JP5307437B2

JP5307437B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5307437B2
Application number: JP2008104277A
Authority: JP
Inventors: 洋道高岡; 吉孝窪田; 浩嗣津田
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-04-14
Also published as: US8304852B2; CN101562172A; DE102009017049A1; US20090256235A1; CN101562172B; CN102683320A; CN102683320B; JP2009259881A

Description

本発明は半導体装置に関し、とくに電気ヒューズを含む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１（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。また、特許文献２（特開２００５−５７１８６号公報）には、ヒューズ溶断部の下方および上方がプレートで覆われ、側方がビアで覆われた構成が記載されている。

特許文献３（特開２００６−２５３２３７号公報）には、第１の配線と、第１の配線の上方に絶縁膜を挟んで形成された第２の配線と、第１の配線と第２の配線とを接続するように絶縁膜中に形成された第１のビアとからなるヒューズ素子が記載されている。ここで、第１のビアの主要部は、第１の配線および第２の配線のそれぞれの主要部と比べてエレクトロマイグレーションを起こしやすい材料により構成されている。また、ビアの周囲にビアを加熱するヒータ配線を設けた構成が記載されている。これにより、ビア切断時におけるビア周囲の温度を上げることができ、効率的にビアを切断できるとされている。
特開２００５−３９２２０号公報特開２００５−５７１８６号公報特開２００６−２５３２３７号公報特開２００７−３０５６９３号公報

しかし、特許文献１から３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たり、半導体装置自体が実使用時に発生させる熱に曝されたりすることで、材料が移動し、その結果、切断箇所で再接続が生じる可能性が考えられる。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。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。

このような問題を解決すべく、近年、特許文献４（特開２００７−３０５６９３号公報）に記載されたように、クラックアシスト型と呼ばれる、新たな電気ヒューズの切断方法が提案されている。この方法では、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、すなわち導電体の周囲の絶縁膜中に流出させ、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。これにより、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、切断状態を良好に保つことができる。

しかし、このような方法で切断した電気ヒューズにおいては、導電体の流出量が多くなるため、導電体の流出箇所や流出した導電体の移動を制御する必要がある。

本発明によれば、
基板と、
前記基板上に形成された下層配線と、前記下層配線上に当該下層配線に接続して設けられたビアと、前記ビア上に当該ビアに接続して設けられた上層配線とを含み、切断状態において、前記上層配線を構成する導電体が前記上層配線の外方に流出してなる流出部が形成されることにより切断される電気ヒューズと、
少なくとも前記上層配線と同層に形成され、前記上層配線に生じる熱を吸収する導電吸熱部材と、
を含む半導体装置が提供される。

なお、本発明の電気ヒューズは以下の手順で切断することができる。
電気ヒューズの両端（下層配線側と上層配線側）に所定の電圧を印加して電気ヒューズに電流を流し、電気ヒューズを構成する導電体の電流による自己発熱を利用して当該導電体を膨張させる。当該導電体は周囲の絶縁膜に比べてより膨張するため、絶縁膜内にクラックが形成され、このクラックを満たすように当該導電体を上層配線から外方に流出させる。さらに、ビア内部の導電体が外方流出部に向けて移動するため、ビア部にボイドを形成して、切断が生じる。本発明者の検討によれば、上層配線を構成する導電体が過度に高温になると、上層配線の下方で流出部を形成する頻度が増加することが明らかになった。そして、この下方への流出部が下層配線と電気的に接続してショートを生じさせる可能性があることが明らかになった。上記のように、上層配線の近傍に導電吸収部材を設けることにより、切断時における上層配線の過度な加熱を抑えることができ、意図しない導電体の流出を防ぐことができる。その結果、切断後の電気ヒューズのショートも防ぐことができる。

本発明によれば、電気ヒューズの切断状態を良好に保つことができる。

以下の実施の形態において、同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施の形態において、電気ヒューズは、クラックアシスト型で切断される。クラックアシスト型で電気ヒューズを切断する手順は、以下のとおりである。
（１）電気ヒューズに適切なパワーを印加して、たとえば上層配線から電子を過剰に注入することで、配線およびビアを加熱する。
（２）加熱された配線およびビア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。このとき、半導体基板の面内方向の面積が大きい配線（すなわち体積の大きい配線）周囲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導電体が流出し、電気ヒューズを構成する導電体の密度が下がる。
（４）これに伴い、この密度低下を補償するように半導体基板の面内方向の面積が小さいビア部分（すなわち体積の小さいビア部分）の導電体が流出した方向に吸い上げられる。これにより、ビア部分に切断箇所が生じ、電気ヒューズが切断される。

図１１を参照して、クラックアシスト型で電気ヒューズを切断する際の動作を説明する。図１１は、電気ヒューズ１２００を含む半導体装置１１００の構成を示す断面図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、それぞれ、電気ヒューズ１２００の切断前および切断後の状態を示す。ここでは、配線構造がデュアルダマシン構造を有する例を示す。

半導体装置１１００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エッチング阻止膜１１０２、層間絶縁膜１１０４、保護膜１１０６、エッチング阻止膜１１０８、層間絶縁膜１１１０、エッチング阻止膜１１１２、層間絶縁膜１１１４、保護膜１１１６およびエッチング阻止膜１１１８を含む。

図１１（ａ）に示すように、切断前状態において、電気ヒューズ１２００は、下層配線１１２２と、下層配線１１２２上に形成されたビア１１５１および上層配線１１５２とを含む。ここで、ビア１１５１および上層配線１１５２は、デュアルダマシン配線１１５４として一体に形成される。

下層配線１１２２は、エッチング阻止膜１１０２、層間絶縁膜１１０４および保護膜１１０６内に形成される。また、ビア１１５１は、エッチング阻止膜１１０８、層間絶縁膜１１１０およびエッチング阻止膜１１１２内に形成される。また、上層配線１１５２は、エッチング阻止膜１１１２、層間絶縁膜１１１４および保護膜１１１６内に形成される。

下層配線１１２２、ビア１１５１、および上層配線１１５２は、銅を主成分として含む銅含有金属膜等の導電体により構成される。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１１２２、およびデュアルダマシン配線１１５４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バリアメタル膜１１２０、およびバリアメタル膜１１５０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。バリアメタル膜は、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１１２２とビア１１５１との間には、バリアメタル膜１１５０がこれらに接して設けられる。

層間絶縁膜１１０４および層間絶縁膜１１１４は、ＳｉＯＣ等の低誘電率膜により構成することができる。層間絶縁膜１１０４および層間絶縁膜１１１４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、層間絶縁膜１１１０は、層間絶縁膜１１０４や層間絶縁膜１１１４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。

この場合も、ビア１１５１は、半導体基板の面内方向における面積が配線に比べて非常に狭いので、配線部分に選択的にクラックを生じやすくすることができる。

エッチング阻止膜１１０８およびエッチング阻止膜１１１８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１１２２や上層配線１１５２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１２００の被覆膜としても機能する。エッチング阻止膜１１０８およびエッチング阻止膜１１１８は、層間絶縁膜１１０４や層間絶縁膜１１１４よりもかたい材料により構成することができる。エッチング阻止膜１１０８およびエッチング阻止膜１１１８は、層間絶縁膜１１０４や層間絶縁膜１１１４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。エッチング阻止膜１１０８およびエッチング阻止膜１１１８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。

保護膜１１０６および保護膜１１１６は、下層配線１１２２および上層配線１１５２をそれぞれ化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing: ＣＭＰ）により研磨する際に、層間絶縁膜１１０４および層間絶縁膜１１１４を保護する機能を有する。保護膜１１０６および保護膜１１１６は、たとえば、ＳｉＯ_２膜により構成することができる。

エッチング阻止膜１１０２およびエッチング阻止膜１１１２は、エッチング阻止膜１１０８およびエッチング阻止膜１１１８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、エッチング阻止膜１１０２およびエッチング阻止膜１１１２は、エッチング阻止膜１１０８およびエッチング阻止膜１１１８と同様の材料により構成された第１の絶縁膜と、その上に形成され保護膜１１０６および保護膜１１１６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１１２２、ビア１１５１、および上層配線１１５２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１２００を形成することができる。

以上により、たとえばデュアルダマシン配線１１５４の周囲がバリアメタル膜１１５０およびエッチング阻止膜１１１８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層間絶縁膜１１１４が形成された構成とすることができる。また、上層配線１１５２は、ビア１１５１や下層配線１１２２よりも、半導体基板の面内方向における面積が広く形成される。

次に、このような構成の電気ヒューズ１２００を切断する手順を説明する。
上層配線１１５２と下層配線１１２２との間に所定の電圧を印加して電気ヒューズ１２００に適切なパワーが印加されると、電気ヒューズ１２００の上層配線１１５２を構成する導電体が膨張する。導電体の膨張に伴い、バリアメタル膜１１５０やエッチング阻止膜１１１８等にクラックが生じ、上層配線１１５２を構成する導電体がクラックから周囲の膜中に流出する。つまり、上層配線１１５２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１１（ｂ）に示すように、流出部１１４２が形成される。

さらに、導電体が流出部１１４２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１１５１部分で導電体が切断され、空隙部１１４０が形成される。このようなメカニズムにより、流出部１１４２からある程度離れた箇所に大きな空隙部１１４０が形成される。

また、本実施の形態において、ビア１１５１と下層配線１１２２との間にバリアメタル膜１１５０が設けられているため、バリアメタル膜１１５０が下層配線１１２２から剥離しやすく、バリアメタル膜１１５０と下層配線１１２２との間に空隙部１１４０が形成されやすくなる。

さらに、切断状態において、ビア１１５１を構成する導電体がバリアメタル膜１１５０とともに移動してバリアメタル膜１１５０と下層配線１１２２との間に空隙部１１４０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、バリアメタル膜１１５０や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１１２２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１１００の耐熱性を向上することができる。

電気ヒューズ１２００を、以上のようなメカニズムのクラックアシスト型で切断することにより、必然的に空隙部１１４０が流出部１１４２とは異なる領域に形成される。これによって、電気ヒューズ１２００の再接続を防ぐことができる。

ところで、上述したように、たとえば上層配線の面積を下層配線の面積よりも広くする等により、上層配線周囲にクラックを生じやすくさせ、上層配線を構成する導電体を外方に流出させるような制御をすることはできる。しかし、上層配線のどの箇所から導電体を流出させるか、またどの方向に導電体を流出させるか、およびどの程度の量の導電体を流出させるか等を制御するのは困難だった。

本発明者は、以上のような構成の電気ヒューズを、クラックアシスト型で切断する際に、電気ヒューズを構成する導電体が流出するメカニズムを詳細に検討した。図１２および図１３は、そのメカニズムを模式的に示す断面図である。ここでは、図１１に記載した構成に加えて、上層配線１１５２上に形成された層間絶縁膜１１１９を示している。なお、上層配線１１５２と層間絶縁膜１１１９との間には、図１１に示したようなエッチング阻止膜１１１８が存在するが、ここでは記載を省略している。また、バリアメタル膜、エッチング阻止膜、および保護膜等も一部記載を省略している。

図１２（ａ）は、切断前の状態を示す。このような状態で、上層配線１１５２と下層配線１１２２との間に所定の電圧を印加して電気ヒューズ１２００に適切なパワーを印加すると、上層配線１１５２が膨張してその周囲にクラックが生じる。図１１では、導電体が層間絶縁膜１１１４中に流出する例を示したが、このとき、図１２（ｂ）に示すように、上層配線１１５２上方の層間絶縁膜１１１９中に流出しやすいことが明らかになった。そのため、層間絶縁膜１１１９中に流出部１１４２が形成される。導電体が流出部１１４２の方向に急激に移動するため（図１２（ｃ））、ビア１１５１部分で導電体が切断され、空隙部１１４０が形成される。

しかし、上層配線１１５２が過度に発熱し、膨張すると、上層配線１１５２上方だけでなく、導電体が上層配線１１５２の下方の層間絶縁膜１１１０中にも流出して第２の流出部１１４４が形成される場合があることが明らかになった。また、このとき、ビア１１５１側方のエッチング阻止膜１１０８も消失する場合があることが明らかになった（図１３（ａ））。この状態で熱ストレスが印加されると、エッチング阻止膜１１０８が消失した部分にまで第２の流出部１１４４が広がり、第２の流出部１１４４が下層配線１１２２と接続してしまうことがある（図１３（ｂ）、図１３（ｃ））。とくに、エッチング阻止膜１１０８がＳｉＣＮ等の炭素とＳｉを含有する絶縁膜で構成されている場合にエッチング阻止膜１１０８の消失が生じやすいことも明らかになった。このようなことが起こると、上層配線１１５２と下層配線１１２２との間に新たな経路が形成され、切断して高抵抗化されたはずの電気ヒューズ１２００が接続された状態となり、低抵抗化してしまう。これにより、電気ヒューズの切断状態を正確に判定できなくなる。

本発明者は、この原因を検討した結果、切断時に上層配線１１５２を構成する導電体が過度に高温になると、エッチング阻止膜１１０８の消失が生じたり、上層配線１１５２からこのような好ましくない第２の流出部１１４４が生じたりすることを見出した。さらに、この状態で熱ストレスが加わると、切断した電気ヒューズ１２００の上層配線１１５２と下層配線１１２２との間でショートが生じるのを見出した。本発明者は、上記のようなショートを起こさせる原因となる上層配線１１５２の温度上昇を制御すべく、本発明に到達した。

本実施の形態において、半導体装置は、電気ヒューズ１２００と同様に下層配線と、下層配線上に当該下層配線に接続して設けられたビアと、ビア上に当該ビアに接続して設けられた上層配線とを含む電気ヒューズと、少なくとも上層配線と同層に形成され、上層配線に発生した熱を吸収する導電吸熱部材とを含む。このような導電吸熱部材を設けることにより、上述したような第２の流出部１１４４の発生を阻止して、切断後の電気ヒューズの低抵抗化が生じないようにすることができる。

以下に、本実施の形態における半導体装置２００の構成を説明する。半導体装置２００は、シリコン基板等の半導体基板（基板、不図示）上に形成された電気ヒューズ１００を含む。図１は、本実施の形態における電気ヒューズ１００の構成の一例を示す平面模式図である。また、図２および図３は、図１の断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図、図３は、図１のｂ−ｂ’断面図である。

電気ヒューズ１００は、上層配線１１０と、下層配線１２０と、上層配線１１０および下層配線１２０を接続するビア１３０とを含む。本実施の形態において、半導体装置２００は、図１１を参照して説明した電気ヒューズ１２００と同様の構成を有することができる。たとえば、下層配線１２０、ビア１３０、および上層配線１１０は、それぞれ下層配線１１２２、ビア１１５１、および上層配線１１５２と同様の構成とすることができる。すなわち、下層配線１１２２、ビア１１５１、および上層配線１１５２は、銅含有金属膜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、下層配線１２０、ビア１３０、および上層配線１１０の側面および底面にも、バリアメタル膜１１２０やバリアメタル膜１１５０と同様のバリアメタル膜が設けられた構成とすることができる。
また、本実施の形態において、上層配線１１０が、下層配線１２０に比べてより膨張して上層配線１１０で導電体の流出が生じるように制御するため、上層配線１１０は、下層配線１２０よりも体積が大きくなるように設けられる。たとえば、上層配線１１０および下層配線１２０がそれぞれ、ビア１３０に接続された部分であって、他の部分に比べて細幅となっている部分につき、上層配線１１０の方が、下層配線１２０よりも長くなるようにすることができる。ただし、この構成は一例であって、上層配線１１０が下層配線１２０よりも膨張しやすくなっていれば、どのような構成とすることもできる。これにより、電気ヒューズ１００を切断する際に、上層配線１１０周囲にクラックが生じやすいようにすることができる。なお、上層配線１１０は、同層に形成された上層端子１１１と接続されており、下層配線１２０は、同層に形成された下層端子１２１と接続されている。上層端子１１１および下層端子１２１も、それぞれ、上層配線１１０および下層配線１２０と同じ材料により構成することができる。

また、本実施の形態において、電気ヒューズ１００は、半導体装置２００中に設けられる。半導体装置２００は、層間絶縁膜２０２、エッチング阻止膜２０４、層間絶縁膜２０６、層間絶縁膜２０８、および層間絶縁膜２１０がこの順で積層した構成を有する。ここでは、保護膜やエッチング阻止膜を一部省略しているが、これらの積層膜も、図１１を参照して説明したのと同様とすることができる。

下層配線１２０は、層間絶縁膜２０２中に設けられる。ビア１３０は、エッチング阻止膜２０４および層間絶縁膜２０６中に設けられる。上層配線１１０は、層間絶縁膜２０８中に設けられる。また、ここでは、ビア１３０と上層配線１１０とを別々に示しているが、これらも図１１に示したデュアルダマシン配線１１５４と同様に、デュアルダマシン構造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１００の周囲にガード部１５０が設けられている点で、図１１に示した例と異なる。本実施の形態において、ガード部１５０は、導電吸熱部材として機能する。ガード部１５０は、下層配線１２０と同層に設けられたガード下層配線１５４と、ビア１３０と同層に設けられたガード下層ビア１５３と、上層配線１１０と同層に設けられたガード上層配線１５２と、ガード上層配線１５２の上層に設けられたガード上層ビア１５１と、ガード上層ビア１５１の上層に設けられた上部プレート１５６とを含む。本実施の形態において、ガード部１５０は、他の素子等と電気的に接続しないフローティングの状態とすることができる。なお、本例において、ガード部１５０は、平面視で直線形状に設けられる。また、本例において、ガード部１５０は、上層配線１１０に略平行に設けられる。

ガード部１５０は、ガード上層ビア１５１、ガード上層配線１５２、ガード下層ビア１５３、およびガード下層配線１５４の積層構造の組合せを２つ含み、それぞれが電気ヒューズ１００の両側方に配置されるようになっている。互いに積層されたガード部１５０のガード上層配線１５２、ガード下層ビア１５３、およびガード下層配線１５４は、上層配線１１０が形成された層、ビア１３０が形成された層、および下層配線１２０が形成された層にわたって連続して形成されている。また、本実施の形態において、互いに積層されたガード部１５０のガード上層配線１５２、ガード下層ビア１５３、およびガード下層配線１５４は、平面視で同形状に形成されている。

ここで、上層配線１１０が形成された層において、好ましくは、上層配線１１０と導電吸熱部材であるガード上層配線１５２との距離Ｓ_１が、ビア１３０のビア径（ビアの直径）の６倍以下となるようにすることができる。ここで、上層配線１１０と導電吸熱部材であるガード上層配線１５２との距離Ｓ_１は、略平行に設けられた上層配線１１０とガード上層配線１５２の延在方向と直角な方向の距離とすることができる。さらに好ましくは、上層配線１１０が形成された層において、上層配線１１０と導電吸熱部材であるガード上層配線１５２との距離Ｓ_１が、ビア１３０のビア径の４倍以下となるようにすることができる。ここで、ビア径および上層配線１１０とガード上層配線１５２との距離等のサイズは、それぞれ、設計値を基準とすることができる。ビア径は適用するプロセスの世代等に応じて変化するが、本実施の形態において、ビア１３０のビア径は、たとえば９０ｎｍ程度とすることができる。なお、本実施の形態において、ビア１３０のビア径は、上層配線１１０の配線幅と略等しくすることができる。すなわち、本実施の形態において、上層配線１１０と導電吸熱部材であるガード上層配線１５２との距離Ｓ_１が、上層配線１１０の幅の６倍以下、より好ましくは４倍以下となるようにすることができる。ガード上層配線１５２を上層配線１１０にこの程度近い位置に設けることにより、電気ヒューズ１００を切断する際に、ガード上層配線１５２がヒートシンクとして機能し、上層配線１１０に生じる熱を吸収して、上層配線１１０の過度の温度上昇を防止することができる。これにより、上述したような第２の流出部１１４４の発生を阻止して、切断後の電気ヒューズの低抵抗化が生じないようにすることができる。

図４は、本実施の形態における電気ヒューズ１００の構成の他の例を示す平面模式図である。また、図５および図６は、図４の断面図である。図４のＡ−Ａ’断面図は、図２と同様になる。図５は、図４のＢ−Ｂ’断面図である。図６（ａ）は、図４のＣ−Ｃ’断面図、図６（ｂ）は、図４のＤ−Ｄ’断面図である。

図７は、上層配線１１０が形成された層の構成を示す平面図である。図８は、ビア１３０が形成された層の構成を示す平面図である。図９は、下層配線１２０が形成された層の構成を示す平面図である。
本例でも、互いに積層されたガード部１５０のガード上層配線１５２、ガード下層ビア１５３、およびガード下層配線１５４は、平面視で同形状に形成されている。また、本例においても、ガード部１５０は、上層配線１１０がビア１３０と接続された箇所付近の領域で、上層配線１１０に略平行に設けられる。

ここでも、図７に示す上層配線１１０が形成された層において、好ましくは、上層配線１１０と導電吸熱部材であるガード上層配線１５２との距離が、ビア１３０のビア径の６倍以下となるようにすることができる。ここで、上層配線１１０と導電吸熱部材であるガード上層配線１５２との距離Ｓ_１は、上層配線１１０がビア１３０と接続された箇所付近の領域で上層配線１１０と上層配線１１０に略平行に設けられたガード上層配線１５２の延在方向と直角な方向の距離とすることができる。さらに好ましくは、上層配線１１０が形成された層において、上層配線１１０と導電吸熱部材であるガード上層配線１５２との距離が、ビア１３０のビア径の４倍以下となるようにすることができる。ガード上層配線１５２を上層配線１１０にこの程度近い位置に設けることにより、電気ヒューズ１００を切断する際にも、ガード上層配線１５２がヒートシンクとして機能し、上層配線１１０に生じる熱を吸収して、上層配線１１０の過度の温度上昇を防止することができる。これにより、上述したような第２の流出部１１４４の発生を阻止して、切断後の電気ヒューズの低抵抗化が生じないようにすることができる。

なお、本実施の形態において、ガード部１５０は、フローティングの状態であるため、上層配線１１０がガード部１５０と接触しても、電気ヒューズ１００の抵抗は変わらず、電気ヒューズ１００の切断状態の判定には影響を及ぼさない。一方、電気ヒューズ１００を切断した後に、上層配線１１０と下層配線１２０とがそれぞれガード部１５０に接触すると、上層配線１１０と下層配線１２０とがガード部１５０を介して電気的に接続されるので、電気ヒューズ１００の切断状態が誤判定されるおそれがある。

本実施の形態において、上層配線１１０が形成された層における導電吸熱部材であるガード上層配線１５２と上層配線１１０との距離が、下層配線１２０が形成された層における導電吸熱部材であるガード下層配線１５４と下層配線１２０との距離よりも狭くなっている。

図７および図９に示すように、上層配線１１０と下層配線１２０とは、ビア１３０で接続される部分を除いて、平面視で重ならないように配置されている。２つのガード部１５０は、平面視で略直線状に形成された電気ヒューズ１００の両側方に、電気ヒューズ１００を間に挟むように配置されている。本実施の形態において、２つのガード部１５０は直線状ではなく、平面視で上層配線１１０が形成された部分では、他の領域よりも電気ヒューズ１００に近い位置に配置されるように、屈曲した形状を有する。図６、図７および図９に示すように、上層配線１１０とガード上層配線１５２との距離Ｓ_１は、下層配線１２０とガード下層配線１５４との間の距離Ｓ_２よりも狭い。

このような構成とすることにより、上層配線１１０の近くにガード上層配線１５２を配置して、ガード上層配線１５２を上層配線１１０のヒートシンクとして機能させるとともに、下層配線１２０とガード下層配線１５４との間の距離を広くすることにより、下層配線１２０にクラックが生じて下層配線１２０を構成する導電体が流出しても、ガード下層配線１５４と接触しないようにすることができる。これにより、ガード部１５０を介した上層配線１１０と下層配線１２０との間のショート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を切断する手順を説明する。上層配線１１０と下層配線１２０との間に所定の電圧を印加して電気ヒューズ１００に適切なパワーを印加する。この様子を図１０に示す。とくに限定されないが、たとえば、下層配線１２０の下層端子１２１に高電圧（Ｖｄｄ）を印加し、上層配線１１０の上層端子１１１を接地することにより、電気ヒューズ１００に適切なパワーを印加する。

これにより、電気ヒューズ１００を構成する導電体が膨張する。導電体の膨張に伴い、体積の大きい上層配線１１０上部にクラックが生じ、上層配線１１０を構成する導電体がクラックから上方の層間絶縁膜２１０中に流出する。これにより、上層配線１１０の上方に流出部が形成される。さらに、導電体が流出部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１３０部分で導電体が切断され、空隙部が形成される。本実施の形態において、上層配線１１０の近傍にヒートシンクとして機能するガード上層配線１５２が設けられている。そのため、上層配線１１０の過度な温度上昇が抑制され、上方以外の意図しない方向へのクラックの発生を回避することができる。その結果、切断処理後の熱ストレスによっても切断箇所を迂回して、上層配線１１０と下層配線１２０とを結ぶ径路が形成されないために、電気ヒューズ１００が良好に高抵抗を維持することができる。

以上のように、本実施の形態における半導体装置２００によれば、電気ヒューズ１００をクラックアシスト型で切断するので、切断箇所を大きくして、切断部分での再接続を防ぐことができる。さらに、電気ヒューズ１００の近傍に、ガード上層配線１５２等のヒートシンクとして機能する導電吸熱部材を設けているので、上層配線１１０を構成する導電体の流出箇所を制御することができ、流出した導電体を介した電気ヒューズ１００のショートも防ぐことができる。これにより、高信頼性を有する電気ヒューズを得ることができる。

なお、たとえば特許文献３に示したように、エレクトロマイグレーションを利用してヒューズを切断する場合、効率よくヒューズを切断するために、ヒューズの切断部分を加熱してエレクトロマイグレーションを生じやすくする必要があった。本実施の形態における電気ヒューズ１００は、クラックアシスト型で切断するため、このようにヒューズを加熱する必要はなく、むしろ、ヒューズに発生する熱を制御することにより、流出箇所を制御することができることが本発明者により明らかにされた。

クラックアシスト型で切断した電気ヒューズの特性を調べるために、過酷な条件での実験を行った。
（例１）
上記の構成の半導体装置２００を製造し、クラックアシスト型で切断して、切断前、切断直後、３００℃下で２４時間放置後、３００℃下で７２時間放置後、および３００℃下で１６８時間放置後の電気ヒューズの抵抗値を測定した。ここでは、ビア径＝９０ｎｍとした。また、（（上層配線１１０とガード上層配線１５２との距離Ｓ_１）／ビア径）＝２とした。９０００個の電気ヒューズを対象として測定した。この結果を図１４に示す。図中、「ｐｒｅ」は切断前、「ｐｏｓｔ」は切断直後、「２４ｈ」は２４時間経過後、「７２ｈ」は７２時間経過後、「１６８ｈ」は１６８時間経過後を示す。図１４の横軸は抵抗を示し、縦軸はその割合を示している。この結果から、３００℃下で１６８時間の熱ストレスを印加しても切断後の抵抗変動がないことが明らかになった。
（例２）
（（上層配線１１０とガード上層配線１５２との距離Ｓ_１）／ビア径）＝６．５として、半導体装置２００と同様の構成の半導体装置を製造し、クラックアシスト型で切断して、切断前、切断直後、３００℃下で２４時間放置後、３００℃下で７２時間放置後、および３００℃下で１６８時間放置後の電気ヒューズの抵抗値を測定した。ここでは、ビア径＝９０ｎｍとした。９０００個の電気ヒューズを対象として測定した。この結果を図１５に示す。図中、「ｐｒｅ」は切断前、「ｐｏｓｔ」は切断直後、「７２ｈ」は７２時間経過後、「１６８ｈ」は１６８時間経過後を示す。この結果から、１ＭΩ未満に低抵抗化した電気ヒューズを不良と判断すると、３００℃下で７２時間の熱ストレスを印加した時点で約３５％の電気ヒューズが不良となり、正常な抵抗を維持した割合（歩留り）が６５％であることが明らかになった。

図１４および図１５に示すように、例２のガード部１５０を遠くに離している構成では、切断直後ではすべての電気ヒューズが高抵抗を示しているものの、７２時間経過後の時点で、大幅に低抵抗化しているものが存在する。一方、例１のガード部１５０を近くに設けた構成では、切断直後に充分に高い抵抗を示し、さらに１６８時間経過後でもほとんど低抵抗化が見られなかった。なお、例１および例２について、切断後の電気ヒューズ１００の状態を断面写真で確認したところ、例２では、上層配線１１０の下方への導電体の流出が見られるとともに、ＳｉＣＮであるエッチング阻止膜２０４の消失が見られた。一方、例１では、エッチング阻止膜２０４の消失は見られず、上層配線１１０の下方への導電体の流出も生じていなかった。

図１６は、（（上層配線１１０とガード上層配線１５２との距離Ｓ_１）／ビア径）と、歩留まりとの関係を示す図である。
図示したように、距離Ｓ_１を、ビア径の６倍以下とすることにより、歩留まりを７０％以上とすることができた。また、距離Ｓ_１を、ビア径の４倍以下とすることにより、歩留まりを９８％以上とすることができた。なお、以上の実施例においても、ビア径や上層配線とガード上層配線との距離等のサイズは、設計値を基準としている。

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。

なお、以上の実施の形態においては、導電吸熱部材がガード部１５０の一部である場合を例として説明した。しかし、導電吸熱部材は、少なくとも上層配線１１０と同層において、上層配線１１０の近傍に設けられていればよく、たとえば下層配線１２０と同層のガード下層配線１５４は含まない構成とすることもできる。

さらに、以上の実施の形態においては、ガード部１５０のガード上層配線１５２、ガード下層ビア１５３、およびガード下層配線１５４が、平面視で同形状に形成されていた例を示したが、これに限定されず、上層と下層とでは異なる形状とすることもできる。
以下、参考形態の例を付記する。
１．基板と、
前記基板上に形成された下層配線と、前記下層配線上に当該下層配線に接続して設けられたビアと、前記ビア上に当該ビアに接続して設けられた上層配線とを含み、切断状態において、前記上層配線を構成する導電体が前記上層配線の外方に流出してなる流出部が形成されることにより切断される電気ヒューズと、
少なくとも前記上層配線と同層に形成され、前記上層配線に生じる熱を吸収する導電吸熱部材と、
を含む半導体装置。
２．１に記載の半導体装置において、
前記電気ヒューズは、前記下層配線と前記ビアとの間または前記ビアに切断箇所が形成される半導体装置。
３．１または２に記載の半導体装置において、
前記上層配線が形成された層において、前記上層配線と前記導電吸熱部材との距離が、前記ビアのビア径の６倍以下である半導体装置。
４．１から３いずれかに記載の半導体装置において、
前記上層配線が形成された層において、前記上層配線と前記導電吸熱部材との距離が、前記ビアのビア径の４倍以下である半導体装置。
５．１から４いずれかに記載の半導体装置において、
前記導電吸熱部材は、前記ビアが形成された層、および前記下層配線が形成された層にもそれぞれ設けられ、これらの層にわたって連続して形成され、
前記上層配線が形成された層に形成された前記導電吸熱部材と前記上層配線との距離が、前記下層配線が形成された層に形成された前記導電吸熱部材と前記下層配線との距離よりも狭い半導体装置。
６．１から５いずれかに記載の半導体装置において、
前記流出部は、前記上層配線の上方に形成される半導体装置。
７．１から６いずれかに記載の半導体装置において、
前記導電吸熱部材は、前記上層配線に生じる熱を吸収して、前記上層配線を構成する前記導電体が当該上層配線の下方へ流出するのを防ぐように構成された半導体装置。
８．１から７いずれかに記載の半導体装置において、
前記電気ヒューズの前記上層配線は、前記下層配線よりも体積が大きい半導体装置。

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構成の一例を示す平面模式図である。図１の断面図である。図１の断面図である。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構成の他の例を示す平面模式図である。図４の断面図である。図４の断面図である。各層の構成を示す平面図である。各層の構成を示す平面図である。各層の構成を示す平面図である。電気ヒューズの構成を示す模式図である。クラックアシスト型で電気ヒューズを切断する際の動作を説明するための断面図である。クラックアシスト型で電気ヒューズを切断する際の動作を説明するための図である。クラックアシスト型で電気ヒューズを切断する際の動作を説明するための図である。実験結果を示す図である。実験結果を示す図である。実験結果を示す図である。

符号の説明

１００電気ヒューズ
１１０上層配線
１１１上層端子
１２０下層配線
１２１下層端子
１３０ビア
１５０ガード部
１５１ガード上層ビア
１５２ガード上層配線
１５３ガード下層ビア
１５４ガード下層配線
１５６上部プレート
２００半導体装置
２０２層間絶縁膜
２０４エッチング阻止膜
２０６層間絶縁膜
２０８層間絶縁膜
２１０層間絶縁膜
１１００半導体装置
１１０２エッチング阻止膜
１１０４層間絶縁膜
１１０６保護膜
１１０８エッチング阻止膜
１１１０層間絶縁膜
１１１２エッチング阻止膜
１１１４層間絶縁膜
１１１６保護膜
１１１８エッチング阻止膜
１１１９層間絶縁膜
１１２０バリアメタル膜
１１２２下層配線
１１４０空隙部
１１４２流出部
１１４４第２の流出部
１１５０バリアメタル膜
１１５１ビア
１１５２上層配線
１１５４デュアルダマシン配線
１２００電気ヒューズ

Claims

基板と、
前記基板上に形成された下層配線と、前記下層配線上に当該下層配線に接続して設けられたビアと、前記ビア上に当該ビアに接続して設けられた上層配線とを含み、切断状態において、前記上層配線を構成する導電体が前記上層配線の外方に流出してなる流出部が形成されることにより切断される電気ヒューズと、
少なくとも前記上層配線と同層に形成され、前記上層配線に生じる熱を吸収する導電吸熱部材と、
を含み、
前記導電吸熱部材は、前記ビアが形成された層、および前記下層配線が形成された層にもそれぞれ設けられ、これらの層にわたって連続して形成され、
前記上層配線が形成された層に形成された前記導電吸熱部材と前記上層配線との距離が、前記下層配線が形成された層に形成された前記導電吸熱部材と前記下層配線との距離よりも狭い半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置において、
前記電気ヒューズは、前記下層配線と前記ビアとの間または前記ビアに切断箇所が形成される半導体装置。
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記上層配線が形成された層において、前記上層配線と前記導電吸熱部材との距離が、前記ビアのビア径の６倍以下である半導体装置。
請求項１から３いずれかに記載の半導体装置において、
前記上層配線が形成された層において、前記上層配線と前記導電吸熱部材との距離が、前記ビアのビア径の４倍以下である半導体装置。
請求項１から４いずれかに記載の半導体装置において、
前記流出部は、前記上層配線の上方に形成される半導体装置。
請求項１から５いずれかに記載の半導体装置において、
前記電気ヒューズの前記上層配線は、前記下層配線よりも体積が大きい半導体装置。
基板と、
前記基板上に形成された下層配線と、前記下層配線上に当該下層配線に接続して設けられたビアと、前記ビア上に当該ビアに接続して設けられた上層配線とを含み、切断状態において、前記上層配線を構成する導電体が前記上層配線の外方に流出してなる流出部が形成されることにより切断される電気ヒューズと、
少なくとも前記上層配線と同層に形成され、前記上層配線に生じる熱を吸収する導電吸熱部材と、
を含み、
前記上層配線は直線状に第１の方向に延伸し、
前記導電吸熱部材は直線状に前記第１の方向に延伸し、前記上層配線の両側方に位置する半導体装置。