１２８は導体体積が小さく熱伝導による膨張量が小さいため、上層配線１３４に流出部１４２を、ビア１２８に空隙部１４０を選択的に形成することができる。

第２のエッチング阻止膜１０８および第４のエッチング阻止膜１１８は、ビアホールや配線溝を形成する際のエッチング阻止膜として機能するとともに、下層配線１２２や上層配線１３４を構成する銅の拡散を防止する機能を有する。また、本実施の形態において、電気ヒューズ２００の被覆膜としても機能する。第２のエッチング阻止膜１０８および第４のエッチング阻止膜１１８は、第１の層間絶縁膜１０４や第３の層間絶縁膜１１４よりもかたい材料により構成することができる。第２のエッチング阻止膜１０８および第４のエッチング阻止膜１１８は、第１の層間絶縁膜１０４や第３の層間絶縁膜１１４よりもヤング率の高い材料により構成することができる。第２のエッチング阻止膜１０８および第４のエッチング阻止膜１１８は、たとえば、ＳｉＣＮ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＦまたはＳｉＯＮ等により構成することができる。

第１の保護膜１０６および第２の保護膜１１６は、下層配線１２２および上層配線１３４をそれぞれＣＭＰにより研磨する際に、第１の層間絶縁膜１０４および第３の層間絶縁膜１１４を保護する機能を有する。第１の保護膜１０６および第２の保護膜１１６は、たとえば、ＳｉＯ_２膜により構成することができる。

第１のエッチング阻止膜１０２および第３のエッチング阻止膜１１２は、第２のエッチング阻止膜１０８および第４のエッチング阻止膜１１８と同様の材料により構成することができる。また、ここでは図示していないが、第１のエッチング阻止膜１０２および第３のエッチング阻止膜１１２は、第２のエッチング阻止膜１０８および第４のエッチング阻止膜１１８と同様の材料により構成された第１の絶縁膜と、その上に形成され第１の保護膜１０６および第２の保護膜１１６と同様の材料に構成された第２の絶縁膜との積層膜とすることもできる。

なお、以上の構成の下層配線１２２、ビア１２８、および上層配線１３４等は、通常の多層配線構造と同工程で形成することができる。これにより、特別な工程を追加することなく、電気ヒューズ２００を形成することができる。

以上により、たとえば上層配線１３４の周囲が第３のバリアメタル膜１３２および第４のエッチング阻止膜１１８等の被覆膜で覆われ、さらにその周囲に被覆膜よりも柔らかい材料である第３の層間絶縁膜１１４が形成された構成とすることができる。

次に、このような構成の電気ヒューズ２００を切断する手順を説明する。
電流流入端子３０６と電流流出端子３０８との間に所定の電圧を印加して上層配線１３４に過剰なパワーが印加されると、上層配線１３４を構成する導電体が膨張して、柔らかい膜である第３の層間絶縁膜１１４の方向に膨張する。導電体の膨張に伴い、第３のバリアメタル膜１３２等にクラックが生じ、上層配線１３４を構成する導電体がクラックから第３の層間絶縁膜１１４中に流出する。つまり、上層配線１３４を構成する導電体が、配線溝外部に流出する。これにより、図７（ｂ）に示すように、流出部１４２が形成される。

さらに、導電体が流出部１４２の方向に急激に移動するため、導電体の移動が追いつかなかった箇所で導電体が切断される。本実施の形態において、ビア１２８部分で導電体が切断され、空隙部１４０が形成される。このようなメカニズムにより、流出部１４２と空隙部１４０とを離れた箇所に形成することができる。また、上層配線１３４は切断されないため、ビア１２８に空隙部１４０が形成された後でも、何度でも上層配線１３４に電流を流すことができ、切断動作をリトライすることができる。

また、本実施の形態において、ビア１２８と下層配線１２２との間に第２のバリアメタル膜１２６が設けられているため、第２のバリアメタル膜１２６が下層配線１２２から剥離しやすく、第２のバリアメタル膜１２６と下層配線１２２との間に空隙部１４０が形成されやすくなる。

さらに、切断状態において、ビア１２８を構成する導電体が第２のバリアメタル膜１２６とともに移動して第２のバリアメタル膜１２６と下層配線１２２との間に空隙部１４０が形成される。そのため、この後の工程で熱処理等が行われても、第２のバリアメタル膜１２６が銅含有金属膜により構成された導電体が再び移動して下層配線１２２との間で再接続が生じるのを防ぐことができる。これにより、半導体装置１００の耐熱性を向上することができる。流出部１４２と空隙部１４０との間には、第２のバリアメタル膜１２６と第３のバリアメタル膜１３２が二重で形成されるため、導電体の移動をより阻止することができる。

なお、以上では、第３のバリアメタル膜１３２等にクラックが生じる例を説明したが、上層配線１３４が加熱されて膨張すると、第４のエッチング阻止膜１１８が上層配線１３４や第２の保護膜１１６から剥離して、これらの間に隙間が生じることもある。この場合、隙間部分に上層配線１３４を構成する導電体が流れ込み、流出部１４２が形成される。この場合でも、導電体が流出部１４２の方向に移動することにより、ビア１２８部分に空隙部１４０が形成される。

図８は、図６のＡ−Ａ’断面図の他の例を示す図である。
図８（ａ）は切断前の半導体装置１００、図８（ｂ）は切断後の半導体装置１００の構成を示す断面図である。

ここでは、配線構造がデュアルダマシン構造を有する点で図７に示した例と異なる。図６の上層配線１３４およびビア１２８がそれぞれ上層配線１５２およびビア１５１に対応する。また、ビア１５１（ヒューズリンク３０４）と上層配線１５２（第１の配線３００）とがデュアルダマシン配線１５４として一体に形成される。ビア１５１は、第２のエッチング阻止膜１０８、第２の層間絶縁膜１１０および第３のエッチング阻止膜１１２内に形成される。また、上層配線１５２は、第３のエッチング阻止膜１１２、第３の層間絶縁膜１１４および第２の保護膜１１６内に形成される。

ビア１５１および上層配線１５２も、ビア１２８および上層配線１３４と同様の材料により構成することができる。また、デュアルダマシン配線１５４は、側面および底面が第５のバリアメタル膜１５０で覆われた構成を有する。第５のバリアメタル膜１５０も第２のバリアメタル膜１２６や第３のバリアメタル膜１３２等と同様の材料により構成することができる。切断前の状態において、ビア１５１と下層配線１２２との間には、第５のバリアメタル膜１５０がこれらに接して設けられる。

以上のような構成の電気ヒューズ２００において、上層配線１５２に過剰なパワーが印加されると、上層配線１５２を構成する導電体が膨張して、柔らかい膜である第３の層間絶縁膜１１４の方向に膨張する。導電体の膨張に伴い、第５のバリアメタル膜１５０等にクラックが生じ、上層配線１５２を構成する導電体が第３の層間絶縁膜１１４中に流出する。これにより、図８（ｂ）に示すように、流出部１４２が形成される。

さらに、導電体が流出部１４２の方向に急激に移動するため、導電体の移動が追いつかなかった箇所で導電体が切断される。本実施の形態において、ビア１５１部分で導電体が切断され、空隙部１４０が形成される。また、本実施の形態において、ビア１５１と下層配線１２２との間に第５のバリアメタル膜１５０が設けられているため、第５のバリアメタル膜１５０が下層配線１２２から剥離しやすく、第５のバリアメタル膜１５０と下層配線１２２との間に空隙部１４０が形成されやすくなる。

さらに、切断状態において、ビア１５１を構成する導電体が第５のバリアメタル膜１５０とともに移動して第５のバリアメタル膜１５０と下層配線１２２との間に空隙部１４０が形成される。そのため、この後の工程で熱処理等が行われても、第５のバリアメタル膜１５０が銅含有金属膜により構成された導電体が再び移動して下層配線１２２との間で再接続が生じるのを防ぐことができる。これにより、半導体装置１００の耐熱性を向上することができる。

以上のように、本実施の形態における電気ヒューズ２００を含む半導体装置１００によれば、電気ヒューズ２００が多層配線構造により構成されるため、積層方向に配置することができ、電気ヒューズの形成面積を低減することができる。

また、ビアが切断されるため、切断後の導電体の再接続確率を低減させることができる。

さらに、電気ヒューズ２００が一平面に形成されている場合、本来電気的に切断されているべき導電体間に流出部１４２がブリッジして形成されてしまうおそれがある。このようなことが起こると、たとえば切断した電気ヒューズが流出部１４２により接続されて切断歩留まり低下（切断後低抵抗）や切断後の抵抗変動（経時変化）等が生じる。本実施の形態において、切断箇所である空隙部１４０と流出部１４２とが異なる層に形成されるため、このようなブリッジの問題も防ぐことができる。

また、本実施の形態における電気ヒューズ２００によれば、ヒューズリンク３０４を切断するための電流が切断箇所とは異なる第１の配線３００に流れるため、何度でも切断動作のリトライを行うことができ、ヒューズリンク３０４を確実に切断することができる。

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。

以上の例においては、ヒューズリンク３０４がビアである場合を例として説明したが、たとえばヒューズリンク３０４は配線とすることもできる。この場合、たとえばヒューズリンク３０４の幅を第１の配線３００よりも狭くする等により、ヒューズリンク３０４が切断されやすいようにすることができる。

本発明の実施の形態における電気ヒューズの構成を示すレイアウト図である。 クラックアシスト型で電気ヒューズを切断する動作を示す図である。 本発明の実施の形態における電気ヒューズの構成を示す図である。 電気ヒューズを含む回路構成を示す図である。 トランジスタのオンのタイミングと、電流流入端子に付与される電位の状態を示す図である。 本発明の実施の形態における電気ヒューズの構成を示す上面模式図である。 図６のＡ−Ａ’断面図の一例を示す図である。 図６のＡ−Ａ’断面図の他の例を示す図である。 従来の電気ヒューズの一例を示す上面図である。 従来のヒューズレイアウトを示す図である。

符号の説明

２０ 電気ヒューズ
２ 第１の端子
４ 第２の端子
６ 導電体
１２ 流出部
１４ 切断箇所
１００ 半導体装置
１０２ 第１のエッチング阻止膜
１０４ 第１の層間絶縁膜
１０６ 第１の保護膜
１０８ 第２のエッチング阻止膜
１１０ 第２の層間絶縁膜
１１２ 第３のエッチング阻止膜
１１４ 第３の層間絶縁膜
１１６ 第２の保護膜
１１８ 第４のエッチング阻止膜
１２０ 第１のバリアメタル膜
１２２ 下層配線
１２６ 第２のバリアメタル膜
１２８ ビア
１３２ 第３のバリアメタル膜
１３４ 上層配線
１４０ 空隙部
１４２ 流出部
１５０ 第５のバリアメタル膜
１５１ ビア
１５２ 上層配線
１５４ デュアルダマシン配線
２００ 電気ヒューズ
２２２ 電源線
２２４ 浮遊容量
３００ 第１の配線
３０２ 第２の配線
３０４ ヒューズリンク
３０６ 電流流入端子
３０８ 電流流出端子
３１２ トランジスタ
３１４ 判定回路
１０１０ ヒューズレイアウト
１０１１ 溶断型ヒューズ
１０１２ 溶断型ヒューズ
１０１３ ヒューズパッド
１０１４ ヒューズパッド
１０１５ ヒューズパッド
１１００ ヒューズ
１１０１ 電流流入端子
１１０２ 電流流出端子
１１０３ 第１往路直線部
１１０４ 復路直線部
１１０６ 第１直角接続部
１１０７ 第２直角接続部
１１０８ 外側の斜線部
１１０９ 内側の斜線部
１１１３ 第２往路直線部

Claims (13)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された第１の配線および第２の配線と、
   前記半導体基板上に形成されるとともに一端が前記第１の配線に接続して設けられ、前記第２の配線を前記第１の配線から電気的に切断するヒューズリンクと、
   前記半導体基板上に形成され、前記第１の配線の一端および他端にそれぞれ設けられた前記ヒューズリンク切断用の電流流入端子および電流流出端子と、
   を含む半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記ヒューズリンクの切断状態において、前記第１の配線を構成する導電体が外方に流出してなる流出部が形成される半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記第１の配線および前記第２の配線は異なる層に形成され、
   前記ヒューズリンクは、前記第１の配線と前記第２の配線との間の層に形成されたビアにより構成され、
   前記ヒューズリンクの切断前状態において、前記ビアは前記第１の配線および前記第２の配線と接続され、
   前記ヒューズリンクの切断状態において、前記第２の配線と前記ビアとの間または前記ビアに空隙部が形成される半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記第１の配線、前記第２の配線および前記ビアは、銅を主成分として含む銅含有金属膜により構成され、
   前記ヒューズリンクの切断前状態において、前記第２の配線と前記ビアとの間にこれらに接して設けられた第１のバリアメタル膜をさらに含み、
   前記ヒューズリンクの切断状態において、前記第１のバリアメタル膜と前記第２の配線との間に前記空隙部が形成される半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置において、
   前記ヒューズリンクの切断前状態において、前記第１の配線の側面に当該第１の配線に接して設けられた第２のバリアメタル膜をさらに含み、
   前記ヒューズリンクの切断状態において、前記第２のバリアメタル膜にクラックが形成され、前記流出部は、前記導電体が前記クラックから流出して形成される半導体装置。
6. 請求項３から５いずれかに記載の半導体装置において、
   前記半導体基板上において、前記第１の配線、前記第２の配線および前記ヒューズリンクの周囲に形成された絶縁層をさらに含み、
   前記絶縁層は、前記ビアの周囲に形成された第１の絶縁層と、前記第１の配線の周囲に形成され、前記第１の絶縁層よりもヤング率の低い第２の絶縁層と、を含む半導体装置。
7. 請求項３から５いずれかに記載の半導体装置において、
   前記半導体基板上において、前記第１の配線、前記第２の配線および前記ヒューズリンクの周囲に形成された絶縁層をさらに含み、
   前記絶縁層は、前記ビアの周囲に形成された第１の絶縁層と、前記第１の配線の周囲に形成され、前記第１の絶縁層よりも膜密度が低い第２の絶縁層と、を含む半導体装置。
8. 請求項３から５いずれかに記載の半導体装置において、
   前記半導体基板上において、前記第１の配線、前記第２の配線および前記ヒューズリンクの周囲に形成された絶縁層をさらに含み、
   前記絶縁層は、前記ビアの周囲に形成された第１の絶縁層と、前記第１の配線の周囲に形成され、前記第１の絶縁層よりも比誘電率が低い第２の絶縁層と、を含む半導体装置。
9. 請求項６から８いずれかに記載の半導体装置において、
   前記第１の配線は、前記第２の絶縁層に形成された配線溝内に形成され、前記流出部は、前記導電体が前記配線溝外に流出して形成される半導体装置。
10. 請求項３から９いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第１の配線は、前記半導体基板の面内方向における断面形状において、屈折した屈折箇所を有し、前記ビアは前記第１の配線の前記屈折箇所で当該第１の配線に接続された半導体装置。
11. 請求項２から５いずれかに記載の半導体装置において、
    前記半導体基板上において、前記第１の配線、前記第２の配線および前記ヒューズリンクの周囲に形成された絶縁層をさらに含み、
    前記第１の配線は、前記絶縁層に形成された配線溝内に形成され、前記流出部は、前記導電体が前記配線溝外に流出して形成される半導体装置。
12. 請求項１から１１いずれかに記載の半導体装置において、
    前記ヒューズリンクは、前記第２の配線を介して、ヒューズの切断状態を判定する判定回路に接続された半導体装置。
13. 半導体基板上において、一端および他端がそれぞれ第１の配線および第２の配線に接続して設けられたヒューズリンクを含む電気ヒューズの切断方法であって、
    前記第１の配線の両端に所定の電圧を印加して前記第１の配線に電流を流し、前記第１の配線を構成する導電体を当該第１の配線から外方に流出させるとともに、前記ヒューズリンクを構成する導電体を前記第１の配線の方向に移動させて、前記ヒューズリンクに空隙部を形成する電気ヒューズの切断方法。
    

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