(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
0003648399.tif 000002
【図２】
0003648399.tif 000003
【図３】
0003648399.tif 000004
【図４】
0003648399.tif 000005
【図５】
0003648399.tif 000006
【図６】
0003648399.tif 000007
【図７】
0003648399.tif 000008
【図８】
0003648399.tif 000009