JP3648399B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、リンダンダンシ技術に関し、特にレーザリペア用のヒューズを具備する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体チップに搭載される半導体素子の数の増大に伴い、不良発生セルエレメントを予備エレメントに置き換えることにより、不良チップを救済するリンダンダンシ技術を用いた半導体装置がある。予備エレメントへの切り替えは、その回路の占有面積が小さく、設計自由度の比較的大きい、レーザによるヒューズ切断方法が用いられている。
【0003】
現在、リンダンダンシ技術に用いられるヒューズは、レーザによる切断を容易にする為に、ヒューズ膜厚が薄くなる下層配線層に形成されている。ところが、上層配線層に、ヒューズを形成することが望まれている。
【0004】
図8(a)及び図(b)は、それぞれ下層配線層及び上層配線層を用いてヒューズを切断する場合のヒューズ占有面積の関係を示している。図8において、81はSi基板、82は層間絶縁膜、83は下層配線、84は下層配線層と同層に形成されたヒューズ、85は上層配線、86は上層配線層と同層に形成されたヒューズである。
【0005】
図8に示すように、下層配線83と同層にヒューズ84を形成すると上層配線85と同層に形成したヒューズ86の場合と比較して、ヒューズ84の上部層に他の配線を形成する領域が著しく制限されることが分かる。
【0006】
ところが、現在の下層配線層の膜厚は約300nm以下であるのに対して、上層配線層の膜厚は400nmから1600nmであり、上層配線層でヒューズを形成するためにはこれらの厚膜ヒューズを切断する必要が生じる。ヒューズの厚膜化は、ヒューズを切断する為に必要なレーザエネルギーを著しく増大させ、Si基板や隣接するヒューズなど切断するヒューズ以外の領域への照射損傷の増大をもたらすという問題点があった。
【0007】
また、半導体装置の微細化、高集積化に伴いヒューズの微細化も進行している。微細ヒューズに対応するためには、短波長のレーザを用いて、レーザビームの絞り限界を向上させる必要がある。
【0008】
しかしながら、図4に示すように、Siに対するレーザ吸収係数は、波長約1100nm以下の領域で著しく増大する。すなわち、ビーム径の縮小に伴う短波長化は、ヒューズ下部のSi基板へレーザ照射損傷を与えやすくする。
【0009】
このように、レーザ波長の短波長化は、ビーム径の絞り限界を向上するというメリットを生じる一方で、Si基板へ照射損傷を与える敷居エネルギーが低下するというデメリットを生む。これらのメリット、デメリットをよく考慮した上で、ヒューズを厚膜金属層に形成するために最も適したレーザ波長、ビーム径に対する、ヒューズデザインを提供する必要があるが、現在これらの知見は得られていない。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、上部の配線層にヒューズを形成することにより、ヒューズが厚膜化する。ヒューズの厚膜化は、ヒューズを切断する為に必要なレーザエネルギーを著しく増大させ、Si基板や隣接するヒューズなど切断するヒューズ以外の領域への照射損傷の増大をもたらすという問題点があった。
【0011】
また、レーザ波長の短波長化は、ビーム径の絞り限界を向上するというメリットを生じる一方で、Si基板へ照射損傷を与える敷居エネルギーが低下するという問題があった。
【0012】
本発明の目的は、厚膜のリンダンダンシ技術を用いたヒューズの切断、或いは波長1100nm以下のレーザを用いてのヒューズの切断であっても、下地のSi基板や切断するヒューズ以外等の切断するヒューズ以外の領域への照射損傷の低減を図り得る半導体装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
[構成]
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
【0014】
(1)本発明(請求項1)の半導体装置は、波長1000〜1100nm、ビーム径Dのレーザを照射することにより切断されるリンダンダンシ用のヒューズが最下層の配線層より上に形成された半導体装置において、前記ヒューズの膜厚T及び幅Wが、
T≦(−0.15(D+2σ)+0.46)exp(2W)
(σはレーザの中心とヒューズの中心との合わせ精度)
の条件を満たす事を特徴とする。
【0015】
(2)本発明(請求項2)の半導体装置は、波長600nm以下、ビーム径D(μm)のレーザを照射することにより切断されるリンダンダンシ用ヒューズを具備する半導体装置において、前記ヒューズの幅W(μm)が、
W≧D+2σ
(σはレーザの中心とヒューズの中心との合わせ精度)
の条件を満たす事を特徴とする。
【0016】
本発明(請求項1,2)に好ましい実施態様を以下に示す。
【0017】
前記ヒューズの膜厚Tは、400nm以上である。
前記ヒューズは、最下層の配線層以外に形成されている。さらに好ましくは、前記ヒューズは、半導体装置の最上層若しくは最上層より1層下の配線層に形成されている。
前記ヒューズは、AlやCu等の金属材料で形成された配線層と同一の層に形成され、該金属材料と同一の材料で形成されている前記ヒューズはAlやCu等の同層の金属配線と同材料で形成されている。
【0018】
[作用]
本発明は、上記構成によって以下の作用・効果を有する。
【0019】
波長1000nm〜1100nm,ビーム径Dのレーザを用いて切断されるヒューズの場合、前記ヒューズ膜厚Tとヒューズ幅Wが、
T≦(−0.15(D+2σ)+0.46)exp(2W)
(σはレーザの中心とヒューズの中心との合わせ精度)
の条件を満たすようにヒューズを形成することによって、Si基板や隣接するヒューズなど切断するヒューズ以外の領域に照射損傷を与えることなくヒューズを切断する事が可能となる。
【0020】
現在リンダンダンシ用のレーザ波長は1000〜1400nmの赤外光が用いられているが、波長600nm,ビーム径Dのレーザを用いて切断されるヒューズの場合、前記ヒューズ膜厚Tとヒューズ幅Wが、
W≧D+2σ
(σはレーザの中心とヒューズの中心との合わせ精度)
の条件を満たすようにヒューズを形成することによって、Si基板や隣接するヒューズなど切断するヒューズ以外の領域に照射損傷を与えることなくヒューズを切断する事が可能になり、ビーム絞り限界が向上し、より狭ピッチヒューズに対応する事が可能になる。
【0021】
現状のヒューズ膜厚は、ヒューズを下層に形成している為に、ヒューズ膜厚は約300nm以下であるが、前述した関係式を用いることにより、膜厚400nm以上のヒューズを切断する事が可能になる。ヒューズを上層に形成することにより、ヒューズのエリアペナルティーを削減する事が可能になる。
【0022】
また、現在ヒューズは、シリコン多結晶やタングステンシリサイド等の材料を用いた下層配線と同材料のヒューズで形成されているが、AlやCu等で構成された上層のヒューズを切断する事が可能になる。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【0024】
図1は、本発明の第1実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。Si基板11上に形成された層間絶縁膜12中に下層配線13が形成されている。下層配線13の上方に、ヴィア14を介してAlやCu等の上層金属配線15が形成されている。上層金属配線15と同じ層にリンダンダンシ用のヒューズ16が形成されている。
【0025】
そして、ヒューズ16が、波長1000〜1100nm、ビーム径Dのレーザを照射することにより切断される場合、ヒューズ16の膜厚T及び幅Wが、
T≦(−0.15(D+2σ)+0.46)exp(2W) (1)
(σはレーザの中心とヒューズの中心との合わせ精度)
の条件を満たして形成されている。
【0026】
また、ヒューズ16が、波長600nm以下、ビーム径D(μm)のレーザを照射することにより切断される場合、ヒューズ16の幅Wが、
W≧D+2σ (2)
(σはレーザの中心とヒューズの中心との合わせ精度)
の条件を満たして形成されている。
【0027】
(1)又は(2)式の条件を満たすように、ヒューズ16を形成することで、レーザの照射によるヒューズ16を切断する際に、Si基板11や隣接するヒューズ及び上層配線15などの他の領域にレーザの照射による損傷を抑制することができる。
【0028】
次に、(1)式又は(2)式の条件を満たすことによって、レーザの照射による損傷を抑制することができることを説明する。
【0029】
先ず、ヒューズ16をレーザ照射により切断する際、切断に必要なエネルギーやSi基板11の照射損傷の観察を行った。ヒューズ16の膜厚Tは、400nm〜1600nm、ヒューズ16の幅Wは0.1μm〜1.5μmまでの範囲で評価を行った。
【0030】
切断に用いるレーザは、Nd3+YLFレーザ(波長1047nm)、Nd3+YAGレーザ(波長1064nm)、Nd3+YAG第2高調波(波長532nm)、Nd3+第3高調波(波長355nm)及びNd3+第4高調波(波長266nm)であり、いずれのレーザもパルス幅は5〜10nsec.である。また、ヒューズの切断に用いる装置における、切断するヒューズの中心とレーザ中心の合わせ精度は±0.2μmであった。
【0031】
図2は、図1のヒューズを切断する際の工程を示す工程断面図である。図2(a)に示すように、切断対象のヒューズ16の上方の層間絶縁膜12に対してレーザを照射する。そして、図2(b)に示すように、レーザ照射による熱によって、ヒューズ16が切断される。
【0032】
なお、ヒューズの切断の際、切断後のヒューズ16の電気抵抗を測定する事により、ヒューズ16の切断に必要なレーザエネルギーを求める。このとき、切断後の抵抗は、初期抵抗と比較して6桁以上上昇する必要があるとした。また、Si基板11及び隣接する上層配線15及び隣接するヒューズへのレーザ照射損傷は、断面構造をSEMによって観察することにより評価した。
【0033】
図3は、Si基板に対してレーザ照射損傷を生じない為に必要なレーザエネルギー条件の波長依存性を示している。図3(a)に示すように、波長532nm、355nm及び266nmの短波長レーザを用いた場合には、Si基板11に到達するレーザエネルギーを0.3J/cm2 以下に抑制する事が必要であることが分かる。また、図3(b)に示すように、波長1064nm及び波長1047nmのレーザを用いた場合には、6.5J/cm2 までのレーザを照射してもSi基板11にレーザ照射損傷が生じない事が分かる。以上の結果は、レーザ波長を短波長化する事により、Si基板11にレーザ照射損傷を与えやすくなることを示している。
【0034】
図4に示すように、Siのレーザ吸収係数は波長が短くなるに従って著しく増大し、その値は、1064nmでは600cm-1、1047nmでは750cm-1、532nmでは2×104 cm-1、355nmでは8×105 cm-1、266nmでは1.5×106 cm-1となる。すなわち、それぞれ波長でのSi中への吸収深さは、17μm、14μm、0.5μm、12nm及び7nmとなる。
【0035】
波長1047nm及び1064nmのレーザ照射によって、Si基板11に照射を与えるエネルギーが、波長532nm以下の場合と比較して十分大きくなるのは、Siの吸収深さが短波長の場合よりも長くなりレーザエネルギーがSi基板11中に広く分布する為であると思われる。
【0036】
今回使用したレーザのパルス幅は5〜10nsec.であるので、レーザ照射時間中のSi基板11の熱拡散長は約1μmとなる。これに対し、波長600nm以下のレーザの吸収深さは1μm以下となり、熱拡散長よりも短くなることが分かる。よって、波長600nm以下の照射では、近似的に、レーザ照射中は深さ約1μmの領域にレーザエネルギーが蓄積されると考えてよい。これに対し、波長1000nm〜1100nmでは、レーザ吸収深さは10〜20μmとなり、吸収深さが熱拡散長と比較して十分長くなる為に、レーザ吸収深さの領域にエネルギーが蓄積されることになる。
【0037】
この場合のSi基板11中の温度分布は近似的に次式のように表わされる。
【0038】
F/β(1−R)cxp(−z/β)=Cv ・ΔT (3)
なお、βはエネルギーの蓄積深さ(1000〜1100nm:10〜20μm、600nm以下:1.0μm)、Fはレーザエネルギー密度、Rは反射率、zはSi表面からの深さ、Cv は体積比熱、ΔTは上昇温度である。
【0039】
(3)式より、波長600nm以下のレーザでSi基板11に損傷を与えない0.3J/cm2 のレーザエネルギーを照射すると、Si表面温度は約1000℃まで上昇すると見積もられる。さらに波長1064nm及び1047nmのレーザ照射で損傷を与えない6.5J/cm2 のエネルギー密度においても、約1000℃〜1400℃にまで温度が上昇すると見積もられる。Siの融点は1410℃であり、いずれの見積もられた温度も融点以下であることから、Si基板11に損傷を与えない為にはレーザ照射直後のSi表面温度を融点以下にする必要があると考えられる。
【0040】
ところで、以下に示すように、Si基板11に対するレーザ照射損傷は、波長600nm以下のレーザと波長1000nm〜1100nmのレーザを用いた場合には著しく異なる。波長1000nm〜1100nmのレーザを用いた場合と波長600nm以下のレーザを用いた場合、ヒューズの切断とSi基板11への損傷の関係から得られる、Si基板11への損傷を与えないためのヒューズに必要な条件を説明する。
【0041】
(1)波長1000〜1100nmのレーザを用いる場合
図5(a)及び図5(b)は、ビーム径がそれぞれ2.0μmφ及び1.6μmφの波長1000〜1100のレーザを用いてヒューズを切断した際に、Si基板に照射損傷が生じるレーザエネルギーを示している。また、図5中には、膜厚400nm、800nm、1200nm及び1600nmのヒューズを切断する為に必要なレーザエネルギーも示している。
【0042】
ヒューズの膜厚ばらつきやレーザエネルギー安定性を考慮すると、ヒューズ切断エネルギーからSi基板11に損傷を与えるエネルギーまで、少なくとも10J/cm2 以上の差が得られなければならないと言われている。すなわち、ビーム径2.0μmφのレーザを用いて膜厚400nm、800nm、1200nm及び1600nmのヒューズを切断する為には、ヒューズ幅をそれぞれ0.75μm、1.1μm、1.3μm及び1.4μm以上にする必要がある。またビーム径を1.6μmにした場合には、それぞれの膜厚のヒューズ幅を0.45μm、0.75μm、0.9μm及び1.1μm以上にする必要がある。
【0043】
図6は、ある膜厚のヒューズを切断する際に最低限必要とされるヒューズ幅を示している。図6より、あるヒューズ膜厚に対する最低限必要とされるヒューズ幅の関係は、片対数プロットでほぼ直線で近似出来る事が分かる。この直線の傾きは、2であるので図6中の実線は、次式のように表わす事ができる。
【0044】
T=Aexp(2W) (4)
ここで、Aは図6の切片であり、ビーム径1.6μmφ、2.0μmφにおいて、それぞれ0.16μm及び0.1μmとなる。さらにビーム径1.8μmφにおいては、Aは0.13μmとなることが求められている。すなわちAはビーム径D(μm)及び合わせ精度σ(μm)を用いて下式のように示す事ができる。
【0045】
A=−0.15(D+2σ)+0.46 (5)
(4)及び(5)式で示されるヒューズ幅Wと膜厚Tの関係を図6中の実線で示す。この実線と実験結果のプロットは、±10%の範囲で良く一致している。従って、あるヒューズ膜厚T(μm)のヒューズをビーム径D(μm)のレーザを用いて切断する際には、次式を満たすヒューズ幅W(μm)に設定することにより、Si基板11に損傷をあたすることなくヒューズを切断する事が可能になる。
T≦(−0.15(D+2σ)+0.46)exp(2W) (6)
従来のヒューズの膜厚は約300nm以下であるのに対し、本提案の関係式を用いると波長1000nm〜1100nmまでのレーザを用いて、ヒューズの大幅な厚膜化が可能になると共に、Si基板11及び隣接する上層配線15及びヒューズへのレーザ損傷を抑制することができる。
【0046】
(2)波長600nm以下のレーザを用る場合
図7は、波長532nm、355nm、266nmを用いて、(a)ビーム径1.0μmφ及び(b)ビーム径0.5μmφのレーザを用いてヒューズを切断した場合に、ヒューズを切断する為に必要なエネルギーとSi基板に損傷を与えるエネルギーの関係を示している。
【0047】
図7より、ヒューズを切断する為には数J/cm2 以上のレーザエネルギーが必要であることが分かる。一方、図3を用いて説明したように、波長600nm以下のレーザを用いる場合には、Si基板11に到達するレーザエネルギーを0.3J/cm2 以下に抑制する必要がある。このように、短波長領域のレーザを用いるとヒューズ切断のエネルギーがSi基板11の損傷エネルギーと比較して十分大きくなる。よって、Si基板11に照射損傷を与えることなくヒューズを切断する為には、レーザエネルギーを切断するヒューズで完全に遮蔽する必要が生じる。すなわち、レーザ中心とヒューズの中心の合わせ精度をσとすると、ビーム径Dのレーザを用いる為に必要なヒューズ幅Wは
W≧D+2σ (7)
となる。今回の評価に用いた装置の合わせ精度は0.2μmであるので、上式よりビーム径1.0μm及び0.5μmのレーザを用いたときに必要とされるヒューズ幅はそれぞれ、1.4μm及び0.9μmとなる。
【0048】
図7の実験結果でも、ビーム径1.0μm及び0.5μmにおいては、それぞれヒューズ幅1.4μm及び0.9μm以上でSi基板11に照射損傷を与えるレーザエネルギーが著しく増大しており、(7)式の結果と非常に良く一致していることが分かる。
【0049】
すなわち、波長600nm以下のレーザを用いる場合には、(6)式の関係を満たすようにヒューズ16の幅を設定することによりSi基板11やヒューズ16に隣接する領域に損傷を与えることなくヒューズ16を切断する事が可能となる。
【0050】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ヒューズは、最上層の配線層に形成されているが、最上層への形成に限るものではない。但し、下層の配線層にヒューズを形成すると、ヒューズの上部層に他の配線を形成する領域が著しく制限されるので、最上層或いは最上層より1層下の配線層に形成することが好ましい。
【0051】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、厚膜のリンダンダンシ技術を用いたヒューズの切断、或いは波長1100nm以下のレーザを用いてのヒューズの切断であっても、下地のSi基板や切断するヒューズ以外等の切断するヒューズ以外の領域への照射損傷の低減を図り得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図。
【図2】図1のヒューズを切断する際の工程を示す工程断面図。
【図3】Si基板に対してレーザ照射損傷を生じない為に必要なレーザエネルギー条件の波長依存性を示す特性図。
【図4】Siに対するレーザ吸収係数の波長依存性を示す特性図。
【図5】ビーム径がそれぞれ2.0μmφ及び1.6μmφの波長1000〜1100のレーザを用いてヒューズを切断した際に、Si基板に照射損傷が生じるレーザエネルギーを示す図。
【図6】ある膜厚のヒューズを切断する際に最低限必要とされるヒューズ幅を示す図。
【図7】ヒューズを切断する為に必要なエネルギーとSi基板に損傷を与えるエネルギーの関係を示す図。
【図8】下層配線層及び上層配線層を用いてヒューズを切断する場合のヒューズ占有面積の関係を示す図。
【符号の説明】
11…Si基板
12…層間絶縁膜
13…下層配線
14…ヴィア
15…上層金属配線
16…ヒューズ
Claims (5)
- 波長1000〜1100nm、ビーム径Dのレーザを照射することにより切断されるリンダンダンシ用のヒューズを具備する半導体装置において、
前記ヒューズの膜厚T及び幅Wが、
T≦(−0.15(D+2σ)+0.46)exp(2W)
(σはレーザの中心とヒューズの中心との合わせ精度)
の条件を満たす事を特徴とする半導体装置。 - 波長600nm以下、ビーム径D(μm)のレーザを照射することにより切断されるリンダンダンシ用ヒューズを具備する半導体装置において、
前記ヒューズ幅のW(μm)が、
W≧D+2σ
(σはレーザの中心とヒューズの中心との合わせ精度)
の条件を満たす事を特徴とする半導体装置。 - 前記ヒューズの膜厚Tは、400nm以上である事を特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記ヒューズは、最下層の配線層以外に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記ヒューズは、金属材料で形成された配線層と同一の層に形成され、該金属材料と同一の材料で形成されていることを特徴とする、請求項4に記載の半導体装置。
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