JP2010045132A - 電気ヒューズおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】銅を構成材料として用いた電気ヒューズの切断を確実に行うとともに、切断された電気ヒューズの切断状態を良好に保つ。
【解決手段】電気ヒューズ１００は、被切断配線１０２と、被切断配線１０２の両端にそれぞれ設けられた第１の端子１２０および第２の端子１２２とを含む。被切断配線１０２は、銅を主成分とするとともに（１１１）面に配向した第１の配向膜１０４と、第１の配向膜１０４中に、第１の配向膜１０４を分断するように、第１の端子１２０から第２の端子１２２に向かう方向に対して直角な方向の幅全体にわたって設けられた、銅を主成分とするとともに（５１１）面に配向した第２の配向膜１０６と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気ヒューズおよび半導体装置に関する。

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としては、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知られている。

特許文献１（特開２００４−３０４００２号公報）には、ヒューズ本体部と当該ヒューズ本体部によって連結されている２つのパッド部とを備えたヒューズと、これら２つのパッド部にそれぞれ接続されている２つの導電層とを含む半導体装置において、２つの導電層間に電気的ストレスを印加してヒューズを溶断したときに、導電層と重なる領域から離れたヒューズ本体部内の位置にヒューズの溶断部がくるように、ヒューズ本体部の長さを規定した技術が記載されている。これにより確実なヒューズ溶断を可能とするとされている。

また、ヒューズを電流により切断する電気ヒューズの一例として、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利用するものが知られている（たとえば特許文献２（特開２００５−３９２２０号公報））。
特開２００４−３０４００２号公報 特開２００５−３９２２０号公報 特開２００１−６８４７５号公報

しかし、特許文献２に記載されたように、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ヒューズを切断した場合、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により再度移動して、切断箇所で再接続が生じる可能性がある。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。

図７は、構成材料として銅を用いた電気ヒューズの一例を示す図である。
図７（ａ）は、切断前の電気ヒューズ１０の構成を示す図である。電気ヒューズ１０は、端子２０と端子２２と、端子２０および端子２２の間に設けられた被切断配線１２とを含む。ここで、被切断配線１２の幅は、端子２０や端子２２の幅よりも狭い。電気ヒューズ１０の端子２０から端子２２の方向に電流を流すと、図７（ｂ）に示すように、被切断配線１２中で、電子が端子２２から端子２０の方向に移動する。電子の移動とともに、電気ヒューズ１０を構成する銅がエレクトロマイグレーションにより移動して幅の狭い被切断配線１２中にボイド３０が生じる。しかし、エレクトロマイグレーションを利用して切断された被切断配線１２のボイド３０は、それほど大きくなく、また被切断配線１２の幅全体に広がっていないことが多い。そのため、切断が不充分だったり、上述したように、電気ヒューズ１０切断後に熱処理が加えられると、エレクトロマイグレーションによる再接続が生じることがある。

以上のような再接続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。

ところで、特許文献３（特開２００１−６８４７５号公報）には、銅または銅合金層を含む配線において、過半数の銅または銅合金結晶粒が双晶を形成するようにした処理が記載されている。このような銅系膜の双晶は、整合した双晶境界を形成し、このように整合した双晶境界では、エレクトロマイグレーション速度は小さく、双晶を形成する２つの結晶粒は、実質的に１つの大きな結晶粒とみなすことができるとされている。本発明者は、このような双晶を電気ヒューズに用いることにより、上記のような切断後の再接続を防ぐことができることを見出し、本発明に到達した。

本発明によれば、
被切断配線と、前記被切断配線の両端にそれぞれ設けられた第１の端子および第２の端子とを含む電気ヒューズであって、
前記被切断配線は、銅を主成分とするとともに（１１１）面に配向した第１の配向膜と、当該第１の配向膜中に、当該第１の配向膜を分断するように、前記第１の端子から前記第２の端子に向かう方向に対して直角な方向の幅全体にわたって設けられた、銅を主成分とするとともに（５１１）面に配向した第２の配向膜と、を含む電気ヒューズが提供される。

また、本発明によれば、
基板と、前記基板上に形成された被切断配線、前記被切断配線の両端にそれぞれ設けられた第１の端子および第２の端子を含む電気ヒューズとを含む半導体装置であって、
前記被切断配線は、銅を主成分とするとともに（１１１）面に配向した第１の配向膜と、当該第１の配向膜中に、当該第１の配向膜を分断するように、前記第１の端子から前記第２の端子に向かう方向に対して直角な方向の幅全体にわたって設けられた、銅を主成分とするとともに（５１１）面に配向した第２の配向膜と、を含む半導体装置が提供される。

電気ヒューズを切断するために第１の端子と第２の端子との間に電圧を印加した際に、第１の端子と第２の端子との間で電流が流れ、電子の流れに沿って銅原子が拡散する。以上の構成において、被切断配線を主に（１１１）配向粒で構成された銅ヒューズとするとともに、電流進行方向に対して直角な方向の幅全体にわたって（５１１）配向粒が存在するようになっているので、（５１１）配向粒により銅原子の流れが遮られる。このため、（５１１）配向粒により構成された第２の配向膜の下流側に電気ヒューズ幅いっぱいに広がった大きなボイドを形成することができる。これにより、その後の熱処理等により、電気ヒューズが再接続することを防ぐことができる。また、ボイドが電気ヒューズ幅一杯に広がり、電気ヒューズを確実に切断することができるので、電気ヒューズを切断するために必要なカット電圧のばらつきをなくすこともできる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、銅を構成材料として用いた電気ヒューズの切断を確実に行うとともに、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。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、本実施の形態における電気ヒューズの構成を示す平面図である。
電気ヒューズ１００は、直線状の被切断配線１０２と、被切断配線１０２の両端にそれぞれ設けられた第１の端子１２０および第２の端子１２２とを含む。本実施の形態において、電気ヒューズ１００は、銅を主成分として構成される。

また、被切断配線１０２は、銅を主成分とするとともに（１１１）面に配向した第１の配向膜１０４と、第１の配向膜１０４中に設けられ、銅を主成分とするとともに（５１１）面に配向した第２の配向膜１０６とを含む。本実施の形態において、第２の配向膜１０６は、第１の配向膜１０４中に、第１の配向膜１０４を分断するように、第１の端子１２０から第２の端子１２２に向かう方向に対して垂直な方向の幅全体にわたって設けられている。つまり、第２の配向膜１０６は、直線状の被切断配線１０２中のある部分において、被切断配線１０２の幅方向全体にわたって設けられる。また、第１の端子１２０および第２の端子１２２は、主として第１の配向膜１０４により構成される。

第１の配向膜１０４および第２の配向膜１０６は、銅以外の異種元素を含むこともできる。異種元素は、たとえば、Ａｌ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、または、Ｓｎから選択される一又は二以上の元素とすることができる。異種元素としてＡｌを用いた場合、電気ヒューズ表面にこれらの元素が析出するので、ヒューズが切れた際の銅の横方向への拡散を抑えることができる。異種元素としてＢｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ａｕ、ＰｔまたはＨｇを用いた場合、銅含有金属膜の抵抗上昇率を抑えることができる。異種元素としてＺｒまたはＴｉを用いた場合、たとえば絶縁膜やバリアメタル膜等と金属膜との密着性を向上することができる。異種元素としてＭｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｄ等、銅よりも酸化還元電位の低い金属を用いた場合、金属膜表面の腐食を阻止することができる。

図２は、このような構成の電気ヒューズ１００に電流を流して電気ヒューズ１００を切断する手順を示す図である。
第１の端子１２０に高電圧を印加し、第２の端子１２２を接地して、第１の端子１２０から第２の端子１２２の方向に電流を流す。このとき、電子は電流と逆方向に流れるため、被切断配線１０２中で、第２の端子１２２から第１の端子１２０の方向に電子が移動する（図２（ａ））。この電子の流れに沿って、被切断配線１０２を構成する銅原子も拡散する。本実施の形態においては、銅の移動方向に対して垂直な方向（以下、ヒューズ幅ともいう）全面に（５１１）面に配向した銅である第２の配向膜１０６が存在している。そのため、銅原子が第２の端子１２２から第１の端子１２０の方向に拡散する際に、銅原子の流れが第２の配向膜１０６で遮られる。このため、図２（ｂ）に示したように、銅原子の流れの第２の配向膜１０６下流側に、ヒューズ幅全面に広がった大きなボイド１３０が形成される。

これにより、被切断配線１０２を切断するために必要なカット電圧のばらつきを低減することができるとともに、電気ヒューズ１００切断後に熱処理が施されても、被切断配線１０２が再接続するのを防ぐことができる。

次に、本実施の形態における電気ヒューズ１００の製造手順を説明する。
図３は、図１のＡ−Ａ’断面図およびＢ−Ｂ’断面図である。以下、各図の左側にＡ−Ａ’断面図、右側にＢ−Ｂ’断面図を示す。

ここでは、電気ヒューズ１００が半導体基板２０２（基板）上に形成される場合を例として説明する。半導体装置２００は、半導体基板２０２と、半導体基板２０２上に形成されたエッチング阻止膜２０４と、エッチング阻止膜２０４上に形成された層間絶縁膜２０６とを含む。半導体基板２０２は、たとえばシリコン基板とすることができる。

まず、層間絶縁膜２０６に、電気ヒューズ１００を形成するための凹部を形成する。ここで、第１の端子１２０（または第２の端子１２２）を形成するための端子用凹部２０８と被切断配線１０２を形成するための被切断配線用凹部２１０とを示す（図３（ａ））。端子用凹部２０８は、被切断配線用凹部２１０よりも幅が広くなるように形成される。たとえば、端子用凹部２０８の幅は、２７０ｎｍ〜６００ｎｍ程度、被切断配線用凹部２１０の幅は、９０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とし、端子用凹部２０８の幅は被切断配線用凹部２１０の幅の３倍程度とすることができる。また、端子用凹部２０８と被切断部用凹部２１０との深さは略同一とすることができる。

つづいて、半導体基板２０２上の全面にバリアメタル膜２１２を形成する（図３（ｂ））。バリアメタル膜２１２は、たとえばＴｉ、Ｗ、Ｔａ等の高融点金属を含むことができる。バリアメタル膜２１２は、たとえば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ、およびこれらの積層膜等とすることができる。バリアメタル膜２１２としては、ＴａＮおよびＴａが積層したタンタル系バリアメタルが好ましく用いられる。このとき、配線幅の広い端子用凹部２０８においては、バリアメタル膜２１２が厚く形成される。そのため、バリアメタル膜２１２としてＴａＮ膜を用いた場合に、バリアメタル膜２１２中の窒素含有量を高めることができる。これにより、その上に銅膜を形成して結晶成長させる際に（１１１）面配向としやすくすることができる。

さらに、図示していないが、バリアメタル膜２１２上に、シードメタル膜を形成する。シードメタル膜は、たとえばスパッタリング等により形成することができる。ここで、シードメタル膜は、銅のみ、または銅と異種元素との合金とすることができる。

次に、半導体基板２０２上の全面に、低レート（たとえば３０A／ｓｅｃ）で、第１銅めっき膜２１４を形成する（図４（ａ））。第１銅めっき膜２１４は、たとえば硫酸銅水溶液を用いて、電解めっき法により形成することができる。このとき、ボトムアップ性を良好にすべく、硫酸銅水溶液中の添加剤濃度を高くするため、第１銅めっき膜２１４は、Ｏ等の不純物濃度が高い。

つづいて、半導体基板２０２上の全面に高レート（たとえば３００A／ｓｅｃ）で、第２銅めっき膜２１６を形成する（図４（ｂ））。第２銅めっき膜２１６は、たとえば硫酸銅水溶液を用いて、電解めっき法により形成することができる。このとき、成長レートが高いので、第２銅めっき膜２１６は、第１銅めっき膜２１４よりもＯ等の不純物濃度が低い。ここで、凹部幅の狭い被切断配線用凹部２１０は、第１銅めっき膜２１４でほぼ全面が埋められてしまう。一方、凹部幅の広い端子用凹部２０８は、第１銅めっき膜２１４が凹部壁に形成されるだけで、大部分が第２銅めっき膜２１６により埋め込まれる。

このような状態で、Ｈ_２／Ｎ_２混合ガス中で約２５０℃で５分程度アニールを行う（図５（ａ））。このように、水素ガス（Ｈ_２）等の還元性ガスを用いることにより、めっき膜中のとくにＯ_２等の不純物が還元されて、ピュアな銅膜が形成され、（１１１）面に配向しやすくなる。そのため、（１１１）面方位の銅膜とともに、その双晶である（５１１）面に配向した銅の面積も大きくなる。

また、このとき、第１の端子１２０および第２の端子１２２においては、被切断配線１０２に比べて膜中の不純物濃度が低いため、第１の端子１２０および第２の端子１２２の方が被切断配線１０２に比べてグレイン成長が速くなる。この様子を図６に示す。

図６（ａ）に示すように、グレインは、第１の端子１２０および第２の端子１２２から成長し始める。上述したように、バリアメタル膜２１２としてＴａＮ膜を用いた場合、第１の端子１２０および第２の端子１２２においては、バリアメタル膜２１２中の窒素含有量も大きい。さらに、還元性ガスを照射しているため、第１の端子１２０および第２の端子１２２中の銅膜は、（１１１）面に配向しやすくなる。そのため、第１の端子１２０および第２の端子１２２中で、（１１１）面配向の結晶粒が成長し始め、それが被切断配線１０２の方に成長していき、結晶粒界が被切断配線１０２に存在するようになる。これにより、結晶粒界である（５１１）面に配向した銅が、被切断配線１０２に集中する。そのため、図６（ｂ）に示すように、グレインの成長がぶつかる被切断配線１０２の中央部付近に、ヒューズ幅全体に広がった第２の配向膜１０６が形成される。

図５に戻り、アニール後に、端子用凹部２０８および被切断配線用凹部２１０外部に露出しためっき膜を化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）等により除去することにより、被切断配線１０２、第１の端子１２０、および第２の端子１２２（個々では不図示）により構成された電気ヒューズを形成する（図５（ｂ））。

さらにこの後、半導体装置２００の全面にシランを照射することもできる。これにより、照射したシランが第１の配向膜１０４と第２の配向膜１０６との界面にとけ込み、電気ヒューズ１００切断時に、第２の配向膜１０６が銅原子の流れを遮る効果を高めることができる。

次に、本実施の形態における電気ヒューズ１００の効果を説明する。
以上のように、被切断配線１０２のヒューズ幅全体にわたって第２の配向膜１０６を設けることにより、電気ヒューズ１００を切断する際に、電子の流れに沿った第２の配向膜１０６の下流側にヒューズ幅全体に広がった大きなボイド１３０を形成することができる。これにより、電気ヒューズ１００を確実に切断することができ、電気ヒューズ１００のカット電圧のばらつきをなくすことができる。さらに、切断後の熱処理等により、電気ヒューズ１００が再接続することも防ぐことができる。

以上のように、電気ヒューズ１００を電流により切断する際に、電気ヒューズ１００を確実に切断するとともに、再接続を防ぐためには、電気ヒューズ１００の被切断配線１０２のヒューズ幅全体にわたって、第２の配向膜１０６を形成する必要がある。上述したような本実施の形態における半導体装置２００の製造手順により、第１の端子１２０および第２の端子１２２に（１１１）面に配向した第１の配向膜１０４を形成しやすく、さらに被切断配線１０２中に、被切断配線１０２のヒューズ幅全体にわたって第２の配向膜１０６を形成するようにすることができる。

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。

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平面図である。 本発明の実施の形態における電気ヒューズに電流を流して電気ヒューズを切断する手順を示す図である。 本発明の実施の形態における電気ヒューズを含む半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。 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製造手順を示す工程断面図である。 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製造手順を示す工程断面図である。 電気ヒューズ形成時のグレインの成長速度を示す模式図である。 従来の電気ヒューズを切断したときの問題点を示すための模式図である。

符号の説明

１００ 電気ヒューズ
１０２ 被切断配線
１０４ 第１の配向膜
１０６ 第２の配向膜
１２０ 第１の端子
１２２ 第２の端子
１３０ ボイド
２００ 半導体装置
２０２ 半導体基板
２０４ エッチング阻止膜
２０６ 層間絶縁膜
２０８ 端子用凹部
２１０ 被切断配線用凹部
２１２ バリアメタル膜
２１４ 第１銅めっき膜
２１６ 第２銅めっき膜

Claims (8)

1. 被切断配線と、前記被切断配線の両端にそれぞれ設けられた第１の端子および第２の端子とを含む電気ヒューズであって、
   前記被切断配線は、銅を主成分とするとともに（１１１）面に配向した第１の配向膜と、当該第１の配向膜中に、当該第１の配向膜を分断するように、前記第１の端子から前記第２の端子に向かう方向に対して直角な方向の幅全体にわたって設けられた、銅を主成分とするとともに（５１１）面に配向した第２の配向膜と、を含む電気ヒューズ。
2. 請求項１に記載の電気ヒューズにおいて、
   前記第１の端子および前記第２の端子は、前記被切断配線よりも幅広に形成され、
   前記第１の端子および前記第２の端子は、主として前記第１の配向膜を含み、
   前記被切断配線中における前記第２の配向膜の前記第１の配向膜に対する含有率が、前記第１の端子および前記第２の端子中における前記第２の配向膜の前記第２の配向膜に対する含有率よりも高い電気ヒューズ。
3. 請求項１または２に記載の電気ヒューズにおいて、
   前記第２の配向膜は、銅とは異なる異種元素を含む電気ヒューズ。
4. 請求項１から３いずれかに記載の電気ヒューズにおいて、
   前記第１の配向膜は、銅とは異なる異種元素を含む電気ヒューズ。
5. 基板と、前記基板上に形成された被切断配線、前記被切断配線の両端にそれぞれ設けられた第１の端子および第２の端子を含む電気ヒューズとを含む半導体装置であって、
   前記被切断配線は、銅を主成分とするとともに（１１１）面に配向した第１の配向膜と、当該第１の配向膜中に、当該第１の配向膜を分断するように、前記第１の端子から前記第２の端子に向かう方向に対して直角な方向の幅全体にわたって設けられた、銅を主成分とするとともに（５１１）面に配向した第２の配向膜と、を含む半導体装置。
6. 請求項５に記載の半導体装置において、
   前記第１の端子および前記第２の端子は、前記被切断配線よりも幅広に形成され、
   前記第１の端子および前記第２の端子は、主として前記第１の配向膜を含み、
   前記被切断配線中における前記第２の配向膜の前記第１の配向膜に対する含有率が、前記第１の端子および前記第２の端子中における前記第２の配向膜の前記第２の配向膜に対する含有率よりも高い半導体装置。
7. 請求項５または６に記載の半導体装置において、
   前記第２の配向膜は、銅とは異なる異種元素を含む半導体装置。
8. 請求項５から７いずれかに記載の半導体装置において、
   前記第１の配向膜は、銅とは異なる異種元素を含む半導体装置。

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