JP2010192647A - 半導体装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気ヒューズの切断状態を良好に保つ。
【解決手段】電気ヒューズと他の素子を持つ半導体装置において、電気ヒューズと他の素子は、それぞれ、上層配線と下層配線と、それらを層間配線で接続するビアを有する。このとき、切断状態を正常にするために、電気ヒューズのビア径が、上層配線の断面積や、他の素子のビア径よりも小さい状態となるように、ビアや上層配線を設けるとともに、ビアや上層配線の寸法を換え、断面積比を最適化する。
【選択図】図1
【解決手段】電気ヒューズと他の素子を持つ半導体装置において、電気ヒューズと他の素子は、それぞれ、上層配線と下層配線と、それらを層間配線で接続するビアを有する。このとき、切断状態を正常にするために、電気ヒューズのビア径が、上層配線の断面積や、他の素子のビア径よりも小さい状態となるように、ビアや上層配線を設けるとともに、ビアや上層配線の寸法を換え、断面積比を最適化する。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置に関し、特にeFuse(電気ヒューズ)を持つ半導体装置に関する。
通常、同一チップ内のVia(ビア)径は、部位に関係無く同じ寸法である。
そのため、チップ全体のVia径が太い場合、eFuse(電気ヒューズ)の初期切断不良や再癒着が起こりやすい。
その理由は、Via径が太い場合、メタル配線とViaの抵抗バランスが崩れ、切断ストレスが、本来かかるべきVia底ではなく、メタル配線に集中する可能性があるためである。Via底以外に切断ストレスがかかると、切断形状が異常となり、初期切断不良や再癒着の発生原因となる。
逆に、チップ全体のVia径が細い場合、Viaの埋め込み具合が悪くなり、接続不良等の品質低下を招く恐れがある。
関連する技術として、特開2007−305693号公報(特許文献1)に半導体装置及び電気ヒューズの切断方法が開示されている。この技術では、電気ヒューズは、切断前状態において、それぞれ異なる層に形成された上層配線と、上層配線に接続されたビアと、ビアに接続された下層配線とを含み、切断状態において、導電体が上層配線から外方に流出してなる流出部が形成されるとともに、下層配線とビアとの間に空隙部が形成される。
eFuse(電気ヒューズ)を使用している既存の半導体装置では、製造ばらつきにより、何らかの事情でVia径が大きくなったり、配線が細くなったりして抵抗バランスが崩れた場合、切断形状が異常となり、初期切断不良や再癒着の発生原因となる可能性がある。
抵抗バランスを保つためには、Via径を小さくするか、配線を太くすると有効であると考えられるが、前者はチップ全体のVia径を一律に小さくするとチップ全体としてのViaの品質低下を招く恐れがあるという問題があり、後者は配線を太くすると配線の占める領域が大きくなるためレイアウト上困難であるという問題がある。
本発明の半導体装置は、チップ上に設けられた下層配線と、チップ上で下層配線より上層に設けられた上層配線と、下層配線と上層配線とを層間配線により電気的に接続する配線ビアと、下層配線と上層配線とを層間配線により電気的に接続し、過熱により層間配線が切断(カット)状態になるビア型電気ヒューズとを具備する。ビア型電気ヒューズのビア径は、上層配線の断面積よりも小さく、配線ビアのビア径よりも小さいことを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法では、チップ上に、上層配線と下層配線とを層間配線により電気的に接続する配線ビアのビア孔を設け、同じチップ上に、上層配線と下層配線とを層間配線により電気的に接続し、過熱により層間配線が切断(カット)状態になるビア型電気ヒューズのビア孔を設ける。本発明の半導体装置の製造方法では、配線ビアのビア孔、ビア型電気ヒューズのビア孔、及び上層配線を設ける際に、ビア型電気ヒューズのビア径が、上層配線の断面積よりも小さく、配線ビアのビア径よりも小さい状態となるサイズで、配線ビアのビア孔、ビア型電気ヒューズのビア孔、及び上層配線を設けることを特徴とする。
Viaや上層配線の寸法を換え、断面積比を最適化することにより、Via型eFuse(ビア型電気ヒューズ)の初期切断不良や再癒着の低減、及びチップ全体としてのVia品質、製品歩留まりの確保が可能となる。
以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図1は、本発明の半導体装置の特徴部分を示す。
本発明の半導体装置は、eFuse(電気ヒューズ)部10と、他の素子20を備える。
図1は、本発明の半導体装置の特徴部分を示す。
本発明の半導体装置は、eFuse(電気ヒューズ)部10と、他の素子20を備える。
eFuse部10は、第1の配線11と、Via(ビア)12と、第2の配線13を含む。
他の素子20は、第1の配線21と、Via22と、第2の配線23を含む。
第1の配線11と第2の配線13は、それぞれ異なる層に形成されている。また、第1の配線21と第2の配線23は、それぞれ異なる層に形成されている。ここでは、第1の配線11と第1の配線21は、チップ上に設けられた下層配線である。また、第2の配線13と第2の配線23は、チップ上で下層配線よりも上層に設けられた上層配線である。なお、第1の配線11と第1の配線21は、同一の配線層でも良い。また、第2の配線13と第2の配線23は、同一の配線層でも良い。
第1の配線11、第2の配線13、第1の配線21、及び第2の配線23は、メタル配線である。第1の配線11、第2の配線13、第1の配線21、及び第2の配線23の例として、メタルマスクや、メタル基板(メタルベースのプリント基板)のメタルコア等を想定している。この場合、メタル材料としては、アルミ、銅等が考えられる。ここでは、Via12及びVia22におけるビアメタル(via metal)も、同種のメタル材料であるものとする。但し、実際には、これらの例に限定されない。
Via12は、第1の配線11と第2の配線13を層間配線(ビア配線)により電気的に接続し、過熱により層間配線が切断(カット)状態になるVia型eFuse(ビア型電気ヒューズ)である。また、Via22は、第1の配線21と第2の配線23を層間配線により電気的に接続する通常の配線ビアである。すなわち、Via12とVia22は、いずれも上層配線と下層配線を接続する。
図2を参照して、eFuse部10の切断(カット)について説明する。
eFuse部10の切断は、Via12での発熱現象により発生する。ここでは、eFuse部10は、通電によるVia12の過熱により、材質のCu(銅)等の体積収縮や、層間膜に生じたクラック(crack:亀裂)への吸出しを利用して、Via12に安定してボイド(void:空隙)を形成するように設計されている。
eFuse部10は、切断された場合、室温になるまで熱収縮し続け、Via上部にボイドを形成しながら完全に固まる。
本発明の半導体装置は、このように、eFuse部10を、低抵抗(カット前)から高抵抗(カット後)に変更することで、不揮発性メモリ(Non−Volatile Memory)として使用可能なデバイスである。
次に、eFuse部10の切断状態が正常な場合(正常カットモード)と、eFuse部10の切断状態が異常な場合(異常カットモード)について説明する。
ここでは、図3に示すように、第1の配線11を「M1」とし、Via12を「V1」とし、第2の配線13を「M2」とする。また、第2の配線13から第1の配線11に向かって電流が流れるものとする。
なお、eFuse部10の切断状態が正常な場合と異常な場合を比較するため、同じ条件化で様々なVia径(Viaの断面積)でのeFuse部10の切断実験を行い、評価を繰り返した。
図4に、実験結果のうち、eFuse部10の切断状態が正常な場合と異常な場合の代表的な実験結果における「V1」及び「M2」の実験参考値を示す。ここでは、カット電圧「3.3V」で実験を行っている。
(1)eFuse部10の切断状態が正常な場合(正常カットモード)
Via12「V1」が正常に切断された場合の実験参考値を示す。ここでは、Via12「V1」の断面積は「10000nm2」とする。また、第2の配線13「M2」の断面積は「18000nm2」とする。この実験では、eFuse部10の切断状態が正常に行われた場合は、第2の配線13「M2」と、Via12「V1」との断面積比に基づく関係は、「M2/V1=18000/10000=1.8」となる。
Via12「V1」が正常に切断された場合の実験参考値を示す。ここでは、Via12「V1」の断面積は「10000nm2」とする。また、第2の配線13「M2」の断面積は「18000nm2」とする。この実験では、eFuse部10の切断状態が正常に行われた場合は、第2の配線13「M2」と、Via12「V1」との断面積比に基づく関係は、「M2/V1=18000/10000=1.8」となる。
(2)eFuse部10の切断状態が異常な場合(異常カットモード)
Via12「V1」が異常に切断された場合の実験参考値を示す。ここでは、Via12「V1」の断面積は「13000nm2」とする。また、第2の配線13「M2」の断面積は「20000nm2」とする。この実験では、eFuse部10の切断状態が異常に行われた場合は、第2の配線13「M2」と、Via12「V1」との断面積比に基づく関係は、「M2/V1=20000/13000≒1.5」となる。
Via12「V1」が異常に切断された場合の実験参考値を示す。ここでは、Via12「V1」の断面積は「13000nm2」とする。また、第2の配線13「M2」の断面積は「20000nm2」とする。この実験では、eFuse部10の切断状態が異常に行われた場合は、第2の配線13「M2」と、Via12「V1」との断面積比に基づく関係は、「M2/V1=20000/13000≒1.5」となる。
(3)eFuse部10の切断状態が異常な場合(異常カットモード)
Via12「V1」が異常に切断された場合の他の実験参考値を示す。ここでは、Via12「V1」の断面積は「15000nm2」とする。また、第2の配線13「M2」の断面積は「20000nm2」とする。この実験では、eFuse部10の切断状態が異常に行われた場合は、第2の配線13「M2」と、Via12「V1」との断面積比に基づく関係は、「M2/V1=20000/15000≒1.3」となる。
Via12「V1」が異常に切断された場合の他の実験参考値を示す。ここでは、Via12「V1」の断面積は「15000nm2」とする。また、第2の配線13「M2」の断面積は「20000nm2」とする。この実験では、eFuse部10の切断状態が異常に行われた場合は、第2の配線13「M2」と、Via12「V1」との断面積比に基づく関係は、「M2/V1=20000/15000≒1.3」となる。
なお、上記の実験における「V1」や「M2」の値は、一般化したモデルに基づく値に過ぎない。「V1」や「M2」の値は、適用プロセス世代により代わるものとする。
eFuse部10のカットには、M1、M2、及びガードメタルを介した放熱現象が関係しているため、本発明では、製造規格内で各パラメータがばらついた場合でも、eFuse部10がeFuseの特性を維持できているかを検討し、評価している。
図5に、実験結果のうち、eFuse部10の切断状態が正常な場合と異常な場合の代表的な実験結果を示す。
eFuse部10の切断状態が正常な場合(正常カットモード)では、Via12が完全に切断されている。そのため、第2の配線13とVia12の抵抗バランスが保たれており、切断ストレスがVia12のVia底にかかるため、第2の配線13はあまり熱膨張しない。ここでは、第1の配線11と第2の配線13とが電気的に完全に切断されており、eFuse部10はeFuseの特性を維持できている。
eFuse部10の切断状態が異常な場合(異常カットモード)では、Via12が完全には切断されず、微小な破片として下層の第1の配線11との間に残る。また、第2の配線13とVia12の抵抗バランスが崩れ、図5の例では、切断ストレスが、本来かかるべきVia12のVia底ではなく、第2の配線13に集中しており、第2の配線13が熱膨張により厚みを増し、下層の第1の配線11に接触(再癒着)している。すなわち、第1の配線11と第2の配線13とが電気的に切断されておらず、eFuse部10がeFuseの特性を維持できていない。
ここでは、切断状態が正常な場合(正常カットモード)のVia12と、切断状態が異常な場合(異常カットモード)のVia12を区別するために、切断状態が正常な場合(正常カットモード)のVia12「V1」を「VA1」とする。従って、「M2」と、「VA1」との断面積比に基づく関係は、「M2/VA1=1.8」である。また、切断状態が異常な場合(異常カットモード)のVia12「V1」を「VB1」とする。従って、「M2」と「VB1」との断面積比に基づく関係は、「M2/VB1≒1.5」である。このとき、「VA1」と「VB1」との断面積比に基づく関係は、「VA1/VB1=(M2/VB1)/(M2/VA1)=1.5/1.8≒0.8」となる。
すなわち、eFuse部10の切断状態を正常にする場合、第2の配線13「M2」と、切断状態が正常な場合(正常カットモード)のVia12「VA1」との断面積比に基づく関係が、「M2/VA1≧1.8」となった上で、切断状態が正常な場合(正常カットモード)のVia12「VA1」と、切断状態が異常な場合(異常カットモード)のVia12「VB1」との断面積比に基づく関係が、「VA1/VB1≦0.8」となれば良いということが、繰り返しての実験により得られたデータから推測される。すなわち、本実験の例では、eFuse部10の切断状態を正常にする場合、Via12の断面積を、少なくとも、切断状態が異常な場合(異常カットモード)のVia12の断面積の0.8倍以下にすれば良いと推測される。
本実験の結果から、切断状態が正常な場合(正常カットモード)のVia12「VA1」の断面積は、第2の配線13「M2」の断面積や、切断状態が異常な場合(異常カットモード)のVia12「VB1」の断面積よりも小さいことがわかる。すなわち、切断状態を正常な状態にするためには、Via12「V1」の断面積を小さくすれば良い。
ここで、チップ全体のVia径を一律に小さくするとチップ全体としてのViaの品質低下を招く恐れがあるため、Via12の断面積のみ小さくすることになる。この場合、他の素子20のVia22を「V2」とすると、Via22「V2」と、Via12「V1」との断面積比に基づく関係は、「V2>V1」となる。
なお、実際には、他の素子20において、上層配線と下層配線、及びこれらを接続するViaの断面積は、等しくなることもある。この場合、第1の配線21を第1の配線11と同じく「M1」とし、第2の配線23を第2の配線13と同じく「M2」とすると、第1の配線21「M1」と、第2の配線23「M2」と、Via22「V2」との断面積比に基づく関係は、「M1=M2=V2」である。このとき、第2の配線13「M2」と、Via12「V1」との断面積比に基づく関係が、「M2/V1≧1.8」となった場合、当然に、Via22「V2」と、Via12「V1」との断面積比に基づく関係は、「V2/V1≧1.8」となる。なお、「V2/V1≧1.8」は、「V2>V1」の条件を満たしている。
この場合、上層配線の断面積や、他の素子のVia径を変更せずに、eFuse部10の切断状態を正常にする場合は、第2の配線13「M2」の断面積や、Via22「V2」の断面積が、Via12「V1」の断面積の1.8倍以上となるようにVia12を設ければ良いことになる。
また、上層配線の断面積や、他の素子のVia径も変更して、eFuse部10の切断状態を正常にする場合は、第2の配線13「M2」の断面積や、Via22「V2」の断面積が、Via12「V1」の断面積の1.8倍以上となるようにVia12、第2の配線13、及びVia22を設ければ良いことになる。このとき、Via12、第2の配線13、及びVia22の占める領域全体(総領域)が、本発明を適用しなかった場合にこれらの占める領域全体よりも大きくならないようにする。
いずれにしても、eFuse部10の切断状態を正常にする場合、eFuse部10のVia12のVia径は、第2の配線13の断面積や、他の素子20のVia22のVia径よりも小さくする必要があることがわかる。
なお、図1では、Via12のVia径を「a」とし、Via22のVia径を「b」としている。eFuse部10の切断状態を正常にする場合、「a」と「b」との断面積比に基づく関係が「b>a」となるように、Via12のVia径を設計すれば良い。
すなわち、本発明の半導体装置の製造方法においては、Via径が前述の各条件を満たすサイズになるように、Via12やVia22のビア孔を設けるようにする。
以下に、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。
本発明の半導体装置の製造方法では、チップ上に、第2の配線23と第1の配線21とを層間配線により電気的に接続するVia22のビア孔を設ける。また、同じチップ上に、第2の配線13と第1の配線11とを層間配線により電気的に接続し、過熱により層間配線が切断(カット)状態になるVia12のビア孔を設ける。このとき、同じチップ上に、Via22のビア孔、Via12のビア孔、及び第2の配線23を設ける際、Via12のVia径が、第2の配線13の断面積よりも小さく、Via22のVia径よりも小さい状態となるサイズで、Via22のビア孔、Via12のビア孔、及び第2の配線23を設ける。
なお、Via12は、Via型eFuse(ビア型電気ヒューズ)である。Via22は、通常の配線ビアである。第2の配線13と第2の配線23は、上層配線である。第1の配線21は、下層配線である。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、第2の配線13の断面積が、Via12のVia径の1.8倍以上となるサイズで、Via12のビア孔と第2の配線13を設ける。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、Via22のVia径が、上層配線の断面積と等しく、Via12のVia径の1.8倍以上となるサイズで、Via22及びVia12のビア孔と第2の配線13を設ける。
なお、本発明の半導体装置の製造方法では、Via12のVia径が、少なくとも、Via12の層間配線が異常な切断状態になる場合のVia径の0.8倍以下となるサイズで、Via12のビア孔を設ける。
以上のように、本発明は、Via型eFuseの歩留まりを改善するための技術である。
本発明では、マスク上、eFuse部のVia径を、他の素子のVia径よりも小さいサイズとなるようにレイアウトする。例えば、eFuse部のVia径のみを小さくし、他の素子のVia径、及び上層配線については従来の寸法を維持する。或いは、eFuse部のVia径、他の素子のVia径、及び上層配線の各々の寸法を換え、eFuse部のVia径が相対的に小さくなるように断面積比を最適化するようにしても良い。
このように、同一チップ内でeFuse部のVia径サイズを、その他の素子のVia径より小さくすることで、Viaの品質を確保しつつ、eFuseの初期切断不良や再癒着を低減することを可能にする。
Via型eFuseの場合、メタル配線とViaの抵抗バランスが崩れると不良が多発するため、そのバランスを保つことを目的として、Via径を細くする必要がある。しかし、チップ全体のVia径を一律に細くしてしまうと、eFuse以外のVia品質を下げてしまう可能性がある。そこで、部分的にVia径を変えることで、従来のVia品質を確保したまま、eFuseの歩留まりを向上させることができる。
本発明によれば、DRAMやSRAM等のメモリの冗長性(redundancy)を増大することが可能である。本発明は、チップ又はデバイスのID(識別情報)のためのメモリ素子等への適用が考えられる。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、実際には、上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。
10… eFuse(電気ヒューズ)部
11… 第1の配線(下層配線)
12… Via(ビア型電気ヒューズ)
13… 第2の配線(上層配線)
20… 他の素子
21… 第1の配線(下層配線)
22… Via(配線ビア)
23… 第2の配線(上層配線)
11… 第1の配線(下層配線)
12… Via(ビア型電気ヒューズ)
13… 第2の配線(上層配線)
20… 他の素子
21… 第1の配線(下層配線)
22… Via(配線ビア)
23… 第2の配線(上層配線)
Claims (10)
- チップ上に設けられた下層配線と、
前記チップ上で前記下層配線より上層に設けられた上層配線と、
前記下層配線と前記上層配線とを層間配線により電気的に接続する配線ビアと、
前記下層配線と前記上層配線とを層間配線により電気的に接続し、過熱により層間配線が切断(カット)状態になるビア型電気ヒューズと
を具備し、
前記ビア型電気ヒューズのビア径は、前記上層配線の断面積よりも小さく、前記配線ビアのビア径よりも小さい
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置であって、
前記上層配線の断面積は、前記ビア型電気ヒューズのビア径の1.8倍以上である
半導体装置。 - 請求項2に記載の半導体装置であって、
前記配線ビアのビア径は、前記ビア型電気ヒューズのビア径の1.8倍以上である
半導体装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置であって、
前記ビア型電気ヒューズのビア径は、少なくとも、前記ビア型電気ヒューズの層間配線が異常な切断状態になる場合のビア径の0.8倍以下である
半導体装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置であって、
前記ビア型電気ヒューズ及び前記配線ビアを持つ不揮発性メモリ
を更に具備する
半導体装置。 - チップ上に、上層配線と下層配線とを層間配線により電気的に接続する配線ビアのビア孔を設け、
前記チップ上に、前記下層配線と前記上層配線とを層間配線により電気的に接続し、過熱により層間配線が切断(カット)状態になるビア型電気ヒューズのビア孔を設け、
前記配線ビアのビア孔、前記ビア型電気ヒューズのビア孔、及び前記上層配線を設ける際、前記ビア型電気ヒューズのビア径が、前記上層配線の断面積よりも小さく、前記配線ビアのビア径よりも小さい状態となるサイズで、前記配線ビアのビア孔、前記ビア型電気ヒューズのビア孔、及び前記上層配線を設ける
半導体装置の製造方法。 - 請求項6に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記上層配線の断面積が、前記ビア型電気ヒューズのビア径の1.8倍以上となるサイズで、前記ビア型電気ヒューズのビア孔と前記上層配線とを設ける
半導体装置の製造方法。 - 請求項7に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記配線ビアのビア径が、前記ビア型電気ヒューズのビア径の1.8倍以上となるサイズで、前記配線ビアのビア孔と前記ビア型電気ヒューズのビア孔とを設ける
半導体装置の製造方法。 - 請求項6乃至8のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記ビア型電気ヒューズのビア径が、少なくとも、前記ビア型電気ヒューズの層間配線が異常な切断状態になる場合のビア径の0.8倍以下となるサイズで、前記ビア型電気ヒューズのビア孔を設ける
半導体装置の製造方法。 - 請求項6乃至9のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記配線ビアのビア孔、前記ビア型電気ヒューズのビア孔、及び前記上層配線の寸法を換え、断面積比を最適化し、前記ビア型電気ヒューズのビア径を、相対的に、前記上層配線の断面積よりも小さく、前記配線ビアのビア径よりも小さい状態にする
半導体装置の製造方法。
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