JP2023036249A - 半導体装置 - Google Patents

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賢一郎 園田
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Abstract

【課題】電気ヒューズ素子を有する構成において小型化が容易な半導体装置を提供する。【解決手段】層間絶縁層I1は、電気ヒューズ素子EH上を覆っている。層間絶縁層I1上であって電気ヒューズ素子EHの真上に、シリコン金属からなる抵抗層RLが配置されている。【選択図】図5

Description

本発明は、半導体装置に関し、たとえば、電気ヒューズを有する半導体装置に好適に利用できるものである。
電流により溶断される電気ヒューズが知られている。この電気ヒューズを切断しやすくする技術が、たとえば特開2011-124370号公報(特許文献1)に開示されている。
特許文献1では、電気ヒューズは第1の配線により構成される。電気ヒューズの被切断部の両側方に、第2の配線と第3の配線とが配置される。被切断部と第2の配線との間および被切断部と第3の配線との間には、それぞれエアギャップが設けられる。
被切断部の側方に設けたエアギャップが、電気ヒューズの切断の際に熱遮断領域として機能する。これにより被切断部からの放熱が少なくなり、被切断部が効果的に加熱されて、電気ヒューズが切断されやすくなる。
特開2011-124370号公報
しかしながら特許文献1では、電気ヒューズの両側方にエアギャップを挟んで第2の配線と第3の配線とを配置する必要がある。このため電気ヒューズを溶断しやすくする構成の平面占有面積が大きくなる。よって、電気ヒューズと、その電気ヒューズを切断するための切断トランジスタとを含む回路の平面占有面積が大きくなる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付の図面から明らかになるであろう。
一実施の形態に係る半導体装置によれば、シリコン金属からなる抵抗層が電気ヒューズの真上に配置されている。
一実施の形態によれば、電気ヒューズ素子を有する構成において小型化が容易な半導体装置を実現することが可能となる。
実施形態1に係る半導体装置のチップ状態における構成を示す平面図である。 冗長回路が形成された半導体チップの構成を模式的に示す平面図である。 電気ヒューズを有する回路構成を示す図である。 実施形態1に係る半導体装置の構成を示す平面図である。 図4のV-V線に沿う断面図である。 抵抗体を発熱させた際の電気ヒューズ素子の温度変化を示す図である。 実施形態1に係る半導体装置の変形例の構成を示す断面図である。 実施形態2に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 実施形態2に係る半導体装置として複数の抵抗部が直列接続された構成を示す平面図である。 実施形態2に係る半導体装置の変形例として複数の抵抗部が並列接続された構成を示す平面図である。 細い幅の単一抵抗部と、太い幅の単一抵抗部と、それぞれが細い幅の複数の抵抗部を並列接続した構成との各々における抵抗体の温度変化と電気ヒューズ素子の温度変化との関係を示す図である。 実施形態3に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 実施形態3に係る半導体装置の構成を示す平面図である。 シミュレーションに用いた構成を説明するための斜視図である。 抵抗体に対する電気ヒューズ素子の長さの比と抵抗体から電気ヒューズ素子への熱伝達の効率との関係を示す図である。 実施形態3に係る半導体装置の第1の変形例の構成を示す断面図である。 実施形態3に係る半導体装置の第2の変形例の構成を示す断面図である。 実施形態3に係る半導体装置の第2の変形例の構成を示す平面図である。 その他の実施形態に係る半導体装置における電気ヒューズ素子と抵抗層とを有する具体的な構成を示す断面図である。 その他の実施形態に係る半導体装置において電気ヒューズ素子が銅などの金属よりなる場合の構成を示す断面図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、明細書および図面において、同一の構成要素または対応する構成要素には、同一の符号を付し、重複する説明を繰り返さない。また図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。また各実施形態と各変形例との少なくとも一部は、互いに任意に組み合わされてもよい。
なお以下に説明する実施形態の半導体装置は、半導体チップに限定されず、半導体チップに分割される前の半導体ウエハでもよく、また半導体チップが樹脂で封止された半導体パッケージでもよい。また本明細書における平面視とは、半導体基板の表面に対して直交する方向から見た視点を意味する。
(実施形態1)
<チップ状態における半導体装置の構成>
まず実施形態1に係る半導体装置の構成としてチップ状態の構成について図1を用いて説明する。
図1に示されるように、本実施形態における半導体装置SCは、たとえばマイクロコンピュータである。半導体装置SCは、たとえばチップ状態であり、半導体基板を有している。半導体基板の表面および上方に電気素子が配置されている。半導体装置SCは、たとえばRAM(Random Access Memory)領域RAと、冗長回路領域RBと、電源回路領域RCと、CPU(Central Processing Unit)領域RD、周辺回路領域REとを有している。電源回路領域RCは、たとえば発振回路領域RFを有している。半導体装置SCは、複数のパッド電極PDを有している。複数のパッド電極PDの各々は、半導体装置SCに配置された電気素子に電気的に接続されている。
発振回路領域RFには発振回路が配置されている。発振回路は、たとえば容量素子の充電と放電との繰り返しによる発振動作によって所定の発振周期の出力信号を発生する。発振回路は、たとえばHOCO(High-speed On-Chip Oscillator)回路であるが、LOCO(Low-speed On-Chip Oscillator)回路であってもよく、またHOCO回路およびLOCO回路の双方を含んでいてもよい。
冗長回路領域RBには、予備の冗長回路部が配置されている。予備の冗長回路部は、所定の機能を有する特定回路部と同一の機能を有している。冗長回路領域RBには、特定回路部を冗長回路部に置き換えるために、溶断除去される電気ヒューズが設けられている。
<冗長回路部および電気ヒューズの構成および機能>
次に、冗長回路部および電気ヒューズの構成および機能について図2および図3を用いて説明する。
図2に示されるように、半導体装置SCには、複数のブロック(特定回路部)N1、N2、…、Nmが配置されている。複数のブロックN1、N2、…、Nmの各々は、互いに同じ機能を有している。複数のブロックN1、N2、…、Nmの各々は、たとえばRAM領域RA(図1)における複数個のメモリセルから構成されている。
複数のブロックN1、N2、…、Nmの各々を不活性化させるために切断可能なヒューズH1、H2、…、Hmが形成されている。また不活性化された各ブロックN1、N2、…、Nmのいずれかと置換可能なように、同一の機能を有する予備の冗長ブロック(冗長回路部)REDが配置されている。冗長ブロックREDは、冗長回路領域RB(図1)に配置されている。
MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタTRのゲート電極には、ヒューズHSを介して接地電源GDの電位が印加されている。これにより、MOSトランジスタTRは非導通状態に保持されている。よって、冗長ブロックREDは半導体装置SC内において電気的に分離されている。
また複数のブロックN1、N2、…、Nmの各々の不良を検出するために、試験用パッド電極PDa、PDbが配置されている。
次に、上記のように構成された半導体装置の機能試験について説明する。ここでは、通電によりヒューズを溶断除去する場合について述べる。
まず試験用パッド電極PDa、PDbを通じて、図示されていない機能試験装置(以下、テスタとも称する)からの電気信号が印加される。半導体装置SCが正常であれば、その印加された電気信号に対する期待信号が試験用パッド電極PDa、PDbから出力される。このとき、テスタでは半導体装置SCに印加された電気信号と出力される電気信号との相関関係をもとにして半導体装置SCの良/不良が判定される。各ブロックN1、N2、…、Nmのいずれかが不良と判定された場合には、不良ブロックと冗長ブロックREDとが置き換えられる。これにより、半導体装置SCは本来の実現すべき機能を満たし、それにより半導体装置SCが良品となる可能性が生ずる。
この不良ブロックと冗長ブロックREDとの置き換えは以下のようにして行なわれる。上述の機能試験によって、たとえばブロックN1の不良が検出されると、ヒューズH1およびHSが通電により溶断除去される。ヒューズH1の溶断により、不良ブロックN1が半導体装置SC内で電気的に分離する。
一方、ヒューズHSの溶断により、MOSトランジスタTRのゲート電極に電源PVの電圧が抵抗RRを通じて印加される。これによりMOSトランジスタTRが導通状態となり、不良ブロックN1が冗長ブロックREDによって置き換えられる。
次に、通電により溶断除去される電気ヒューズ素子の溶断除去について図3を用いて説明する。
図3に示されるように、電気ヒューズ素子EHは、レーザ光線を照射することによって切断するのではなく、電流を流すことによって切断するヒューズである。電気ヒューズ素子EHに電流を流すスイッチング素子として、切断用トランジスタCTが設けられている。
電気ヒューズ素子EHの一方端は電源電圧(Vdd)に電気的に接続される。電気ヒューズ素子EHの他方端は切断用トランジスタCTのドレインDに電気的に接続されている。切断用トランジスタCTのソースSは、接地電圧(GND)に接続される。
切断用トランジスタCTのゲートGにはレベルシフタLSが電気的に接続されている。レベルシフタLSは、切断用トランジスタCTをオン・オフさせるための信号を切断用トランジスタCTのゲートGに入力する。電気ヒューズ素子EHの他方端および切断用トランジスタCTのドレインの各々には、コア部COが電気的に接続されている。
各ブロックN1、N2、…、Nm(図2)のいずれかが不良であると判定された場合、レベルシフタLSにより切断用トランジスタCTがオン状態とされる。これにより電気ヒューズ素子EHに電流が流れ、電気ヒューズ素子EHが溶断除去される。コア部COは電気ヒューズ素子EHの状態を判定する判定回路であり、溶断除去されたと判定されれば、この判定結果をもって置換が行なわれる。
<電気ヒューズ素子の構成>
次に、本実施形態に係る半導体装置に含まれる電気ヒューズ素子の構成について図4および図5を用いて説明する。
図5に示されるように、半導体基板SBの表面に溝TREが形成されている。この溝TRE内に、絶縁層BIが埋め込まれている。この溝TREと絶縁層BIとによりSTI(Shallow Trench Isolation)構造が構成されている。
STI構造の上に電気ヒューズ素子EHが配置されている。電気ヒューズ素子EHは、たとえば不純物が導入された多結晶シリコン(以下、「ドープドポリシリコン」という)よりなっている。
電気ヒューズ素子EHを覆うように半導体基板SBの表面上に層間絶縁層I1が配置されている。層間絶縁層I1は、たとえばシリコン酸化膜よりなっている。層間絶縁層I1の上面は平坦化されている。
層間絶縁層I1の上面上であって、電気ヒューズ素子EHの真上には抵抗層RLが配置されている。抵抗層RLは、シリコン金属よりなっている。シリコン金属は、たとえばシリコンクロム(SiCr)、または炭素が導入されたシリコンクロム(SiCrC)である。
図4に示されるように、電気ヒューズ素子EHは、第1部分P1と、第2部分P2と、第3部分P3とを有している。第2部分P2は第1部分P1の一方端に配置されている。第3部分P3は第1部分P1の他方端に配置されている。第1部分P1は、第2部分P2と第3部分P3とによって挟まれている。
第2部分P2および第3部分P3の少なくとも1つの部分は、第1部分P1の配線幅W1よりも大きい配線幅W2、W3を有している。本実施形態においては、第2部分P2の最大配線幅W2および第3部分P3の最大配線幅W3の各々は、第1部分P1の配線幅W1よりも大きい。
第2部分P2は、平面視において、テーパ部TP2と、パッド部PD2とを有している。テーパ部TP2は、第1部分P1に接続されている。パッド部PD2は、テーパ部TP2に接続されている。テーパ部TP2は、第1部分P1とパッド部PD2との間に配置されている。テーパ部TP2は、平面視において、第1部分P1からパッド部PD2に向かって徐々に配線幅が大きくなるように構成されている。パッド部PD2は、平面視において、たとえば矩形状を有している。
第3部分P3は、平面視において、テーパ部TP3と、パッド部PD3とを有している。テーパ部TP3は、第1部分P1に接続されている。パッド部PD3は、テーパ部TP3に接続されている。テーパ部TP3は、第1部分P1とパッド部PD3との間に配置されている。テーパ部TP3は、平面視において、第1部分P1からパッド部PD3に向かって徐々に配線幅が大きくなるように構成されている。パッド部PD3は、平面視において、たとえば矩形状を有している。テーパ部TP2、TP3がなく、パッド部PD2、PD3が第1部分P1と直接接続されてもよい。
パッド部PD2は、ビアホールVHAとビアホールVHA内を埋め込むビア導電層VCAとを通じて配線層ITAに電気的に接続されている。パッド部PD3は、ビアホールVHBとビアホールVHB内を埋め込むビア導電層VCBとを通じて配線層ITBに電気的に接続されている。配線層ITA、ITB各々は、電気ヒューズ素子EHよりも上層に配置されている。配線層ITA、ITBは、同じ層から互いに分離して形成された層である。配線層ITA、ITBの各々は、金属からなっており、たとえばアルミニウム(Al)、銅(Cu)、アルミニウム・銅(AlCu)などからなっている。
抵抗層RLは、配線層ITA、ITBよりも上層に配置されている。抵抗層RLは、平面視において電気ヒューズ素子EHと重畳するように配置されている。抵抗層RLは、平面視において電気ヒューズ素子EHの全体と重畳している。抵抗層RLは、平面視において、第2部分P2および第3部分P3とは重畳せず、第1部分P1のみと重畳していてもよい。
抵抗層RLの配線幅W4は、電気ヒューズ素子EHの第1部分P1の配線幅W1よりも大きいことが好ましい。また抵抗層RLの配線幅W4は、電気ヒューズ素子EHの第2部分P2の配線幅W2および第3部分P3の配線幅W31よりも大きいことが好ましい。
<効果>
次に、本実施形態に係る半導体装置の効果について説明する。
本発明者らは、図5に示す構成において、シリコン金属よりなる抵抗層RLに電流を流して発熱させたときに電気ヒューズ素子EHの温度がどのように変化するかを調べた。このシミュレーションにおいて、抵抗層RLの配線幅W4を9.5μm、電気ヒューズ素子EHにおける第1部分P1の配線幅W1を0.18μmとした。その結果を図6に示す。
図6のグラフにおける横軸は抵抗層RLに流した電流量であり、縦軸は抵抗層RLと電気ヒューズ素子EHとの各々の温度増加である。図6の結果から、抵抗層RLに流される電流量が多いほど、抵抗層RLの温度は高くなることが分かった。また抵抗層RLの温度上昇に伴って、電気ヒューズ素子EHの温度も上昇することが分かった。
本実施形態においては図5に示されるように、抵抗層RLがシリコン金属よりなっている。シリコン金属は、多結晶シリコンよりも発熱しやすい材質である。このため抵抗層RLに通電することにより抵抗層RLは容易に発熱する。抵抗層RLが発した熱により、抵抗層RLの真下に位置する電気ヒューズ素子EHが加熱される。加熱された電気ヒューズ素子EHは、通電により溶断されやすくなる。
電気ヒューズ素子EHがたとえばドープドポリシリコンよりなる場合、通電によるエレクトロマイグレーションを利用して電気ヒューズ素子EHは溶断される。抵抗層RLの発熱で電気ヒューズ素子EHが加熱されることによって、電気ヒューズ素子EHにおけるエレクトロマイグレーションが促進され、電気ヒューズ素子EHは溶断されやすくなる。
上記のように電気ヒューズ素子EHを溶断する際に電気ヒューズ素子EHに流す電流を少なくすることができるため、切断用トランジスタCT(図3)を小型化することができる。このため電気ヒューズ素子EHを溶断する構成を小さな平面占有面積で実現することが可能となる。
なお一般的には電気ヒューズ素子EHの真上には配線などは配置されない。電気ヒューズ素子EHが溶断された場合に、電気ヒューズ素子EHの真上に配置された配線などがダメージを受けるためである。しかし本実施形態において抵抗層RLは電気ヒューズ素子EHの加熱のためだけに用いられる。このため抵抗層RLは、電気ヒューズ素子EHの溶断の際に電気ヒューズ素子EHを加熱できればよく、電気ヒューズ素子EHの溶断時にダメージを受けてもよい層である。
(実施形態1の変形例)
次に、実施形態1に係る半導体装置の変形例について図7を用いて説明する。
図7に示されるように、本変形例においては抵抗層RLを覆うように層間絶縁層I1の上に層間絶縁層I2が形成されている。層間絶縁層I2は、たとえばシリコン酸化膜よりなっている。層間絶縁層I2上であって、たとえば抵抗層RLの真上には金属層MLが配置されている。金属層MLは、金属からなっており、たとえばアルミニウム、銅、アルミニウム・銅などからなっている。金属層MLは、層間絶縁層I2よりも熱伝導率の高い材質からなっている。
なお上記以外の本変形例の構成は実施形態1の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本変形例においては、抵抗層RLの真上に金属層MLが配置されている。金属層MLは、層間絶縁層I2よりも熱伝達率の高い材質よりなっている。このため抵抗層RLで発生した熱の一部を、金属層MLを介在して上方へ逃がすことができる。これにより抵抗層RLの温度が必要以上に高くなることが抑制され、抵抗層RLが溶断することが抑制される。
(実施形態2)
次に、実施形態2に係る半導体装置の構成について図8および図9を用いて説明する。
図8に示されるように、本実施形態においては、抵抗層RLが複数の抵抗部RLa、RLb、RLcを有している。複数の抵抗部RLa、RLb、RLcの各々は、シリコン金属からなっており、たとえばシリコンクロム、または炭素が導入されたシリコンクロムからなっている。抵抗層RLは、3つの抵抗部RLa~RLcに限定されず、2つまたは4つ以上の抵抗部を有していてもよい。
複数の抵抗部RLa~RLcの各々は、層間絶縁層I1の上面に接して形成されている。複数の抵抗部RLa~RLcの配置領域ARは、電気ヒューズ素子EHの真上に位置している。複数の抵抗部RLa~RLcのうち少なくとも1つの抵抗部(たとえば抵抗部RLb)が電気ヒューズ素子EHの真上に位置していることが好ましい。
図9に示されるように、平面視において複数の抵抗部RLa~RLcの配置領域ARは、電気ヒューズ素子EHと重畳している。また平面視において、複数の抵抗部RLa~RLcのうち少なくとも1つの抵抗部(たとえば抵抗部RLb)が電気ヒューズ素子EHと重畳していることが好ましい。
なお複数の抵抗部RLa~RLcの配置領域ARは、平面視において複数の抵抗部RLa~RLcと、複数の抵抗部RLa~RLcにおける互いの間のスペースとを含む領域である。
抵抗層RLが複数の抵抗部RLa~RLcから構成される場合、電気ヒューズ素子EHの真上に抵抗層RLが配置されるとは、複数の抵抗部RLa~RLcの配置領域ARが電気ヒューズ素子EHの真上に配置されることを意味する。
複数の抵抗部RLa~RLcは、電気的に直列に接続されていてもよい。この場合、複数の抵抗部RLa~RLcは、たとえば抵抗部RLa、抵抗部RLb、抵抗部RLcの順で接続されている。
具体的には抵抗部RLaの長手方向の一方端部は、配線層FI1を介在して抵抗部RLbの長手方向の一方端部に電気的に接続されている。また抵抗部RLbの長手方向の他方端部は、配線層FI2を介在して抵抗部RLcの長手方向の一方端部に電気的に接続されている。
複数の抵抗部RLa~RLcの各々は、抵抗層RLにおける電流経路が平面視において蛇行するように配置されていることが好ましい。具体的には、複数の抵抗部RLa~RLcの各々の長手方向は、たとえば同じ方向に沿っており、互いに平行となっている。このような配置で、互いに隣り合う抵抗部RLa~RLcの長手方向の端部同士が上記のように配線層FI1、FI2を介在して電気的に接続されている。
なお抵抗層RLの電流経路が平面視において蛇行していれば、複数の抵抗部RLa~RLcの各々の長手方向は、互いに同じ方向に沿っていなくてもよい。
平面視にて、抵抗部RLaの長手方向における他方端部は、配線層FI3を介在して配線層SI1に電気的に接続されている。また平面視にて、抵抗部RLcの長手方向における他方端部は、配線層FI4を介在して配線層SI2に電気的に接続されている。
なお配線層FI1~FI4の各々は、同じ導電層FIから互いに分離して形成された層であり、たとえば抵抗部RLa~RLcの下層に配置されている。配線層SI1、SI2の各々は、同じ導電層SIから互いに分離して形成された層であり、たとえば抵抗部RLa~RLcの上層に配置されている。配線層FI1~FI4および配線層SI1、SI2の各々は、たとえばアルミニウム、銅、アルミニウム・銅などからなっている。
抵抗部RLa、RLbの各々は、ビアホールV1を通じて配線層FI1と電気的に接続されている。抵抗部RLb、RLcの各々は、ビアホールV1を通じて配線層FI2と電気的に接続されている。
抵抗部RLaは、ビアホールV1を通じて配線層FI3と電気的に接続されている。抵抗部RLcは、ビアホールV1を通じて配線層FI4と電気的に接続されている。配線層FI3は、ビアホールV2を通じて配線層SI1と電気的に接続されている。配線層FI4は、ビアホールV2を通じて配線層SI2と電気的に接続されている。
なお上記以外の本実施形態の構成は実施形態1の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施形態によれば図9に示されるように、抵抗層RLが複数の抵抗部RLa~RLcに細分されている。これにより抵抗部RLa~RLcの各々の配線幅を小さくでき、抵抗層RLの溶断耐性を向上させることができる。
ただし、抵抗部RLa~RLcの各々の配線幅が小さくなるため発熱効率が低下する。そこで複数の抵抗部RLa~RLcは、平面視において長手方向に互いに並走するように配置されている。特に本実施形態においては抵抗層RLの電流経路が平面視において蛇行するように複数の抵抗部RLa~RLcが配置されている。これにより平面視にて配置領域ARにおける抵抗部RLa~RLcの配置密度が向上し、発熱効率を高めることができる。
さらに複数の抵抗部RLa~RLcが電気的に直列に接続される。これにより発熱に必要な電流を低減することができる。
(実施形態2の変形例)
次に、実施形態2に係る半導体装置の変形例について図10を用いて説明する。
図10に示されるように、複数の抵抗部RLa~RLcは、電気的に並列に接続されていてもよい。この場合、複数の抵抗部RLa~RLcの各々の長手方向は、たとえば同じ方向に沿っており、互いに平行となっている。このような配置で、複数の抵抗部RLa~RLcの一方端部同士は、ビアホールV1を通じて配線層FI11により互いに電気的に接続されている。複数の抵抗部RLa~RLcの他方端部同士は、ビアホールV1を通じて別の配線層FI12により互いに電気的に接続されている。配線層FI11には、ビアホールV2を通じて配線層SI11が電気的に接続されている。配線層FI12には、ビアホールV2を通じて配線層SI12が電気的に接続されている。
なお複数の抵抗部RLa~RLcが互いに並列に接続されていれば、複数の抵抗部RLa~RLcの各々の長手方向は、互いに同じ方向に沿っていなくてもよい。
なお配線層FI11、FI12の各々は、同じ導電層FIから互いに分離して形成された層であり、たとえば抵抗部RLa~RLcの下層に配置されている。配線層SI11、SI12の各々は、同じ導電層SIから互いに分離して形成された層であり、たとえば抵抗部RLa~RLcの上層に配置されている。配線層FI11、FI12および配線層SI11、SI12の各々は、たとえばアルミニウム、銅、アルミニウム・銅などからなっている。
なお上記以外の本変形例の構成は実施形態2の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本発明者らは、試料A~Cの各々において、抵抗層RLに電流を流して発熱させたときの抵抗層RLの温度変化ΔTRLに対する、電気ヒューズ素子EHの温度変化ΔTEHについて調べた。試料A、Cの各々の抵抗層RLは、図5に示されるように単一の抵抗部のみからなる構成を有する。試料Bにおける抵抗層RLは、図10に示されるように複数の抵抗部RLa~RLcが並列接続された構成を有する。
試料Aでは、図5に示される抵抗層RLの配線幅W4を1.9μmとした。試料Cでは、図5に示される抵抗層RLの配線幅W4を9.5μmとした。試料Bでは、図9に示される抵抗部RLa~RLcの各々の配線幅W5を1.9μmとし、抵抗部RLa~RLcの各々の間隔W6を1.9μmとした。上記シミュレーションの結果を図11に示す。
図11のグラフにおける横軸は抵抗層RLの温度変化ΔTRLであり、縦軸は電気ヒューズ素子EHの温度変化ΔTEHである。図11の結果から、試料Aでは、抵抗層RLの温度上昇に対する電気ヒューズ素子EHの温度上昇が試料Cよりも小さいことが分かった。このことから細幅の単一の抵抗部を有する試料Aでは、太幅の単一の抵抗部を有する試料Cよりも、電気ヒューズ素子EHを加熱する効率が低いことが分かった。
一方、試料Bにおいては、抵抗層RLの温度上昇に対する電気ヒューズ素子EHの温度上昇が試料Cと同程度となることが分かった。このことから試料Bのように抵抗層RLを複数の抵抗部RLa~RLcに分けて並列に接続した場合には、抵抗部RLa~RLcの各々の配線幅W5が細くても、電気ヒューズ素子EHを加熱する効率が試料Cと同程度となることが分かった。
以上より本変形例によれば、抵抗層RLを複数の抵抗部RLa~RLcに分けて並列に接続することにより、抵抗部RLa~RLcの各々の配線幅W5が細くても、電気ヒューズ素子EHの加熱効率を、太幅の抵抗層RLを用いた場合と同程度に高くすることができる。
また本変形例によれば、抵抗部RLa~RLcの各々の配線幅W5が細いため、太い配線幅W4を有する場合よりも抵抗層RL自体の溶断耐性を向上させることができる。
(実施形態3)
次に、実施形態3に係る半導体装置の構成について図12および図13を用いて説明する。
図12に示されるように、本実施形態においては、電気ヒューズ素子EHと抵抗層RLとの間に伝熱体HTが配置されている。伝熱体HTは、層間絶縁層I1よりも高い熱伝導率を有している。
伝熱体HTは、たとえば複数の伝熱層HT1、HT2、HT3を有している。複数の伝熱層HT1~HT3は、互いに積層されている。複数の伝熱層HT1~HT3の各々は、たとえばアルミニウム、銅、アルミニウム・銅などからなっている。
伝熱層HT1は、電気ヒューズ素子EHを覆う層間絶縁層I1aの上面に接して配置されている。伝熱層HT1は、層間絶縁層I1bにより覆われている。伝熱層HT2は、層間絶縁層I1bの上面に接して配置されている。伝熱層HT2は、層間絶縁層I1cにより覆われている。伝熱層HT3は、層間絶縁層I1cの上面に接して配置されている。伝熱層HT3は、層間絶縁層I1dにより覆われている。抵抗層RLは、層間絶縁層I1dの上面に接して配置されている。
層間絶縁層I1a、I2b、I1c、I1dは、電気ヒューズ素子EHと抵抗層RLとの間に配置された層間絶縁層I1を構成している。
伝熱体HTは、複数の伝熱層HT1~HT3の各々を互いに電気的に接続する接続部CT1、CT2を有している。接続部CT1は、複数のビア導電層CT1を有している。接続部CT2は、複数のビア導電層CT2を有している。
複数のビア導電層CT1のそれぞれは、層間絶縁層I1bに設けられた複数のビアホールV3を埋め込んでいる。複数のビアホールV3は、層間絶縁層I1bの上面から伝熱層HT1に達している。複数のビア導電層CT1により、伝熱層HT1と伝熱層HT2とが電気的に接続されている。
複数のビア導電層CT2のそれぞれは、層間絶縁層I1cに設けられた複数のビアホールV4を埋め込んでいる。複数のビアホールV4は、層間絶縁層I1cの上面から伝熱層HT2に達している。複数のビア導電層CT2により、伝熱層HT2と伝熱層HT3とが電気的に接続されている。
ビア導電層CT1、CT2の各々は、たとえばタングステン(W)などよりなっている。またビア導電層CT1、CT2の各々は、タングステンと層間絶縁層I1b、I1cとの間に配置されたバリアメタル(たとえば窒化チタン(TiN))を有していてもよい。
複数の伝熱層HT1~HT3と複数のビア導電層CT1、CT2とにより、たとえば多層配線構造が構成されている。伝熱層HT1~HT3の各々は、ダミー配線である。ダミー配線とは、他の電気素子から電気的に分離した、電気信号を伝達しない配線である。
図13に示されるように、伝熱体HTに含まれる複数の伝熱層HT1~HT3の各々は、平面視において電気ヒューズ素子EHの全体と重畳している。複数の伝熱層HT1~HT3の各々の配線長LHTは、抵抗層RLの配線長LRL以上であることが好ましい。複数の伝熱層HT1~HT3の各々の配線幅WHTは、抵抗層RLの配線幅WRL以上とたとえば同じである。
なお複数の伝熱層HT1~HT3の各々の配線長LHTと抵抗層RLの配線長LRLとの各々は、平面視において電気ヒューズ素子EHに電流を流す方向の寸法である。また複数の伝熱層HT1~HT3の各々の配線幅WHTと抵抗層RLの配線幅WRLとの各々は、平面視において電気ヒューズ素子EHに電流を流す方向に直交する方向の寸法である。
なお上記以外の本実施形態の構成は実施形態1の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本発明者らは、図14に示されるように、電気ヒューズ素子EHと抵抗層RLとの間に単層の伝熱体HTを配置した構成において、伝熱体HTの配線長LHTと配線幅WHTとを変えたときの、抵抗層RLから電気ヒューズ素子EHへの熱伝達効率の変化を調べた。なおこのシミュレーションは、抵抗層RLの配線長LRLを47.5μmに固定し、配線幅WRLを9.5μmに固定して行なった。その結果を図15に示す。
図15のグラフにおける横軸は、抵抗層RLの配線長LRLに対する伝熱体HTの配線長LHTの比(LHT/LRL)である。また縦軸は、抵抗層RLの温度変化ΔT(RL)に対する電気ヒューズ素子EHの温度変化ΔT(EH)の比(ΔT(EH)/ΔT(RL))であり、抵抗層RLから電気ヒューズ素子EHへの熱伝達効率を示している。
図15の結果から、抵抗層RLの配線長LRLに対する伝熱体HTの配線長LHTの比(LHT/LRL)が80%以上になると、熱伝達効率(ΔT(EH)/ΔT(RL))が向上することが分かった。また80%以上の比(LHT/LRL)における熱伝達効率(ΔT(EH)/ΔT(RL))の向上は、伝熱体HTの配線幅WHTが大きいほど顕著であることが分かった。
また抵抗層RLの配線長LRLと伝熱体HTの配線長LHTとが同じ寸法となるときに(つまり比(LHT/LRL)が100%となるときに)、熱伝達効率(ΔT(EH)/ΔT(RL))が最大となることが分かった。さらに伝熱体HTを設けることによって、伝熱体HTがない場合と比較して、熱伝達効率(ΔT(EH)/ΔT(RL))が約3倍向上することも分かった。
以上より本実施形態においては、電気ヒューズ素子EHと抵抗層RLとの間に伝熱体HTが配置されているため、抵抗層RLで発した熱を効率的に電気ヒューズ素子EHへ伝達することができる。このため電気ヒューズ素子EHを溶断する際に電気ヒューズ素子EHに流す電流量をさらに少なくすることができる。よって切断用トランジスタCTをさらに小型化することができる。
また伝熱体HTは単一の層から構成されていてもよい。たとえば伝熱体HTは、図12における伝熱層HT1~HT3のいずれか1層のみから構成されていてもよい。これにより伝熱体HTの構成をシンプルにすることが可能である。
また図12に示されるように、伝熱体HTが複数の伝熱層HT1~HT3を含むことにより、電気ヒューズ素子EHと抵抗層RLとの間隔が大きくなっても抵抗層RLから電気ヒューズ素子EHへ効率的に熱を伝達することが可能となる。
また図12に示されるように、伝熱体HTが複数の伝熱層HT1~HT3の各々を互いに接続する接続部CT1、CT2を含むことにより、複数の伝熱層HT1~HT3の間で効率的に熱を伝達することが可能となる。
また図13に示されるように、平面視において複数の伝熱層HT1~HT3の少なくとも1つは抵抗層RLの全体と重畳し、かつ抵抗層RLの平面占有面積よりも大きい平面占有面積を有している。このため抵抗層RLから発せられる熱を複数の伝熱層HT1~HT3の少なくとも1つにより幅広く受け止めることができ、かつ受け止めた熱を電気ヒューズ素子EHへ伝えることができる。よって、より効率的に電気ヒューズ素子EHへ熱を伝達することができる。
(実施形態3の変形例)
次に、実施形態3に係る半導体装置の変形例について図16を用いて説明する。
図16に示されるように、複数の伝熱層HT1~HT3の配線幅は、電気ヒューズ素子EHに近い伝熱層ほど小さい。具体的には、伝熱層HT3よりも電気ヒューズ素子EHの近くに位置する伝熱層HT2は、伝熱層HT3よりも小さい配線幅を有している。また伝熱層HT2よりも電気ヒューズ素子EHの近くに位置する伝熱層HT1は、伝熱層HT2よりも小さい配線幅を有している。
なお上記以外の本変形例の構成は実施形態3の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本変形例においては、複数の伝熱層HT1~HT3の配線幅が電気ヒューズ素子EHに近い伝熱層ほど小さくなっているため、抵抗層RLから発せられる熱を電気ヒューズ素子EHに向けて集中させることができる。このため、より効率的に電気ヒューズ素子EHを加熱することができる。
なお図17および図18に示されるように、伝熱体HTを設けた構成と、実施形態2のように抵抗層RLが複数の抵抗部RLa~RLcを有する構成とが組み合わされてもよい。これにより実施形態2と実施形態3との双方の効果を得ることができる。なお図17および図18における複数の抵抗部RLa~RLcは、直列に接続されていてもよく、並列に接続されていてもよい。
(その他)
次に、電気ヒューズ素子EHと抵抗層RLとを有する具体的な構成について図19を用いて説明する。
図19に示されるように、この半導体装置は、電気ヒューズ素子EHと、伝熱体HTと、抵抗層RLと、金属層MLとを有している。電気ヒューズ素子EHは、半導体基板SBのSTI構造上に配置されている。電気ヒューズ素子EHは、たとえばドープドポリシリコンよりなっている。
電気ヒューズ素子EHは、層間絶縁層I1aにより覆われている。配線層ITA、ITBの各々は、層間絶縁層I1a上に配置されている。配線層ITAは、層間絶縁層I1aのビアホールVHA内を埋め込むビア導電層VCAを介在して電気ヒューズ素子EHと電気的に接続されている。配線層ITBは、層間絶縁層I1aのビアホールVHB内を埋め込むビア導電層VCBを介在して電気ヒューズ素子EHと電気的に接続されている。
電気ヒューズ素子EHの真上には、伝熱体HTが配置されている。伝熱体HTは、たとえば多層配線構造を有している。伝熱体HTは、複数の伝熱層HT1~HT3と、接続部CT1、CT2とを有している。伝熱層HT1は、たとえば配線層ITA、ITBと同一の層から分離して構成されている。
伝熱体HTの構成は、図12に示される伝熱体HTの構成とほぼ同じであるため,図12と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
電気ヒューズ素子EHの真上であって伝熱体HTの真上には、抵抗層RLが配置されている。抵抗層RLには、配線層ITC、ITDの各々が電気的に接続されている。具体的には、抵抗層RLは、層間絶縁層I1dのビアホールVHC内を埋め込むビア導電層VCCを介在して配線層ITCに電気的に接続されている。また抵抗層RLは、層間絶縁層I1dのビアホールVHD内を埋め込むビア導電層VCDを介在して配線層ITDに電気的に接続されている。配線層ITC、ITDの各々は、たとえば伝熱層HT3と同一の層から分離して構成されている。
抵抗層RLは、層間絶縁層I2により覆われている。金属層MLは、層間絶縁層I2上に配置されている。金属層MLは、抵抗層RLの真上に配置されている。
なお上記においては、電気ヒューズ素子EHがドープドポリシリコンよりなる場合について説明したが、電気ヒューズ素子EHはたとえば銅などの金属よりなっていてもよい。この場合には、半導体装置はたとえば図20に示すような構成を有していてもよい。
図20に示されるように、多層の配線層IT1、IT2、IT3、IT4の各々がたとえば銅または銅合金よりなっている。電気ヒューズ素子EHは、たとえば配線層IT3と同じ層から分離して形成され、かつ銅または銅合金よりなっている。
配線層IT1は、層間絶縁層IAの上面に設けられた溝内に配置されている。層間絶縁層IA上には、層間絶縁層IBが配置されている。配線層IT2は、層間絶縁層IBの上面に設けられた溝内に配置されている。配線層IT2は、層間絶縁層IBのビアホール内を埋め込むビア導電層を介在して配線層IT1と電気的に接続されている。
層間絶縁層IB上には、層間絶縁層ICが配置されている。配線層IT3および電気ヒューズ素子EHの各々は、層間絶縁層ICの上面に設けられた溝内に配置されている。配線層IT3は、層間絶縁層ICのビアホール内を埋め込むビア導電層を介在して配線層IT2と電気的に接続されている。
層間絶縁層IC上には、層間絶縁層IDが配置されている。配線層IT4は、層間絶縁層IDの上面に設けられた溝内に配置されている。配線層IT4は、層間絶縁層IDのビアホール内を埋め込むビア導電層を介在して配線層IT3と電気的に接続されている。
層間絶縁層ID上には、層間絶縁層IEが配置されている。層間絶縁層IE上には、抵抗層RLが配置されている。抵抗層RLは、電気ヒューズ素子EHの真上に配置されている。抵抗層RLは、シリコン金属よりなっている。抵抗層RLは、層間絶縁層IEのビアホール内を埋め込むビア導電層を介在して配線層IT4と電気的に接続されている。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
AR 配置領域、BI 絶縁層、CO コア部、CT 切断用トランジスタ、CT1,CT2,VCA,VCB,VCC,VCD ビア導電層、D ドレイン、EH 電気ヒューズ素子、FI1~FI4,FI11,FI12,IT1~IT4,ITA,ITB,ITC,ITD,SI1,SI2,SI11,SI12 配線層、G ゲート、GD 接地電源、H1,H2,Hm,HS ヒューズ、HT 伝熱体、HT1,HT2,HT3 伝熱層、I1,I1a,I1b,I1c,I1d,I2,IA,IB,IC,ID,IE 層間絶縁層、LS レベルシフタ、ML 金属層、N1,N2,Nm ブロック、P1 第1部分、P2 第2部分、P3 第3部分、PD パッド電極、PD2,PD3 パッド部、PDa 試験用パッド電極、PV 電源、RA RAM領域、RB 冗長回路領域、RC 電源回路領域、RD CPU領域、RE 周辺回路領域、RED 冗長ブロック、RF 発振回路領域、RL 抵抗層、RLa,RLb,RLc 抵抗部、RR 抵抗、S ソース、SB 半導体基板、SC 半導体装置、TP2,TP3 テーパ部、TR トランジスタ、TRE 溝、V1,V2,V3,V4,VHA,VHB ビアホール。

Claims (10)

  1. 電気ヒューズ素子と、
    前記電気ヒューズ素子上を覆う層間絶縁層と、
    シリコン金属からなり、前記層間絶縁層上であって前記電気ヒューズ素子の真上に配置された抵抗層と、を備えた、半導体装置。
  2. 前記抵抗層の真上に配置された金属層をさらに備えた、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記抵抗層は、シリコン金属よりなる複数の抵抗部を有し、
    前記複数の抵抗部は、電気的に直列または並列に接続されている、請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記複数の抵抗部の各々は、前記抵抗層における電流経路が平面視において蛇行するように電気的に直列に接続されている、請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記電気ヒューズ素子と前記抵抗層との間に配置され、かつ前記層間絶縁層よりも高い熱伝導率を有する伝熱体をさらに備えた、請求項1に記載の半導体装置。
  6. 前記伝熱体は、単一の層から構成されている、請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記伝熱体は、互いに積層された複数の伝熱層を有する、請求項5に記載の半導体装置。
  8. 前記伝熱体は、前記複数の伝熱層の各々を互いに接続する接続部をさらに有する、請求項7に記載の半導体装置。
  9. 前記複数の伝熱層のうち少なくとも1つの伝熱層の平面占有面積は、前記抵抗層の平面占有面積よりも大きい、請求項8に記載の半導体装置。
  10. 前記複数の伝熱層の配線幅は、前記電気ヒューズ素子に近い前記伝熱層ほど小さい、請求項8に記載の半導体装置。
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