(57)【要約】【課題】ヒューズ素子の切断不良率を低減する。【解決手段】本発明による半導体装置１００は、金属によって形成され、電気的に溶断可能なヒューズ素子１０と、切断電圧に応じた電流をヒューズ素子１０に供給するトランジスタ３０と、トランジスタ３０の電流駆動を開始する動作点を設定する電流調整抵抗２０とを具備する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属によって形成され、電気的に溶断可能なヒューズ素子と、
切断電圧に応じた電流を前記ヒューズ素子に供給するトランジスタと、
前記トランジスタの電流駆動を開始する動作点を設定する電流調整抵抗と、
を具備する
半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記トランジスタの静特性に
電流調整抵抗の抵抗値は、前記トランジスタの電流駆動時間のうち、前記トランジスタの静特性における線形領域に従う時間が、飽和領域に従う時間よりも長くなるように設定される
半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記電流調整抵抗の抵抗値は、前記ノードの電圧が前記トランジスタのピンチオフ電圧よりも低いときに前記電流が流れ始めるように設定される
半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記電流調整抵抗の抵抗値は、前記動作点が、静特性における線形領域と飽和領域の境界付近となるように設定される
半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記ヒューズ素子、前記トランジスタ、前記電流調整抵抗は、直列に接続される
半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記ヒューズ素子は、
それぞれが異なる配線層に形成された第１配線及び第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線とを接続するビア内に形成された第３配線と、
を備え、
前記ヒューズ素子は、前記ヒューズ素子を構成する導電体が前記ヒューズ素子から外方に流出することで切断される
半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、
前記ヒューズ素子は、前記第３配線に切断箇所が形成される
半導体装置。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記ヒューズ素子は、同一の配線層に設けられ、複数に折り返された電流経路を有する金属配線によって形成される
半導体装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記ヒューズ素子は、銅を主成分とする金属で形成される
半導体装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記電流調整抵抗は、ポリシリコンを含む
半導体装置。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記電流調整抵抗は、トランジスタで形成される
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属で形成された電流切断型ヒューズ素子を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
導電材料をジュール発熱により溶融させて、配線間を電気的に切断する電流切断型ヒューズが知られている。例えば、特開平０６−００５７０７（特許文献１参照）や、特許第３２３２２９６号（特許文献２参照）には、配線間を接続するビア内の導電材料を電流による発熱によって溶融させて配線間の電流経路を切断するヒューズ回路が記載されている。
【０００３】
特許文献１には、配線間を接続するビアの断面が配線よりも小さいため、少ない電流でビア内の導電材料を溶融することができるヒューズ素子が記載されている。又、特許文献２には、ビア内にボイドを予め形成しておくことで、切断に必要な電流量を抑制する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−００５７０７
【特許文献２】特許第３２３２２９６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電流によるジュール発熱により溶断することが可能なヒューズ素子では、過剰な切断電流をヒューズ素子に流した場合、次のような問題が発生することを発明者は見出した。
【０００６】
過剰な切断電流をヒューズ素子に流してヒューズ素子を切断すると、ヒューズ素子から溶融した導電材料がヒューズ素子の外部の配線等の近傍領域に過剰に侵食する。この侵食した導電材料が、ヒューズ素子切断後の後工程における加熱処理等により、配線間にリーク電流パスを形成し、ヒューズ素子（配線間）が再接続されてしまう。その結果、ヒューズ素子は切断不良となり、ヒューズ素子の不良率、すなわち製品不良率が高くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。
【０００８】
本発明による半導体装置（１００）は、金属によって形成され、電気的に溶断可能なヒューズ素子（１０）と、切断電圧に応じた電流をヒューズ素子（１０）に供給するトランジスタ（３０）と、トランジスタ（３０）の電流駆動を開始する動作点を設定する電流調整抵抗（２０）とを具備する。
【０００９】
本発明では、電流調整抵抗（２０）によって、トランジスタの動作点を設定できることから、ヒューズ素子（１０）が切断されるまでに流れる切断電流の総電流量を制御することができる。これにより、ヒューズ切断時に配線近傍に侵入する導電体の量を減少させ、後工程における加熱処理によってリーク電流パスが形成されることを防ぎ、ヒューズ素子（１０）の切断不良の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ヒューズ素子の不良率を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明に係るヒューズ素子の構造の一例を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、ヒューズ素子の切断不良の一例を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、ヒューズ素子の切断不良の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明によるヒューズ回路の実施の形態における構成を示す回路図である。
【図４】図４は、本発明に係るトランジスタの静特性と動作点を示す特性図である。
【図５】図５は、従来技術によるヒューズ回路の構成を示す回路図である。
【図６】図６は、従来技術に係るトランジスタの静特性と動作点を示す特性図である。
【図７】図７は、正常切断電圧範囲の一例を示す図である。
【図８】図８は、本発明に係る電流調整抵抗値に対する正常切断電圧範囲を示す図である。
【図９】図９は、本発明に係るヒューズ素子の構造の他の一例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、ヒューズ素子の切断不良の他の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態が説明される。図面において同一、又は類似の参照符号は、同一、類似、又は等価な構成要素を示している。本発明に係るヒューズ素子は、金属によって形成され、電流による加熱を利用して溶断される電流切断型ヒューズが好適に利用される。
【００１３】
（ヒューズ素子の再接続原理）
本発明によるヒューズ回路（半導体装置）を説明する前に、図１、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、ヒューズ素子の再接続の原理について説明する。図１は、金属ビアを利用したヒューズ素子１０の構造を示す断面図である。
【００１４】
図１を参照して、本発明に係るヒューズ素子１０は、金属配線１（第１配線）が形成される第１配線層、層間絶縁膜５、エッチングストッパ層６、金属配線２（第２配線）が形成される第２配線層を備える。金属配線１と金属配線２は、層間絶縁膜５内に形成されたビア３（第３配線）を介して接続される。金属配線１、２、ビア３はそれぞれ金属バリア４で覆われており、例えば銅を主成分とした金属で形成されている。金属バリア４は、例えばＴａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷＮによって形成される。金属配線２は、層間絶縁膜７上に形成され、金属配線２及び層間絶縁膜７と層間絶縁膜５との間にはエッチングストッパ層６が形成される。エッチングストッパ層６上に形成された層間絶縁膜５の上層に金属配線１が形成される。
【００１５】
図２Ａ及び図２Ｂを参照して、図１に示すヒューズ素子１０の切断動作の詳細を説明する。金属配線１から過剰な電子が供給されると、金属配線１、２、及びビア３は加熱される。加熱された金属配線１、ビア３は熱膨張し周辺の層間絶縁膜５及び金属バリア４にクラックが生じる。加熱によって溶解した金属は、膨張した領域及びクラック内に移動する。ビア３及びビア３に接続する金属配線１が溶融し、表面張力によりビア３内にあった金属が金属配線１内に移動し、金属配線２から剥離される。この結果、金属配線１と金属配線２との間（ビア３内）に空隙が生じ、両者の間は切断される。
【００１６】
ここで、ビア３が金属配線１内に移動する過程において、ビア３の底部が過剰に加熱されたとき、熱耐性の弱いエッチングストッパ層６の内部に、ビア３内の金属の一部（金属９）が侵食してしまう。ビア３内の金属が金属配線１に移動し始めたとき、エッチングストッパ層６内の金属９は移動した金属に引き込まれ、金属配線１側に移動する。しかし、全ての金属９が引き込まれることなく、一部はエッチングストッパ層６内に点在するように残留する。この段階では、金属９は、電気的に繋がっていない。
【００１７】
ヒューズ切断後、後工程における加熱工程等により、エッチングストッパ層６内に分散している金属９は、熱的に安定するため凝集するように変形する。このとき隣り合う金属９同士が繋がった場合、電気的に接続されたことになる。ヒューズの切断時にエッチングストッパ層６に残留した金属９の量が多い場合、図２Ｂに示すように、金属配線１（膨張領域８）と金属配線２とを電気的に接続するリーク電流パス９’が金属９によって形成される。すなわち、切断されたヒューズがリーク電流パス９’によって再接続されてしまう。
【００１８】
エッチングストッパ層６に残留する金属９の量は、ビア３の発熱量、すなわち、ビアヒューズが切断されるまでに流れる電流量に依存する。ビア３が金属配線２から完全に剥離するまでの間、配線間に流れる電流量が過剰である場合、エッチングストッパ層６に多量の金属が侵食する。このため、過剰な電流によってヒューズを切断した場合、後工程における熱処理によってリーク電流パス９’が形成されヒューズが再接続される可能性が高まる。図１に示すビアヒューズでは、ビア内の金属が充分に配線１へ移動するように大電流が供給される。又、一般に、ビアの底面周辺には、金属が溶融する温度より低い温度で熱分解してしまうエッチングストッパ層６が形成されている。このようなタイプのビアヒューズは、多くの金属がエッチングストッパ層６に残留するため、ヒューズを再接続するリーク電流パス９’が形成され易い。
【００１９】
リーク電流パスによってヒューズ素子が再接続された場合、切断されたはずのヒューズは電気的に切断されておらず、製品不良となってしまう。特に、配線材料として好適な銅及び周辺の配線材料では、熱伝導性が良好なため高温になり易い。又、銅の融点よりも低い配線材料が周辺の配線材料として用いられることが多い。このため、過電流によって発生した熱によってクラック以外の領域から、銅及び周辺の配線材料が絶縁膜内に浸入しやすくなる。従って、銅を利用したヒューズ素子は、新たな電流パスを形成しやすく切断不良を起こしやすい。
【００２０】
以上のように、発明者は、金属によって形成された電流溶断型のヒューズ素子１０では、切断されるまでに供給される電流量が大きい場合、エッチングストッパ層６に残留する金属量が増大し、ヒューズの再接続の可能性が高まるという問題を明らかにした。このような問題を解決するため、発明者は、以下のようなヒューズ回路１００（半導体装置）を開発した。
【００２１】
（構成）
図３を参照して、本発明によるヒューズ回路１００の実施の形態における構成を説明する。ヒューズ回路１００は、ヒューズ素子１０、電流調整抵抗２０、電界効果トランジスタ３０（以下、トランジスタ３０と称す）を備える。ヒューズ素子１０、電流調整抵抗２０、トランジスタ３０は、切断電圧ＶＣが供給されるＶＣ端子と、電源（ここではＧＮＤ）との間に直列接続される。ここでは、電流調整抵抗２０の一端はＶＣ端子に接続され、他端はヒューズ素子１０を介してトランジスタ３０のソース又はドレインの一方に接続される。ここで、トランジスタ３０のソース又はドレインの一方は、ノードＮ１を介してヒューズ素子１０に接続されているものとする。トランジスタ３０のソース又はドレインの他方は、電源（ＧＮＤ）に接続され、ゲートには、切断制御電圧ＶＧが供給される。電流調整抵抗２０は、ヒューズ素子１０とトランジスタ３０の間に接続されても良いし、トランジスタ３０と他の電源電圧（ＶＣ）が供給される電源との間に接続されても良い。
【００２２】
ヒューズ素子１０は、金属によって形成され、電流を利用して溶断されるヒューズ素子が好適に利用される。例えば、図１に示すヒューズ素子１０が好適に利用される。あるいは、後述する図９に示すヒューズ素子１０が利用されても良い。
【００２３】
トランジスタ３０は、切断制御電圧ＶＧに応じたオンオフ制御によってヒューズ素子１０に流れる電流（切断電流）を制御する。すなわち、切断制御で電圧ＶＧに応じてトランジスタ３０がオン状態となると、ＶＣ端子と電源（ＧＮＤ）との間に流れる。切断電流が流れ始める初期の段階において、切断電流の大きさは、電流調整抵抗２０の抵抗値によって制限される。このため、切断電流が流れ始めてからヒューズ素子１０が切断されるまでに流れる切断電流の総量は抑制され、上述のリーク電流パスの形成を防止することができる。
【００２４】
電流調整抵抗２０は、加熱による抵抗値の上昇率が小さい（又は上昇しない）材質によって形成されることが好ましい。例えば、電流調整抵抗２０として、ポリシリコン抵抗、ＷＳｉ抵抗、又はシリサイド抵抗が好適に利用される。図４を参照して、電流調整抵抗２０に設定される抵抗値について説明する。図４は、本発明によるトランジスタ３０の静特性及び動作点を示す図である。
【００２５】
切断電流の電流量は、トランジスタ３０が電流駆動を開始してからヒューズ素子１０が切断されるまでの間、図４に示す静特性に従う。ここで、ヒューズ素子１０の抵抗値をＲＦ、電流調整抵抗２０の抵抗値をＲとすると、切断電流が流れ始める動作点Ａは、傾きが−１／（ＲＦ＋Ｒ）の負荷線Ｂと、トランジスタ３０の静特性曲線との交点として定まる。ただし、負荷線Ｂは、ドレイン電流ＩＤ（切断電流）が０、ドレイン電圧ＶＤ（ノードＮ１の電圧）が切断電圧ＶＣとなる点を通る直線である。
【００２６】
本発明では、電流調整抵抗２０の抵抗値Ｒを所定の値に設定することで、動作点Ａの位置（切断電流が流れ始めるノードＮ１の電圧）を任意の値に設定できる。電流調整抵抗２０の抵抗値Ｒは、トランジスタ３０のオン状態となる時間（切断電流が流れる時間）のうち、静特性の線形領域に従う時間が、飽和領域に従う時間よりも長くなるように設定されることが好ましい。例えば、トランジスタ３０の動作点Ａが、静特性における線形領域と飽和領域の境界付近となるように、電流調整抵抗２０の抵抗値Ｒを設定することが好ましい。
【００２７】
図４を参照して、高いドレイン電圧ＶＤ２で電流駆動を開始する場合（例えば動作点Ｃ）、当初、飽和領域に従った高い電流が長時間流れ、ヒューズ素子１０の抵抗が増大して線形領域に到達した後は、線形的に電流値が減少する。一方、電流調整抵抗２０によって動作点Ａを線形領域と飽和領域の境界付近（例えば、ピンチオフ電圧Ｖｐのプラスマイナス５％以内の範囲Ｄ）に設定すると、飽和領域に従った電流の流れる時間は短くなる（あるいは、なくなる）。
【００２８】
過電流によってヒューズ素子１０にリーク電流パスが形成される条件として、切断電流の総電流量が挙げられる。本発明では、電流調整抵抗２０によって飽和領域に従った高い電流の流れる時間を短くする（あるいはなくす）ことが可能なため、ヒューズ素子１０を流れる切断電流の総電流量を減少させることができる。従って、本発明によれば切断されたヒューズ素子の再接続の原因となるリーク電流パスの形成を防止し、製品不良率を低減することができる。
【００２９】
又、動作点Ａが線形領域となるように電流調整抵抗２０の抵抗値Ｒを設定しても良い。すなわち、動作点Ａにおけるドレイン電圧ＶＤ１がピンチオフ電圧Ｖｐより低い値となるように、電流調整抵抗２０の抵抗値Ｒを設定しても良い。この場合、電流調整抵抗２０に設定可能な下限値は、切断電流の総電流値がヒューズ素子１０を切断可能な大きさであることは言うまでもない。
【００３０】
図５は、従来技術によるヒューズ回路の構成を示す図である。図６は、従来技術によるトランジスタ３０の静特性及び動作点を示す図である。
【００３１】
従来技術のように電流調整抵抗２０がない場合（図５参照）、図６に示す負荷線Ｅのように、その傾きは−１／ＲＦとなり負荷線Ｂに比べて大きく（急に）なる。従来のヒューズ回路では、カット電圧ＶＣが高い場合、動作点Ｃにおけるドレイン電圧ＶＤ２が高くなり、ヒューズ素子には飽和領域の特性に従った電流が長時間流れてしまう。このため、ヒューズ素子が溶断されるまでに流れる総電流量は大きくなり、ヒューズ素子近傍に発生する熱量及び発熱時間が増大する。従って、従来技術では、カット電圧を増大させた場合、多量の残留金属が配線近傍領域に残り、リーク電流パスが形成する確率が高まり、製品不良率が増大してしまう。
【００３２】
同じ切断電圧ＶＣを印加した場合、本発明に係るトランジスタ３０の動作点Ａにおけるドレイン電圧ＶＤ１は、従来（動作点Ｃにおけるドレイン電圧ＶＤ２）よりも小さくなる。すなわち、同じ切断電圧ＶＣを印加した場合、本発明に係るトランジスタ３０ヒューズ素子に流れる切断電流の総電流量は、従来よりも小さくなる。従って、本発明によれば、ヒューズ素子１０を正常に切断する切断電圧ＶＣの最大値を大きくすることができる。
【００３３】
図７は、ヒューズ素子を正常に切断するために必要な切断電圧の範囲を示す図である。図７を参照して、切断電圧がＶＣ２以下となると、ヒューズ素子１０を切断可能な電流量とならないため、切断電圧の下降に応じてヒューズ素子１０の不良率が上昇する。一方、切断電圧がＶＣ３以上となると、上述のようにリーク電流パスが形成され易くなるため、切断電圧の上昇に応じてヒューズ素子１０の不良率は上昇する。このため、ヒューズ素子１０の不良率が所定の値となる時の切断電圧範囲は、切断電圧Ｖ２より所定の値低い切断電圧ＶＣ１から、切断電圧Ｖ３より所定の値高い切断電圧ＶＣ４の間となる。以下、この範囲を正常切断電圧範囲と呼ぶ。
【００３４】
本発明によるヒューズ回路１００では、電流調整抵抗２０の抵抗値Ｒを適切な値に設定することで、切断電圧Ｖ４を従来よりも高くすることができる。図８に、電流調整抵抗２０の抵抗値Ｒと正常切断電圧範囲との関係を示す。図８に示すように、電流調整抵抗２０を大きくすることで、正常切断電圧範囲を線形に増大させることができる。ただし、電流調整抵抗２０を所定の大きさ以上とすると、動作点Ａが線形領域に至り、正常切断電圧範囲は、所定の値で極大値となる。
【００３５】
以上のように、本発明では、電流調整抵抗２０によってトランジスタ３０の動作点を変更することで、ヒューズ素子の切断までに流れる切断電流の総電流量を減少させ、発熱時間を短縮することができる。これにより、高い切断電圧でも残留金属による電流パスの形成を防止することが可能となり、正常にヒューズ素子を切断できる切断電圧ＶＣの電圧範囲を拡大することができる。
【００３６】
本発明は、熱によって絶縁膜内に浸入した金属で短絡する可能性が高いヒューズ素子、すなわち図９に示すヒューズ素子１０にも好適に適用される。
【００３７】
図９に示すヒューズ素子１０は、同一配線層上において複数回折り返された形状の金属配線１１を備える。金属配線１１は、第１方向に電流が流れる金属配線１１Ａと、折り返されることで第１方向と異なる第２方向に電流が流れる金属配線１１Ｂとを有する。金属配線１１は、銅を主成分とする金属で形成されることが好ましい。又、切断電流による加熱効果を高めるように金属配線１１Ａ、１１Ｂは互いに近接している。
【００３８】
図１０を参照して、ヒューズ素子１０に切断電流が流れ、加熱されると金属が移動し、切断部１２おいて、金属配線１１Ａと金属配線１１Ｂが分離される。これによりヒューズ素子１０は切断されるが、金属配線１１Ａにおける一部の金属は膨張し、クラックを発生させ、クラック内に金属が入り込む。同様に、金属配線１１Ｂからもクラックが発生し、クラック内に金属が入り込むことがある。金属配線１１Ａのクラックと金属配線１１Ｂのクラックが互いに接続することにより、上述と同様に、金属配線１１Ａと金属配線１１Ｂとの間に新しい電流パス１３が形成され、ヒューズ不良となってしまう。
【００３９】
しかし、本発明によるヒューズ回路１００では、電流調整抵抗２０によって、ヒューズ素子１０が切断されるまでの切断電流の総電流量が制御されるため、図９に示すヒューズ素子１０を用いても、正常切断電圧範囲を従来よりも広げることが可能となる。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は上記実施の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。本発明は、電流加熱による金属の移動によって、ヒューズ素子内、ヒューズ素子間、あるいはヒューズ素子と他の配線との間に新たな電流パスが形成され得るヒューズ素子を利用する場合に有効である。このため、本発明に係るヒューズ素子１０は、電流加熱を利用して溶断されるヒューズ素子であれば良く、その構造は、実施の形態で示した構造に限らない。例えば、金属によって形成され、異なる配線層にまたがって折り返された配線を利用したヒューズ素子や、隣接する他のヒューズ素子との距離が近接したヒューズ素子を適用することが好適である。又、ヒューズ素子１０は、銅を主成分とすることが好ましいが、他の金属を主成分としても良い。
【００４１】
更に、電流調整抵抗２０は、トランジスタの抵抗成分を利用してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０：ヒューズ素子
２０：電流調整抵抗
３０：トランジスタ
１、２、１１、１１Ａ、１１Ｂ：金属配線
３：ビア
４：金属バリア
５、７：層間絶縁膜
６：エッチングストッパ層
８：膨張領域
９：金属
９’：リーク電流パス
１００：半導体装置（ヒューズ回路）
【図１】
2010161122.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010161122.tif 000011
【図９】
2010161122.tif 000012
【図１０】
2010161122.tif 000013