(57)【要約】【課題】プログラム電圧が低下された場合、e-フューズを確実にプログラムすることが困難であった。【解決手段】フューズ素子１１は、多結晶シリコン層と金属シリサイド層が積層されている。ＭＯＳトランジスタ１９は、フューズ素子に接続され、フューズ素子にプログラム電圧を供給する。プログラム電圧がＭＯＳトランジスタを介して供給された際、フューズ素子を融解するために必要な最低抵抗値Ｒminにおけるジュール熱Ｊの最小値をＪO、最高抵抗値Ｒmaxにおいて温度を上昇させるに必要なジュール熱Ｊの最小値をＪ1とし、フューズ素子の最低抵抗値Ｒminにおけるジュール熱をＪ（Ｒmin）、フューズ素子のプログラム時の最高抵抗値Ｒmaxにおけるジュール熱をＪ（Ｒmax）とした場合、Ｊ（Ｒmin）＞ＪO、且つＪ（Ｒmax）＞Ｊ1（ＪO＞Ｊ1）を満たしている。【選択図】      図１
2006108584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶シリコン層と金属元素を含む層が積層されたフューズ素子と、
前記フューズ素子に接続され、前記フューズ素子にプログラム電圧を供給するＭＯＳトランジスタとを具備し、
前記プログラム電圧が前記ＭＯＳトランジスタを介して供給された際、前記フューズ素子を融解するために必要な最低抵抗値Ｒminにおけるジュール熱Ｊの最小値をＪO、最高抵抗値Ｒmaxにおいて温度を上昇させるに必要なジュール熱Ｊの最小値をＪ1とし、前記フューズ素子の最低抵抗値Ｒminにおけるジュール熱をＪ（Ｒmin）、前記フューズ素子のプログラム時の最高抵抗値Ｒmaxにおけるジュール熱をＪ（Ｒmax）とした場合、Ｊ（Ｒmin）＞ＪO、且つＪ（Ｒmax）＞Ｊ１（Ｊ0＞Ｊ1）を満たすことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ジュール熱ＪOは、前記フューズ素子の幅をＷ、長さをＬ、高さをＨ、主としてサリサイド層を構成する金属材料の種類やｅ-フューズを覆う絶縁膜の材質に係わる比例係数をｋ１とした場合、
Ｊ0≒ｋ１・ＬＷＨ
であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記最低抵抗値Ｒminは、前記フューズ素子のシート抵抗をρｓとし、前記フューズ素子の幅をＷ、長さをＬとした場合、
Ｒmin＝ρｓＷＬ
であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記最高抵抗値Ｒmaxは、室温時の前記フューズ素子の抵抗値と融解温度における抵抗値との間における最大値であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記フューズ素子のプログラム時の最高抵抗値Ｒmaxにおけるジュール熱Ｊ（Ｒmax）と、ＭＯＳトランジスタのチャネル幅の関数ｊｒｍ（Ｗｓ）との関係は、
Ｊ（Ｒmax）≒ｊｒｍ（Ｗｓ）
であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体記憶装置の冗長回路に適用される電気的にプログラム可能なフューズ素子としての半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気的にプログラム可能なフューズ素子（以下、e-フューズと称す）が開発されている。e-フューズは、２つの端子と、これら端子の間に接続されたフューズリンクとにより構成されている。両端子とフューズリンクは、ゲート配線と同一材料により、ＣＭＯＳプロセスによって形成される。すなわち、両端子とフューズリンクは、例えばポリシリコン層とその上に自己整合的に形成されたシリサイド層により構成されている。両端子はそれぞれコンタクトを介して上層の金属に接続され、電気的に制御可能とされている。e-フューズは、コンタクトを通じてフューズリンクに電流ストレスを印加することによりプログラムされる。プログラム後、e-フューズは高抵抗となる。
【０００３】
e-フューズのプログラム方法として、例えばセルフアグロメレーション（self-agglomeration(self-assemble)）、あるいはエレクトロマイグレーション（electromigration）と称す物理現象を利用した方法がある。
【０００４】
セルフアグロメレーションを利用した方法において、フューズ素子に電流を供給することジュール（Joule）熱が発生する。この熱により、フューズ素子の温度が、サリサイド形成の温度よりも高くなると、ポリシリコン層上のサリサイド層は、セルフアグロメレーションを起こす。このセルフアグロメレーションとは、例えばポリシリコン結晶の境界の３重点などに金属元素が凝集する現象である。セルフアグロメレーションが発生することにより、ポリシリコン層上にサリサイド層の欠乏した領域が複数でき、その結果としてフューズ素子が高抵抗となる（例えば非特許文献１参照）。
【０００５】
一方、エレクトロマイグレーションを利用した方法は、フューズ素子に例えば３．３Ｖの電圧を印加する。この電圧により発生するジュール熱により、フューズ素子の温度は、エレクトロマイグレーションが発生する温度まで上昇する。この温度において、ポリシリコン層上のサリサイド層を構成する金属元素がエレクトロマイグレーションにより陽極側の端子に偏在する。また、ポリシリコン層中の不純物（ドーパント）もエレクトロマイグレーションにより陽極に偏在する。このため、フューズ素子中に不純物がドープされていないポリシリコンだけの領域ができる。その結果、フューズ素子の抵抗が高抵抗となる（例えば非特許文献２参照）。
【０００６】
ところで、半導体装置のスケーリングにより、周辺回路を構成するＭＯＳトランジスタの電圧に対する耐圧が下がるに従い、プログラム電圧を十分高く設定できないようになってきた。プログラム電圧を十分高い電圧とすることができなければ、フューズプログラミングの信頼性が悪化する。e-フューズをプログラムできないことはチップ自体の歩留まりを低下させることになる。また、プログラム後のe-フューズの抵抗値を十分高抵抗化できない場合、長期間の使用により抵抗値がさらに低下する可能性を秘めており、e-フューズの信頼性を損なうことになる。
【非特許文献１】“A PROM Element Based on Salicide Agglomeration of Poly フューズs in a CMOS Logic Process” IEDM 97, 855-858
【非特許文献２】“Electrically Programmable フューズ（e-フューズ） Using Electromigration in Silicides” IEEE Electron Device Letters, Vol. 23, No. 9, September 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、プログラム電圧が低下された場合においても、e-フューズを確実にプログラムすることが可能な半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体装置の第１の態様は、多結晶シリコン層と金属元素を含む層が積層されたフューズ素子と、前記フューズ素子に接続され、前記フューズ素子にプログラム電圧を供給するＭＯＳトランジスタとを具備し、前記プログラム電圧が前記ＭＯＳトランジスタを介して供給された際、前記フューズ素子を融解するために必要な最低抵抗値Ｒminにおけるジュール熱Ｊの最小値をＪO、最高抵抗値Ｒmaxにおいて温度を上昇させるに必要なジュール熱Ｊの最小値をＪ1とし、前記フューズ素子の最低抵抗値Ｒminにおけるジュール熱をＪ（Ｒmin）、前記フューズ素子のプログラム時の最高抵抗値Ｒmaxにおけるジュール熱をＪ（Ｒmax）とした場合、Ｊ（Ｒmin）＞ＪO、且つＪ（Ｒmax）＞Ｊ１（Ｊ0＞Ｊ1）を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、プログラム電圧が低下された場合においても、e-フューズを確実にプログラムすることが可能な半導体装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
先ず、ＭＳＱ（Melt-Segregate-Quench : 溶融偏在急冷）によるe-フューズのプログラムについて説明する。図２、図３は、e-フューズの構成を示している。e-フューズ１１は、第１の端子Ｎ１、第２の端子Ｎ２、及び第１、第２の端子Ｎ１、Ｎ２の相互間に接続されたフューズリンクＦＬにより構成されている。第１、第２の端子Ｎ１、Ｎ２、フューズリンクＦＬは、ＭＯＳトランジスタのゲート電極と同一の材料により構成されている。すなわち、図３に示すように、半導体基板(sub)１２上にシリコン酸化膜１０が形成されている。シリコン酸化膜１０の上には、ポリシリコン層１３により、第１、第２の端子Ｎ１、Ｎ２、及びフューズリンクＦＬが形成されている。このポリシリコン層１３の上に自己整合的に金属元素を含む層としてのシリサイド層１４（以下、サリサイド層と称す）が形成されている。また、サリサイド層１４を構成する金属元素は、例えばコバルトである。しかし、コバルトに限定されるものではなく、チタン、ニッケル、タングステン等を用いることも可能である。第１の端子Ｎ１のサリサイド層１４上には複数のコンタクト１５が形成され、このコンタクト１５を介して第１の端子Ｎ１は配線１６に接続される。第２の端子Ｎ２のサリサイド層１４上には複数のコンタクト１７が形成され、このコンタクト１７を介して第２の端子Ｎ２は配線１８に接続される。これらコンタクト１５、１７は、サリサイド層１４やポリシリコン層１３を構成する金属元素より融点が高い金属が使用される。この実施形態の場合、サリサイド層１４はコバルトで形成されているため、コンタクト１５、１７は、例えばタングステンにより形成され、配線１６、１８は、アルミニウムや銅により形成されている。このように構成されたe-フューズ１１は、図２に示すように、絶縁膜２１により覆われている。この絶縁膜２１は、前記サリサイド層１４より融点の高い材料により構成されている。
【００１２】
図１は、上記構成のe-フューズ１１をプログラムするための回路構成の一例を示している。e-フューズ１１の一端にはプログラム電圧Ｖprogが供給されている。e-フューズ１１の他端は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ１９の一端に接続されている。ＭＯＳトランジスタ１９の他端は接地されている。ＭＯＳトランジスタ１９のゲート電極はパルス発生器２０に接続され、このパルス発生器２０から電圧Ｖｇが供給される。
【００１３】
フューズリンクＦＬにおいて、ポリシリコン層１３の厚みは、例えば０．１７５μｍ、サリサイド層１４の厚みは、例えば０．０２μｍである。また、ポリシリコン層１３には、例えばｎ型不純物もｐ型不純物もドープされていない。従って比抵抗が高い。
【００１４】
図４は、フューズリンクＦＬの幅Ｗ及び長さＬと、プログラム前の抵抗値Ｒ等の例を示している。
【００１５】
ＭＯＳトランジスタ１９をパルス発生器２０から供給されるパルス信号によりオンさせると、e-フューズ１１にプログラム電圧例えばＶprog＝１．８Ｖが供給される。ノンドープのポリシリコン層１３は抵抗値が大きいため、通電の初期は、主にサリサイド層１４に電流が流れる。この状態において、フューズリンクＦＬにジュール熱が発生され、この熱が約１４００℃に達すると、ポリシリコン層１３が融解する。
【００１６】
図５に示すように、ポリシリコン層１３が融解した状態において、サリサイド層１４中のコバルトはイオン化しプラスイオンとなっている。このため、電場によりドリフトして陰極に引き寄せられ、陰極付近にコバルトが偏在する（１４ａは、偏在したコバルトを示している）。e-フューズ１１への電流を切るとジュール熱の供給が断たれるため、e-フューズ１１は冷却され再び固化する。コバルトが陰極付近から拡散を始めるより早くe-フューズ１１が冷却されると、図６に示すように、コバルトを含まない高抵抗の領域を含むフューズリンクＦＬが形成される。その結果、e-フューズ１１自体の抵抗値が高くなる。
【００１７】
また、e-フューズ１１への電流を切った後、e-フューズ１１は急速に冷却される。このため、e-フューズ１１内の結晶の性質が変化している。図６に示すように、フューズリンクＦＬにおいて、偏在したコバルト１４ａと陽極（＋）との間（ポイントＡ、Ｂで示す）は、非晶質（アモルファス）であり、偏在したコバルトと陰極（−）（ポイントＣ、Ｄで示す）は、多結晶である。この性質の変化の詳細は後述する。
【００１８】
図７、図８は、プログラム前後におけるe-フューズ１１の材質の変化を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope)の写真を示している。
【００１９】
図７は、ＭＯＳトランジスタ１９のゲート電極を示している。図７において、ゲート電極を構成するポリシリコン層の上の黒い層がサリサイド層である。ポリシリコン層の両側に位置する基板内に素子分離領域としてのＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）が形成されている。ゲート電極は絶縁膜としてのシリコン窒化膜(ＳｉＮ)により覆われている。e-フューズ１１もプログラム前は、図７に示すゲート電極と同様に、ポリシリコン層の上にサリサイド層が形成されている。
【００２０】
図８は、プログラム後のe-フューズ１１を示している。プログラム後において、ポリシリコン層上に存在したサリサイド層は消失し、陰極付近に偏在していることがわかる。写真の黒くなっている部分は、コバルトが存在する領域である。プログラム時の熱による融解の結果、プログラム前にサリサイド層の上部に存在したシリコン窒化膜及びプログラム前のポリシリコン層とシリコン酸化膜(ＳｉＯ２)との境界面も変性していることが分かる。
【００２１】
図９（ａ）（ｂ）は、プログラム後におけるe-フューズ１１中のコバルトの濃度分布を、エネルギー分散型Ｘ線分析装置(EDS)を用いて分析した結果を示している。図９（ａ）（ｂ）の横軸に示すポイント番号は、図８に示すポイント番号に対応している。図９（ａ）（ｂ）から明らかなように、プログラム前にポリシリコン層１３上に存在したサリサイド層を構成するコバルトがプログラム後は陰極側に偏在していること分かる。
【００２２】
図１０は、e-フューズ１１の製造工程において、ポリシリコン層１３に混入した塩素イオン(Ｃｌ)の分布を示している。プログラム後、マイナスイオンとしての塩素イオンは、陽極側に偏在している。このように、この実施形態において、ポリシリコン層１３が融解した状態において、電界により、マイナスイオンは陽極側にドリフトし、プラスイオンは陰極側にドリフトしていることが分かる。よって、この現象は、上記非特許文献２におけるエレクトロマイグレーションによる現象とは異なり、電界によるドリフト起因であることが分かる。
【００２３】
図１１（ａ）（ｂ）は、陰極側に偏在するコバルトの濃度を示している。図１１（ａ）は、図８に示すポイント番号１２に対応し、図１１（ｂ）は、図８に示すポイント番号１４に対応している。図１１（ａ）（ｂ）から明らかなように、フューズリンクＦＬの深さ方向にほぼ均一にコバルトが分布している。したがって、プログラム時にポリシリコン層１３が融解したことにより、コバルト元素が電界によりドリフトしたことが分かる。
【００２４】
図１２（ａ）はプログラム後のe-フューズ１１のＴＥＭ写真を示し、図１２（ｂ）は、プログラム後のe-フューズ１１のＴＥＭ電子線回折像を示している。図１２（ｂ）において、図６、図１２（ａ）と対応する箇所に同一符号を付している。Ｅは、単結晶シリコンの電子線回折像を示しており、格子の周期性による電子の干渉の結果、明るい点がいくつもみられる。多結晶物質は若干の周期性を持っていることから、電子線回折像はＣ、Ｄに示すような像となる。非晶質の物質は周期性をまったく持っていないため、一つの明るい点がぼやけて存在するだけの像となる。プログラム前のe-フューズ１１のポリシリコン層１３は、多結晶である。しかし、図１２（ａ）（ｂ）において、フューズリンクＦＬの偏在したコバルトと陽極（＋）との間で、ポイントＡ、Ｂで示す領域は非晶質となっている。これは融解し液体となっていたポリシリコンが急冷されて固化したことを示している。
【００２５】
e-フューズ１１を確実にプログラムするためには、プログラム中、フューズリンクＦＬの温度がシリコンの融点を超えていることが必要である。フューズリンクＦＬにあるジュール熱を与えた場合、フューズリンクＦＬの温度は上昇する。ジュール熱と放熱が平衡に達した段階で温度上昇は止まる。熱平衡に達する時間はプログラム時間に比べて短時間である。このため、フューズリンクＦＬに与えたジュール熱がそのままフューズリンクＦＬの温度に対応すると考えてよい。よって、プログラム中、フューズリンクＦＬの温度がシリコンの融点を超えるためには、一定以上のジュール熱が常にフューズリンクＦＬに供給されていなくてはならない。
【００２６】
プログラム中、フューズリンクＦＬに供給されるジュール熱が、不十分であると、フューズリンクＦＬは融解されず、その結果、e-フューズ１１のプログラムは不十分に終わる。このため、e-フューズ１１の抵抗が変化しなかったり、あるいは変化しても高抵抗にならなかったりする可能性がある。
【００２７】
上記e-フューズのプログラミングにおいて、e-フューズが発するジュール熱Ｊは、次式で表される。
【００２８】
Ｊ＝Ｉ２Ｒ
（Ｉ：e-フューズを流れる電流、Ｒ：e-フューズの抵抗）
しかし、e-フューズの抵抗は温度依存性を有している。このため、プログラム電圧Ｖprogを一定にしても、e-フューズの抵抗は一定にはならない。
【００２９】
プログラムの間、一定以上のジュール熱が発生されていれば、e-フューズは問題なくプログラムができる。しかし、プログラム中にe-フューズの抵抗値が上昇し、十分な発熱量が得られなくなると、e-フューズのプログラムは、不完全に終わってしまう。
【００３０】
図１３は、素子の発するジュール熱と抵抗値との関係を示している。この特性図は、図１に示すような一定サイズのＭＯＳトランジスタでe-フューズを制御する場合をシミュレーションしたデータである。このシミュレーションに用いた条件は次の通りである。e-フューズのフューズリンクＦＬのサイズ、幅Ｗ：０．１μｍ、長さＬ：１μｍ、サリサイド層の材料：例えばコバルト、ＭＯＳトランジスタのチャネル幅：５６μｍ。
【００３１】
図１３に示すように、シリコンを融解するために必要なジュール熱Ｊ0であるとする。また、プログラム中において、抵抗値が最大値Ｒmaxとなった時、e-フューズに流れる電流値が最小となる。このため、e-フューズの発生する熱量は最小値Ｊ（Ｒmax）となる。e-フューズの抵抗値が最大となる温度Ｔｃを越えて、e-フューズの温度を上昇させる最小値Ｊ1以上のジュール熱が発生することにより、e-フューズを確実に融解させることができる。すなわち、e-フューズのプログラムを開始すると、e-フューズはジュール熱により温度が高くなるため、素子の抵抗値が変化する。プログラム電圧がＶprog＝２．８Ｖの場合、e-フューズの抵抗が約２０Ω〜５００Ωまでの間で変化しても、フューズリンクの融解に必要なジュール熱が得られている。しかし、プログラム電圧が下がり、Ｖprog＝１．６Ｖとなると約２０Ω〜２５０Ωの間でしかフューズリンクの融解に必要なジュール熱が得られないこととなる。例えばe-フューズの抵抗値がプログラム中において、５０Ωから３５０Ωまで変化する場合、Ｖprog＝２．８Ｖではプログラムできるが、Ｖprog＝１．６Ｖではプログラムできないということになる。すなわち、プログラム電圧Ｖprogが低下すると、プログラム中のe-フューズ素子の抵抗値の変化範囲が狭くなる。このため、抵抗値の変化に対するマージンが小さくなる。
【００３２】
（第１の実施形態）
第１の実施形態において、e-フューズの素子構成は、図２、図３と同様であり、e-フューズの駆動回路は図１と同様である。このような構成において、例えば抵抗の最大値Ｒmax（約３５０Ω）において、Ｊ1（例えば０．００８Ｗ）より大きなジュール熱を供給し、抵抗の最小値Ｒmin（約５０Ω）においてＪ0（例えば０．０１Ｗ）以上のジュール熱を供給することにより、フューズリンクＦＬの温度がシリコンの融点に達するe-フューズを一定のプログラム電圧で制御する場合について説明する。
【００３３】
図１４は、図１に示す回路によりe-フューズをプログラムする際に、プログラム電圧Ｖprogを一定とし、ＭＯＳトランジスタの例えばチャネル幅Ｗｓを変えた場合におけるe-フューズの抵抗値と発熱量の関係を示している。図１４において、ＭＯＳトランジスタのチャネル幅がＷｓ＝１４μｍの場合、e-フューズのいかなる抵抗値に対してもフューズリンクが融解するための十分な発熱は得られない。一方、Ｗｓ＝２８μｍの場合、e-フューズの抵抗値が約７０Ω〜４００Ωの時にフューズリンクが融解するために十分な発熱が得られる。フューズリンクを融解可能なジュール熱が得られるe-フューズの抵抗値の範囲は、ＭＯＳトランジスタのチャネル幅Ｗｓが大きくなるに従って大きくなることが分かる。ＭＯＳトランジスタのチャネル幅を決める条件は、プログラム中のe-フューズの抵抗値の変化領域が、チャネル幅Ｗを定めたときのe-フューズの融解に十分なジュール熱を得られる抵抗変化のマージン内に収まるようにすればよい。具体的には、以下のようである。
【００３４】
プログラム中の温度によって変化するe-フューズの抵抗の初期値をＲmin、最大値をＲmaxとし、e-フューズを融解するに必要なジュール熱Ｊの最小値をそれぞれＪ0、Ｊ1とすると、これらの関係は次式のようになる。
【００３５】
Ｊ（Ｒmin）＞Ｊ0  且つ  Ｊ（Ｒmax）＞Ｊ1      （Ｊ0＞Ｊ1）
この条件よりＭＯＳトランジスタの最小のチャネル幅Ｗｓ若しくは最低のプログラム電圧Ｖｐを求めることができる。それにより安定したe-フューズのプログラムが可能となる。
【００３６】
上記Ｒminは、e-フューズのシート抵抗値をρｓとしたとき次式により表される。
【００３７】
Ｒmin＝ρｓ・Ｗ・Ｌ
（Ｗ：フューズリンクの幅、Ｌ：フューズリンクの長さ）
上記Ｒmaxは次のようにして決定できる。すなわち、ポリシリコン層１３とサリサイド層１４が積層されたフューズリンクにおいて、サリサイド層１４は、金属であるため温度の上昇とともに電気抵抗が上昇する増加関数としての性質を有している。また、ノンドープポリシリコン層１３は絶縁体として機能するため、温度が上昇すると電気抵抗が低下する減少関数としての性質を有している。このため、e-フューズの抵抗値は、温度の低い領域ではサリサイド層１４の電気抵抗が支配的であり、温度の高い領域ではポリシリコン層１３の電気抵抗が支配的である。すなわち、温度の低い領域ではポリシリコン層１３の抵抗値がサリサイド層１４の抵抗値より小さく、温度の高い領域ではポリシリコン層１３の電気抵抗がサリサイド層１４の電気抵抗より小さくなる。
【００３８】
実際のe-フューズを考えると、フューズリンクの電気伝導は、室温（Ｒ．Ｔ．）付近では主にサリサイド層１４の抵抗値に依存し、融点（Ｔmelt）付近ではポリシリコン層１３の抵抗値に依存することとなる。
【００３９】
図１５は、フューズリンクの抵抗値の温度依存性を示している。すなわち、フューズリンクの抵抗値は、室温（Ｒ．Ｔ．）から温度が上昇するに従い、サリサイド層１４の抵抗値に従って上昇し、ポリシリコン層１３の融点（Ｔmelt）に近づくに従って抵抗値が低下する。このため、フューズリンクの抵抗の最大値Ｒmaxは、フューズリンクの温度が室温（Ｒ．Ｔ．）からポリシリコン層１３の融点（Ｔmelt）までの間における最大値として決定すればよい。
【００４０】
一方、e-フューズを融解するに必要なジュール熱Ｊ0は次のようにして決定される。
【００４１】
e-フューズに流入する熱量（ジュール熱）及びフューズから放出される熱量（放熱）が等しくなると、系は平衡に達し、温度は一定となる。シミュレーションによると、熱平衡状態におけるe-フューズの温度は、単位体積当りの発熱量に大きく依存し、単位体積当りの発熱量にほぼ比例して高くなることが知られている。単位体積当りの発熱量は、次式により表される。
【００４２】
Ｊ／ＬＷＨ
（Ｈ：フューズリンクの高さ、Ｌ：長さ、Ｗ：幅）
換言すると、次式で表すことができる。
【００４３】
Ｊ0≒ｋ１・ＬＷＨ
但し、ｋ１は、主としてサリサイド層を構成する金属材料の種類やｅ-フューズを覆う絶縁膜の材質に係わる比例係数である。
【００４４】
また、e-フューズを融解するに必要なジュール熱Ｊ1は、次式で表すことができる。
【００４５】
Ｊ1≒ｋ2・ＬＷＨ
但し、ｋ2は、主としてサリサイド層を構成する金属材料の種類やｅ-フューズを覆う絶縁膜の材質に係わる比例係数である。
【００４６】
ここで、図１４において、プログラム電圧Ｖprogが固定されている場合を考える。
【００４７】
図１４において、ＭＯＳトランジスタの一つのチャネル幅Ｗｓをとると、発熱量（ジュール熱）は抵抗の関数となっている。このため、プログラム時におけるフューズ素子の最大の抵抗値Ｒmaxにおける発熱量Ｊ（Ｒmax）が一意に定まる。一つのチャネル幅Ｗｓに対して、Ｊ（Ｒmax）が一つに定まるということは、Ｊ（Ｒmax）がチャネル幅Ｗｓの関数になっていることを意味する。ここで、チャネル幅Ｗｓの関数をｊｒｍ（Ｗｓ）と表すと、フューズ素子の最大の抵抗値Ｒmaxにおける発熱量Ｊ（Ｒmax）とチャネル幅Ｗの関数ｊｒｍ（Ｗｓ）の関係は、次式のようになる。
【００４８】
Ｊ（Ｒmax）≒ｊｒｍ（Ｗｓ）
いま、ＭＯＳトランジスタのチャネル幅を十分小さなチャネル幅ＷｓＳ（例えば図１４に示すチャネル幅Ｗ＝１４μｍ）に設定したとする。すると、Ｊ（Ｒmax）＝ｊｒｍ（ＷｓＳ）はＪ1（発熱量のクライテリア）よりも小さくなっていることが図１４より明らかである。逆に、ＭＯＳトランジスタのチャネル幅を十分大きなチャネル幅ＷｓＬ（例えば図１４に示すチャネル幅Ｗ＝７０μｍ）に設定した場合、Ｊ（Ｒmax）＝ｊｒｍ（ＷｓＬ）をＪ1よりも大きくできることが図１４より明らかである。すなわち、
ｊｒｍ（ＷｓＳ）＜Ｊ1＜ｊｒｍ（ＷｓＬ）
となっている。よって、ＭＯＳトランジスタのチャネル幅ＷｓをＷｓＳからＷｓＬまで大きくすると、あるチャネル幅Ｗｓにおいてｊｒｍ（Ｗｓ）＝Ｊ1となる。そのようになるチャネル幅ＷｓをＷminと定義する。したがって、チャネル幅Ｗmin以上のチャネル有するＭＯＳトランジスタであれば、設定された幅及び長さのフューズリンクを有するe-フューズを設定されたプログラム電圧により確実に融解させることができる。
【００４９】
具体的には、図１４において、Ｒminが約５０Ωであり、Ｒmaxが約３５０Ωであるとすると、ＭＯＳトランジスタのチャネル幅Ｗｓの最小値Ｗｓminはほぼ３５μｍとなる。
【００５０】
また、図１３において、Ｒminが約５０Ωであり、Ｒmaxがほぼ約３５０Ωであるとすると、プログラム電圧の最小値Ｖprogminは、ほぼ１．８Ｖとなる。
【００５１】
尚、図１において、e-フューズ１１とＭＯＳトランジスタ１９との接続ノードＣＮの電位ＶCNは次式で表される。
【００５２】
ＶCN＝Ｖprog−ＩＲ
（Ｉ：e-フューズの電流、Ｒ：e-フューズの抵抗）
e-フューズを流れる電流Ｉは、ＭＯＳトランジスタ１３により制御されている。このため、e-フューズとＭＯＳトランジスタの接続ノードＣＮの電位ＶCNと、電流Ｉとの関係は、ＭＯＳトランジスタ１３の電気特性によって決まる。
【００５３】
図１６は、ＭＯＳトランジスタの特性を示すものであり、チャネル幅Ｗを一定とした場合における電位ＶCNと電流Ｉとの関係を示している。図１３、図１４に示すグラフは、図１６に示す特性より横軸を抵抗Ｒに変換することにより求めることができる。
【００５４】
上記第１の実施形態によれば、フューズリンクのサイズ及びプログラム電圧を定めた状態において、フューズリンクを融解するために必要なジュール熱以上の熱を発生することができるＭＯＳトランジスタのチャネル幅を設定することができる。このため、ＭＯＳトランジスタがスケーリングされて高いプログラム電圧をe-フューズに印加できなくなった場合においても、e-フューズを確実にプログラムすることが可能なＭＯＳトランジスタのチャネル幅を設定することができる。したがって、e-フューズ及び半導体装置の信頼性を向上することが可能である。
【００５５】
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態は、フューズ素子のサイズ及びプログラム電圧が一定値に定められている場合において、ＭＯＳトランジスタのチャネル幅を設定する場合について説明した。これに対して、第２の実施形態は、ＭＯＳトランジスタのサイズ及びプログラム電圧が一定値に定められている場合において、フューズ素子のサイズ設定する場合について考える。
【００５６】
e-フューズの温度上昇は単位体積当りに発生する熱量で決まる。このため、e-フューズの温度がシリコンの融点に達するに必要なジュール熱の値はフューズリンクの長さＬかける幅Ｗ（Ｌ×Ｗ）に依存することになる。また、e-フューズの抵抗値はフューズリンクの長さＬ割る幅Ｗ（Ｌ／Ｗ）により規定される。このため、プログラム中のe-フューズの抵抗値の変化はフューズリンクのＬ／Ｗにより制御できることになる。したがって、フューズリンクのＬ×ＷとＬ／Ｗを設定されたＭＯＳトランジスタ及びプログラム電圧に対して選択することにより、設定されたＭＯＳトランジスタ及びプログラム電圧に対してプログラム可能なe-フューズのサイズを設定することが可能となる。
【００５７】
上記第２の実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
尚、上記第１、第２の実施形態において、e-フューズを制御するＭＯＳトランジスタは、半導体装置の周辺回路に使用されるゲート酸化膜が比較的厚いトランジスタを対象としているが、これに限定されるものではなく、ゲート酸化膜厚が薄いＭＯＳトランジスタを使用することも可能である。
【００５９】
また、第１、第２の実施形態において、e-フューズ１１は、ポリシリコン層の上にサリサイド層を形成した。しかし、これに限定されるものではなく、ポリシリコン層の上に金属層を形成しても第１乃至第３の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００６０】
その他、本発明の要旨を変えない範囲において、種々変形実施可能なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置とその駆動回路を示す回路図。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置としてのe-フューズを示す斜視図。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図。
【図４】e-フューズのサイズと抵抗値等の例を示す図。
【図５】e-フューズのプログラム動作を示す断面図。
【図６】e-フューズのプログラム後の状態を示す断面図。
【図７】プログラム前におけるＭＯＳトランジスタを示す透過型電子顕微鏡写真。
【図８】プログラム後におけるe-フューズを示す透過型電子顕微鏡写真。
【図９】図９（ａ）（ｂ）は、プログラム後におけるe-フューズ中のコバルトの濃度分布をエネルギー分散型Ｘ線分析装置(EDS)を用いて分析した結果を示す図。
【図１０】プログラム後におけるe-フューズ中の塩素イオンの濃度分布をエネルギー分散型Ｘ線分析装置(EDS)を用いて分析した結果を示す図。
【図１１】図１１（ａ）（ｂ）は、陰極側に偏在するコバルトの濃度を示す図。
【図１２】図１２（ａ）はプログラム後のe-フューズの透過型電子顕微鏡写真を示し、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の対応箇所の結晶の状態を示すＴＥＭ電子線回折像の写真。
【図１３】e-フューズの異なるプログラム電圧に対する抵抗の変化と発熱量の関係を示す図。
【図１４】e-フューズのＭＯＳトランジスタのチャネル幅に対する抵抗の変化と発熱量の関係を示す図。
【図１５】e-フューズのプログラム時の最大抵抗値を示す図。
【図１６】ＭＯＳトランジスタの特性を示す図。
【符号の説明】
【００６２】
１１…e-フューズ、Ｎ１、Ｎ２…端子、ＦＬ…フューズリンク、１９…ＭＯＳトランジスタ。
【図１】
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【図２】
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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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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