(57)【要約】【課題】レーザー光の照射によってもヒューズ配線を溶断することなくヒューズ素子の抵抗を変化させ、機能を制御されるヒューズ素子を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】上記の課題を解決する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に形成された第１の配線層と、前記第１の配線層より上方に形成された第２の配線層と、前記第１の配線層及び第２の配線層間を接続する少なくとも１のヒューズ素子としてのプラグと、前記第２の配線層の上方に形成された絶縁膜の一部に前記プラグに対応して設けられた開口部とを具備する。さらに、前記開口部にレーザー光を照射することによって前記プラグ内に形成された空隙を含むことができる。【選択図】    図１
2005228882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成された第１の配線層と、
前記第１の配線層より上方に形成された第２の配線層と、
前記第１の配線層及び第２の配線層間を接続する少なくとも１のヒューズ素子としてのプラグと、
前記第２の配線層の上方に形成された絶縁膜の一部に前記プラグに対応して設けられた開口部とを具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記開口部にレーザー光を照射することによって前記プラグ内に空隙を形成す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３】
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成された第１の配線層と、
前記第１の配線層より上方に形成された第２の配線層と、
前記第１の配線層及び第２の配線層間を接続する少なくとも１のヒューズ素子としてのプラグと、
前記第２の配線層の上方に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の一部に前記プラグに隣接する前記第１の配線層の上方に設けられた開口部とを具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記開口部にレーザー光を照射することによって前記第１の配線層と前記プラグとの接続部の第１の配線層内に空隙を形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板の上方に第１の配線層を形成し、
前記第１の配線層上に第１の絶縁膜を堆積し、
前記第１の絶縁膜に前記第１の配線層とこの上方に形成する第２の配線層とを接続するヒューズ素子のプラグ用接続孔及び第２の配線層用溝を形成し、
前記プラグ用接続孔及び第２の配線層用溝にヒューズ素子としてのプラグ及び第２の配線層を形成し、
前記第２の配線層上に第２の絶縁膜を形成し、
前記第２の絶縁膜の一部に前記プラグに対応して開口部を形成し、
前記開口部にレーザー光を照射し、少なくとも１の前記プラグに空隙を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒューズ素子を具備する半導体装置に係わり、例えば、レーザー光の照射によりヒューズ素子の状態を制御する構造を備える半導体装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
大規模な半導体メモリ装置、例えば、ＤＲＡＭ、フラッシュメモリ、及びこれらを搭載した高性能な半導体ロジック装置は、不良素子のある回路を救済する手段としてリダンダンシー回路が一般に用いられている。リダンダンシー回路を使用する若しくは不使用にする方法の一つとして、多層配線層の特定部分に設けられたヒューズ素子としての金属配線層を、例えば、レーザー光によって溶断する方法が知られている。
【０００３】
一方、大規模でかつ高性能な半導体装置、例えば、高性能ロジック装置、ＤＲＡＭでは、高速動作が要求される。そのため、多層配線層における信号の伝達遅延を低減することが高速化のために好ましい。そこで、多層配線層に好ましい材料として、金属としてはアルミニウム（Ａｌ）より低抵抗の、例えば、銅（Ｃｕ）が、配線層間及び層間絶縁膜としてシリコン酸化膜より低誘電率の絶縁膜（いわゆるｌｏｗ−ｋ絶縁膜）、例えば、フッ素添加シリコン酸化膜、メチルポリシロキサン(methyl-polysiloxane : MSX)、水素シルセスキオキサン(hydrogen-silsesquioxane : HSQ)、ポリ（アリレン）エーテル(poly(arylene) ether(PAE)等があげられる。これらの低誘電率絶縁膜は、一般に、シリコン酸化膜より熱的特性が劣るため、レーザー光照射によってヒューズ素子を溶断する場合には種々の課題が生じてくる。
【０００４】
図７は、従来技術による多層配線層構造の一例を示す断面図である。図７（ａ）は、シリコン基板３１０上に形成した、ヒューズ素子３４０Ｆを有する４層の多層配線層構造を示している。このヒューズ素子３４０Ｆは、レーザー光ＬＢの照射によって配線を溶断するものであり、メモリ回路とリダンダンシー回路とを接続している。最上層である第４層の金属配線層３４５の一部にヒューズ配線３４５Ｆを設けてあり、その上方の絶縁膜３４８，３４９にレーザー照射用の開口部３５０Ｆを設けてある。ここでは、配線層３１５，３２５，３３５及び３４５用の金属材料としてＣｕを、層間絶縁膜３１１，３２１，３３１及び３４１として低誘電率絶縁膜を使用している。したがって、ヒューズ配線３４５Ｆの材料もＣｕである。このヒューズ配線３４５Ｆを溶断する若しくは溶断しないかによって、リダンダンシー回路の使用若しくは不使用を制御している。
【０００５】
配線用の金属の融点を比較すると、従来使用してきたＡｌが６６０℃であるのに対してＣｕは１０８３℃と高い。したがって、Ｃｕを溶断する場合には、Ａｌを溶断する場合より高エネルギーのレーザー光照射が必要になる。一方、ヒューズ配線３４５Ｆに接触する低誘電率層間絶縁膜３４１は、従来使用してきたシリコン酸化膜に比べ耐熱性が低い。そのため、レーザー光照射によりＣｕのヒューズを溶断しようとする場合、以下に述べる種々の問題が発生する。
【特許文献１】米国特許出願  ０９／３２８９６０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図７（ａ）に示した構造の、ヒューズ配線材料としてＣｕを使用し、層間絶縁膜３１１，３２１，３３１及び３４１として低誘電率絶縁膜を使用したヒューズ素子３４０Ｆにおいて、レーザー光ＬＢの照射によりＣｕヒューズ配線３４５Ｆを溶断する場合に発生する代表的な問題点を図７（ｂ）に示す。前述のようにＣｕの融点は、Ａｌより高いため、Ｃｕヒューズ配線３４５Ｆを溶断するために高エネルギーのレーザー光ＬＢを照射して高温にする必要がある。この熱によって、ヒューズ配線周辺の絶縁膜３４１が変質し（Ａ）、回路のショートあるいはオープンが発生するという問題がある。さらに、この際に発生する熱ストレスによって、Ｃｕ配線層３４５の変形（Ｂ）及びＣｕ配線層３４５と上層のパッシベ−ション膜３４８，３４９との間に剥れ（Ｃ）が発生する、あるいはパッシベ−ション膜３４８，３４９にクラック（Ｄ）が発生する。また、Ｃｕヒューズ配線３４５Ｆに接する層間絶縁膜３４１は機械的強度が弱いため、ヒューズ配線３４５Ｆ直下の層間絶縁膜３４１にクラック（Ｅ）が発生することや、ヒューズのあるＣｕ配線層３４５の配線層間で絶縁膜３４１にクラック（Ｆ）が発生することがある。このように絶縁膜にクラックが発生したり、パッシベ−ション膜が剥れたりすると、クラックから、例えば、大気中の水分及び酸素がＣｕ配線層に浸入し、Ｃｕ配線の信頼性を劣化させるという問題が発生する。
【０００７】
さらに、絶縁膜中のＣｕの拡散速度は、Ａｌに比べ大きく、しかも低誘電率絶縁膜中のＣｕの拡散速度は、シリコン酸化膜に比べ大きいため、Ｃｕがヒューズ素子３４０Ｆの周辺の絶縁膜３４１中に拡散する、若しくは極端な場合にはＣｕが貫入（Ｇ）する。このようなＣｕの絶縁膜中への拡散あるいは貫入によって、意図しない回路ショートを発生させる、あるいは信頼性を劣化させるという問題がある。また、溶断された部分のＣｕは、完全に蒸発するのではなく、大部分がレーザー光照射用の開口部３５０Ｆ内及び開口部３５０Ｆの周辺にＣｕ粒子として飛散（Ｈ）する。この飛散したＣｕ粒子も半導体装置の信頼性を劣化させるという問題を引き起こす。
【０００８】
本発明は、前記の問題に鑑み、レーザー光の照射によってＣｕヒューズ配線を溶断することなくヒューズ素子の設定が可能な半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題は、以下の本発明に係る半導体装置及びその製造方法によって解決される。
【００１０】
本発明の１つの観点にしたがった半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に形成された第１の配線層と、前記第１の配線層より上方に形成された第２の配線層と、前記第１の配線層及び第２の配線層間を接続する少なくとも１のヒューズ素子としてのプラグと、前記第２の配線層の上方に形成された絶縁膜の一部に前記プラグに対応して設けられた開口部とを具備することを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記開口部にレーザー光を照射することによって前記プラグ内に空隙を形成することを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の観点にしたがった半導体装置の製造方法は、半導体基板の上方に第１の配線層を形成し、前記第１の配線層上に第１の絶縁膜を堆積し、前記第１の絶縁膜に前記第１の配線層とこの上方に形成する第２の配線層とを接続するヒューズ素子のプラグ用接続孔及び第２の配線層用溝を形成し、前記プラグ用接続孔及び第２の配線層用溝にヒューズ素子としてのプラグ及び第２の配線層を形成し、前記第２の配線層上に第２の絶縁膜を形成し、前記第２の絶縁膜の一部に前記プラグに対応して開口部を形成し、前記開口部にレーザー光を照射し、少なくとも１の前記プラグに空隙を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザー光の照射によってＣｕヒューズ配線を溶断することなくヒューズ素子の設定が可能な半導体装置及びその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態を、添付した図面を参照して以下に詳細に説明する。図では、対応する部分は、対応する参照符号で示している。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明による第１の実施形態にしたがった半導体装置の構造の一例を示す断面図である。図では、本発明に直接係わる、多層配線層構造の一部に形成したヒューズ素子に係わる部分に注目して示している。したがって、実際に多層配線層を形成する半導体（例えば、シリコン）基板１１０には、例えば、素子分離、ＭＯＳＦＥＴ等が形成されているが、単純化するためにこれらの構造を省略し、シリコン基板１１０として示している。
【００１６】
第１の実施形態のヒューズ素子の特徴は、ヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆ内に空隙１４３Ｖを有するヒューズ素子１４０Ｖ（図１（ｂ））と空隙のないヒューズ素子１４０Ｆ（図１（ａ））との２つの異なる素子を具備することである。図１（ａ）に示したヒューズ素子１４０Ｆは、例えば、４層の多層配線１００と同時に形成され、多層配線の一部と同等の構造を有するヒューズ素子１４０Ｆである。このヒューズ素子１４０Ｆは、多層配線の最上層（第４層）に形成したヒューズ配線層１４５Ｆと、その下層（第３層）の配線層１３５Ｆと、この両者を接続する少なくとも１のヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆと、ヒューズ配線層１４５Ｆの上に堆積した絶縁膜１４８，１４９にビアプラグ１４３Ｆに対応して形成されたレーザー光ＬＢ照射用の開口部１５０Ｆとを具備する。ヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆは、同じ層に形成された配線層間を接続する他のビアプラグ１４３と比較して小さな断面積を有することを特徴とする。図１（ｂ）に示したヒューズ素子１４０Ｖは、図１（ａ）に示した構造１４０Ｆのヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆ中に空隙１４３Ｖを有することを特徴とする。ビアプラグ中の空隙１４３Ｖは、ヒューズ配線層１４５Ｆをレーザー光ＬＢで照射することによって、ビア中に埋め込まれている配線金属、例えば、Ｃｕの少なくとも一部がマイグレーション（移動）する結果として発生する。
【００１７】
以下に前記ヒューズ素子１４０Ｆの製造方法について、図２（ａ）から図３（ｂ）に示した工程断面図を参照して説明する。図１と同様に、半導体（例えば、シリコン）基板に形成されるデバイス構造を省略してシリコン基板１１０として示し、本発明に係わる多層配線部分に注目して、４層の多層配線を例に図示している。
【００１８】
図２（ａ）は、ＭＯＳＦＥＴ及びメモリ用キャパシタ等を形成したシリコン基板１１０上に、ダマシンプロセス及びデュアルダマシンプロセスにより第３の配線層１３５までを形成した図である。以下に、この製造プロセスを順に説明する。
【００１９】
（１）先ず、第１の配線層をダマシンプロセスで形成する。すなわち、初めに、低誘電率絶縁膜からなる第１の配線間絶縁膜１１１をシリコン基板上の全面に形成する。低誘電率絶縁膜は、シリコン酸化膜より比誘電率が小さい絶縁膜が好ましく、さらに好ましくは、比誘電率が３以下の絶縁膜である。例えば、フッ素添加シリコン酸化膜、メチルポリシロキサン（ＭＳＸ）、水素シルシスキオキサン（ＨＳＱ）、及びポリアリレンエーテル（ＰＡＥ）等の低誘電率絶縁膜を使用することができる。
【００２０】
次に、リソグラフィー技術及びエッチング法により第１の配線間絶縁膜１１１に配線用溝を形成する。この配線用溝を埋めるように配線材料の拡散を防止するバリアメタル（図示していない）を介して配線金属を堆積する。バリアメタルとして、例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）若しくはこれらの積層膜を使用することができる。配線金属として、本実施形態では銅（Ｃｕ）を使用したが、アルミニウム（Ａｌ）等の他の金属若しくはこれらの金属を含む合金を使用することもできる。
【００２１】
その後、ＣＭＰ法により配線用溝以外の第１の配線間絶縁膜１１１上に形成されたＣｕを除去するとともに平坦化を行う。このようにして第１のＣｕ配線層１１５を形成できる。続いて、Ｃｕの拡散を防止する第１のバリア絶縁膜１１７を全面に形成する。本実施形態では、バリア絶縁膜として窒化シリコン（ＳｉＮ）を使用したが、Ｃｕの拡散を防止する能力がある絶縁膜であれば他の膜を使用することができる。
【００２２】
（２）次に、第１のＣｕ配線層１１５とこの上方に形成する第２のＣｕ配線層１２５とを接続する第１のビアプラグ１２３及び第２のＣｕ配線層１２５をデュアルダマシンプロセスで形成する。すなわち、低誘電率絶縁膜からなる第２の層間絶縁膜１２１を全面に形成する。第２の層間絶縁膜１２１は、第１の配線間絶縁膜１１１と同様に比誘電率が３以下であることが好ましく、第１の配線間絶縁膜１１１と同じ材料の低誘電率絶縁膜、若しくは異なる材料の低誘電率絶縁膜を使用できる。
【００２３】
そして、リソグラフィー技術及びエッチング法により、第１のＣｕ配線層１１５とこの上方に形成する第２のＣｕ配線層１２５とを接続するための第１のビアホールを形成し、引き続き、第２の配線用溝を順次形成する。この第１のビアホール及び第２の配線用溝を埋めるようにバリアメタル（図示していない）を介して第２の配線層用のＣｕを堆積する。
【００２４】
その後、ＣＭＰ法により配線用溝以外の第２の層間絶縁膜１２１上に形成されたＣｕを除去するとともに平坦化を行う。このようにして第１のビアプラグ１２３及び第２のＣｕ配線層１２５を形成できる。続いて、第２のバリア絶縁膜１２７を全面に形成する。
【００２５】
（３）同様に（２）で説明したプロセスを繰り返して、第２のビアプラグ１３３及び第３のＣｕ配線層１３５を形成できる。第３のＣｕ配線層１３５の一部には、その上部にヒューズ素子を形成するための引き出し部１３５Ｆが設けてある。このようにして図２（ａ）の構造を形成できる。
【００２６】
（４）次に、第３のバリア絶縁膜１３７を全面に形成する。前述の工程（２）と同様のプロセスを行い、図２（ｂ）に示したように、第３のビアプラグ１４３及び第４のＣｕ配線層１４５を、第４の層間絶縁膜１４１中に形成する。このとき同時にヒューズ配線層１４５Ｆ及びヒューズ配線層１４５Ｆとその下部の第３のＣｕ配線層の引き出し部１３５Ｆとを接続するヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆを形成する。第１の実施形態では、後で述べる理由により、ヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆの直径は、同じ層に形成した配線層間１３５，１４５を接続するビアプラグ１４３の直径に比べ小さくすることが好ましい。例えば、配線層間を接続するビアプラグ１４３の直径を０．６μｍとし、ヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆの直径を０．２５μｍとすることができる。ヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆの数は、１個のヒューズ素子に対して１個であってもよく、複数個であってもよい。
【００２７】
（５）その後、図３（ａ）に示したように、全面にＣｕの拡散を防止する第４のバリア絶縁膜１４７としてＳｉＮ膜を形成し、その上にパッシベ−ション絶縁膜としてＳｉＯ２膜１４８及びＳｉＮ膜１４９を形成する。
【００２８】
（６）最後に、レーザー光ＬＢを照射するための開口部１５０Ｆをリソグラフィー技術及びエッチング法によりヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆに対応するパッシベ−ション絶縁膜１４８，１４９に開口して、図３（ｂ）に示したヒュ−ズ素子１４０Ｆが完成する。これによって、本発明の第１の実施形態にしたがったヒューズ素子１４０Ｆを備えた半導体装置、例えば、ＤＲＡＭ、メモリ混載ロジック装置、が完成する。
【００２９】
次に、ヒューズ素子１４０ＦのＯＮ、ＯＦＦの制御方法について説明する。上述のようにして製造した半導体装置を電気的に測定し、ＯＦＦにすべきヒューズ素子を特定する。本実施形態では、これらのヒューズ素子にレーザー光ＬＢを照射し、その抵抗を１００倍以上に増加させることにより、それらのヒューズ素子をＯＦＦにする。従来技術では、ヒューズ素子をＯＦＦにする操作は、ヒューズ配線層を、例えば、レーザー光を照射することにより溶断していた。ヒューズ配線層を溶断する方法では、前述のように、層間絶縁膜として熱に弱い低誘電率絶縁膜が使用されるにともない、リーク電流の増大、あるいは信頼性の劣化等の問題が顕在化してきた。そのため、本実施形態の特徴は、ヒューズ配線層１４５Ｆを溶断しない条件でレーザー光ＬＢを照射することである。
【００３０】
具体的には、ヒューズ配線１４５Ｆをレーザー光ＬＢ照射で溶断する代わりに、ヒューズ配線１４５Ｆ及びヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆをレーザー光ＬＢによって局所加熱する。その際に生じる熱歪によりヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆ中のＣｕ原子は、ストレスマイグレーションを起こす。その結果、図１（ｂ）に示した空隙１４３Ｖをビアプラグ１４３Ｆ内に形成することができる。空隙１４３Ｖは、そのヒューズ素子の抵抗を１００倍程度以上変化させることができれば、ビアプラグの断面の一部に形成されるだけでもよく、その全体に形成されてもよい。これにより空隙１４３Ｖを形成したヒューズ素子１４０Ｖの抵抗が、空隙のないヒューズ素子１４０Ｆの１００倍以上に増加し、そのヒューズ素子１４０Ｖを回路動作上ＯＦＦにすることができる。
【００３１】
このときレーザー光ＬＢを照射した部分のヒューズＣｕ配線層１４５Ｆの温度が、Ｃｕの融点（１０８３℃）を超えないようにレーザー光ＬＢの照射条件を設定することが好ましい。これと同時に、加熱されるヒューズＣｕ配線層１４５Ｆ及びビアプラグ１４３Ｆに接する層間絶縁膜１４１が、変質、変形しないようにレーザー光ＬＢの照射条件を設定することが好ましい。非晶質（ガラス）の層間絶縁膜をその軟化点より高温に加熱すると、絶縁膜が変形あるいは分解し、絶縁膜に変形あるいはクラックが発生する場合がある。その結果、前述したように、ヒューズ素子の周辺の回路に、ショート若しくはオープン等が生じ、半導体装置に不具合が発生する。特に、層間絶縁膜にＳｉＯ２より誘電率が小さい低誘電率膜を用いた場合、その軟化点が低いため、加熱温度は、例えば、有機膜では、５００℃以下、有機シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜）では、６００℃以下にすることが好ましい。また、レーザー照射における下限温度は、ビアプラグ１４３Ｆ内のＣｕ原子が、迅速かつ確実にストレスマイグレーションを起こす２５０℃以上の温度が好ましく、さらに好ましくは、３００℃以上である。これは、Ｃｕ原子のマイグレーションは、熱活性化プロセスであり高温ほど増速されるためである。
【００３２】
ここで、ヒューズ用ビアプラグ１４３Ｆ中に空隙１４３Ｖが形成されるメカニズムについて簡単に説明する。配線層及びビアプラグを構成するＣｕは、大きな応力を受けると、そのストレスによってＣｕ原子が、いわゆるストレスマイグレーションを起こし、移動することが知られている。特に、引っ張り応力の場合、ストレスマイグレーションは、顕著になることが知られている。ヒューズ素子１４０Ｆをレーザー光ＬＢによって照射することにより、ヒューズ素子１４０ＦのＣｕ配線層１４５Ｆ及びビアプラグ１４３Ｆは、加熱され膨張する。一方、この周囲の絶縁膜、例えば、１４１は、Ｃｕより熱伝導率が小さいため、温度上昇は少ない。さらに、絶縁膜の熱膨張係数は、一般にＣｕより小さいため、Ｃｕ配線層１４５Ｆ及びビアプラグ１４３Ｆの体積膨張に比べ、その周囲の絶縁膜の体積膨張は小さい。したがって、Ｃｕ配線層１４５Ｆ及びビアプラグ１４３Ｆは、圧縮応力を受けることになる。この圧縮応力は、周囲を絶縁膜１４１で囲まれているビアプラグ１４３Ｆでより大きくなる。レーザー照射が終わると、ヒューズ素子１４０Ｆは冷却を始める。冷却は、周囲の絶縁膜よりＣｕ配線層１４５Ｆ及びビアプラグ１４３Ｆの方が早いため、冷却過程ではＣｕ配線層１４５Ｆ及びビアプラグ１４３Ｆは、逆に引っ張り応力を受ける。前記と同様の考え方で、引っ張り応力は、ビアプラグ１４３Ｆで大きくなり、Ｃｕ配線層１４５Ｆではこれより小さくなり、応力勾配ができる。一方、ビアプラグ１４３Ｆの側面及び下層のＣｕ配線層１３５Ｆとの接続部は、バリアメタルで覆われているため、Ｃｕは下層の配線層１３５Ｆにはマイグレートできない。その結果、上述したビアプラグ１４３ＦとＣｕ配線１４５Ｆ間の応力勾配が駆動力となって、ビアプラグ１４３Ｆ中のＣｕ原子が、上層のＣｕ配線層１４５Ｆへとストレスマイグレーション起こし、ビアプラグ１４３Ｆ中に空隙１４３Ｖが形成される。ビアプラグ１４３Ｆ中の空隙１４３Ｖは、Ｃｕとバリアメタルの界面から発生しやすいため、ビアプラグの下端から発生する場合が多い。空隙１４３Ｖのサイズは、ビアプラグ１４３Ｆの断面を完全に切断しなくともよく、ビアプラグ１４３Ｆの抵抗を１００倍程度以上に大きくできるサイズであることが好ましい。
【００３３】
ビアプラグ１４３Ｆ中のＣｕ原子のストレスマイグレーションを効率的に行うためには、図４に示したヒューズ配線層１４５Ｆの幅ｗ１とヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆの直径ｄ１との間に好ましい関係が存在する。一般に、ｗ１／ｄ１の比が大きいほどビアプラグ１４３Ｆにストレスが集中し、ストレスマイグレーションが増速される。ヒューズ素子１４０Ｆの動作試験の結果から、ｗ１／ｄ１の比は、３以上であることが好ましく、さらに好ましくは１０以上であることが明らかになった。第１の実施形態では、前述したようにヒューズ素子のビアプラグ１４３Ｆの直径ｄ１を同じ配線層内の他のビアプラグ１４３の直径より小さくして、ｗ１／ｄ１の比を大きくしている。ｗ１／ｄ１の比を大きくするために、ヒューズ配線層１４５Ｆの幅ｗ１を大きくすることもできる。また、ｗ１／ｄ１の比の上限は、ビアプラグの微細加工におけるリソグラフィ上の制限、配線幅を大きくすることに対する素子面積上の制限、及び半導体装置の信頼性等を考慮して、１００以下とすることが好ましい。
【００３４】
（第２の実施例）
図５は、本発明による第２の実施形態にしたがった半導体装置の構造の一例を示す断面図である。図では、第１の実施形態の場合と同様に、本発明に直接係わる、多層配線構造に形成したヒューズ素子に係わる部分に注目して示している。このヒューズ素子２４０Ｆの特徴は、基本的なヒューズ素子の構造は第１の実施形態と同じであるが、レーザー光ＬＢを照射するための開口部２５０Ｆを形成する場所、及びヒューズ素子内で空隙２３５Ｖが形成される場所が異なることである。
【００３５】
第２の実施形態のヒューズ素子構造は、ヒューズ素子のビアプラグ２４３Ｆと下層のヒューズ配線層２３５Ｆとの接続部において下層のヒューズ配線層２３５Ｆ内に空隙２３５Ｖを有するヒューズ素子２４０Ｖ（図５（ｂ））と空隙のないヒューズ素子２４０Ｆ（図５（ａ））との２つの異なる素子を具備することである。
【００３６】
図５（ａ）に示したヒューズ素子２４０Ｆは、例えば、４層の多層配線２００と同時に形成され、多層配線の一部と同等の構造を有するヒューズ素子である。このヒューズ素子２４０Ｆは、多層配線の最上層（第４層）に形成したヒューズ配線層２４５Ｆと、その下層（第３層）のヒューズ配線層２３５Ｆと、この両者を接続する少なくとも１のヒューズ素子のビアプラグ２４３Ｆと、ヒューズ配線層２４５Ｆの上方に堆積した絶縁膜２４８，２４９の一部にヒューズ素子のビアプラグ２４３Ｆに隣接して形成されたレーザー光ＬＢ照射用の開口部２５０Ｆとを具備する。ヒューズ素子のビアプラグ２４３Ｆは、同じ層に形成された配線層間２４５，２３５を接続する他のビアプラグ２４３と比較して小さな断面積を有することが好ましい。
【００３７】
図５（ｂ）に示した空隙を有するヒューズ素子２４０Ｖは、図５（ａ）に示したヒューズ素子２４０Ｆにおいて、前述のように、下層のヒューズ配線層２３５Ｆとビアプラグ２４３Ｆとの接続部において下層のヒューズ配線層２３５Ｆ内に空隙２３５Ｖを有することを特徴とする。この空隙２３５Ｖは、ヒューズ配線層２３５Ｆをレーザー光ＬＢで照射することによって、ヒューズ配線層２３５Ｆとヒューズ用ビアプラグ２４３Ｆの接続部に応力集中が起き、この接続部においてヒューズ配線層２３５ＦのＣｕ原子がマイグレーションする結果として発生する。
【００３８】
上記のヒューズ素子２４０Ｆの製造方法は、図２及び図３を用いて説明した第１の実施形態におけるヒューズ素子の製造方法と概ね同じである。相違点は、第２の配線層の上方に形成した絶縁膜２４８，２４９に設けたレーザー光ＬＢを照射するための開口部２５０Ｆの形成場所である。第１の実施形態では、開口部１５０Ｆをヒューズ素子としてのビアプラグ１４３Ｆに対応して、これに接続する上層のヒューズ配線層１４５Ｆの上方に形成する。これに対して、第２の実施形態では、図５に示したように、開口部２５０Ｆをヒューズ用のビアプラグ２４３Ｆに隣接する下層にヒューズ用配線層２３５Ｆの上方に形成することである。このようにして、図５（ａ）に示した、第２の実施形態による、ヒューズ用のビアプラグ２４３Ｆに隣接する下層のヒューズ配線層２３５Ｆの上方にレーザー光ＬＢ照射用の開口部２５０Ｆを備えるヒューズ素子２４０Ｆを形成することができる。ヒューズ用のビアプラグの数は、１個のヒューズ素子に対して１個であってもよく、複数個であってもよい。また、レーザー光ＬＢ照射用の開口部２５０Ｆと最近接のヒューズ用のビアプラグ２４３Ｆとの中心間距離は、１０μｍ以下が好ましく、さらに好ましくは５μｍ以下である。
【００３９】
このようにして、本発明の第２の実施形態にしたがったヒューズ素子２４０Ｆを備えた半導体装置、例えば、ＤＲＡＭ、メモリ混載ロジック装置、が完成する。
【００４０】
次に、ヒューズ素子２４０ＦのＯＮ、ＯＦＦの制御方法について説明する。上述のようにして製造した半導体装置を電気的に測定し、ＯＦＦにすべきヒューズ素子を特定する。本実施形態では、これらのヒューズ素子にレーザー光ＬＢを照射し、その抵抗を１００倍以上に増加させることにより、それらのヒューズ素子をＯＦＦにする。ＯＦＦにすべきヒューズ素子２４０Ｆにレーザー光ＬＢを照射し、ヒューズ配線２３５Ｆ内に空隙２３５Ｖを有するヒューズ素子２４０Ｖを形成する。これにより、これらのヒューズ素子２４０Ｖの抵抗は１００倍以上に増加し、これらのヒューズ素子をＯＦＦにする。本発明は、ヒューズ素子２４０Ｆを溶断しない条件でレーザー光を照射することを特徴としており、従来技術で問題になるヒューズ配線層を溶断することによって発生する不具合を回避できる。
【００４１】
ここで、第２の実施形態におけるヒューズ素子２４０Ｆでの空隙２３５Ｖの形成、すなわち、Ｃｕ原子のストレスマイグレーションについて簡単に説明する。下層のヒューズ配線層２３５Ｆをレーザー光ＬＢによって局所加熱すると、ヒューズ配線層２３５Ｆは熱膨張する。熱膨張量は、配線の長手方向に大きくなる。ところが、ヒューズ配線層２３５Ｆは、ヒューズ素子のビアプラグ２４３Ｆと接続されているため、ここで固定されている。したがって、この接続部に応力集中が生じ、レーザー光ＬＢ照射位置より遠い端の接続部においてヒューズ配線層２３５Ｆ内では、引っ張り応力を受ける。また、冷却時にはレーザー光ＬＢ照射位置に近い端の接続部で引っ張り応力を受ける。この引っ張り応力によって、ビアプラグ２４３Ｆとの接続部のＣｕ原子は、ストレスマイグレーションをしようとする。ヒューズ配線層２３５Ｆは、ビアプラグ２４３Ｆとはバリアメタルを介して接続されているため、Ｃｕ原子は、ヒューズ配線層２３５Ｆ内でマイグレーションする。したがって、ビアプラグ２４３Ｆとの接続部からマイグレーションを開始し、ヒューズ配線層２３５Ｆ内に空隙２３５Ｖを形成する。これによりヒューズ配線層２３５Ｆとビアプラグ２４３Ｆとの接続部の抵抗が１００倍以上に増加し、そのヒューズ素子を回路動作上ＯＦＦにすることができる。空隙２３５Ｖのサイズは、ヒューズ配線層２３５Ｆとビアプラグ２４３Ｆとの接続部の断面を完全に切断しなくともよく、好ましくは、ヒューズ素子２４０Ｖの抵抗を空隙のないヒューズ素子２４０Ｆの抵抗の１００倍程度以上に変化させることができるサイズである。
【００４２】
ヒューズ配線層２３５ＦのＣｕ原子のストレスマイグレーションを効率的に行うためには、図６に示したヒューズ配線層２３５Ｆの幅ｗ２とヒューズ用ビアプラグ２４３Ｆの直径ｄ１との間に好ましい関係がある。一般に、ｗ２／ｄ１の比が大きいほどヒューズ配線層２３５Ｆにストレスが集中しストレスマイグレーションは増速される。ヒューズ素子２４０Ｆの動作試験の結果から、ｗ２／ｄ１の比は、３以上であることが好ましく、さらに好ましくは１０以上であることが明らかになった。第２の実施形態では、ヒューズ素子のビアプラグ２４３Ｆの直径ｄ１を同じ配線層内の他のビアプラグ２４３の直径より小さくして、ｗ２／ｄ１の比を大きくしている。例えば、ヒューズ素子のビアプラグ２４３Ｆの直径ｄ１は、０．２５μｍであり、他の部分のビアプラグ２４３の直径は、０．６μｍである。ｗ２／ｄ１の比を大きくするために、ヒューズ配線層２３５Ｆの幅ｗ２を大きくすることもできる。また、ｗ２／ｄ１の比の上限は、ビアプラグの微細加工におけるリソグラフィ上の制限、配線幅を大きくすることに対する素子面積上の制限、及び半導体装置の信頼性等を考慮して、１００以下とすることが好ましい。
【００４３】
また、レーザー光ＬＢの照射条件は、第１の実施形態と同様に、レーザー光ＬＢを照射した部分のヒューズＣｕ配線層２３５Ｆの温度が、Ｃｕの融点（１０８３℃）を超えないこと、加熱されるヒューズＣｕ配線層２３５Ｆに接する層間絶縁膜２３１，２４１が、変質、変形しないようにすることが好ましい。
【００４４】
上述した実施形態では、Ｃｕを配線層材料として説明したが、Ｃｕ合金あるいはＡｌ等の他の金属若しくはその金属を含む合金を使用することができる。Ａｌを配線層材料として用いた場合、Ａｌは、Ｃｕと同様にマイグレーションを生じやすいため、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、第１の実施形態による半導体装置の一例を示す断面図であり、（ａ）は、空隙のないヒューズ素子の断面図、（ｂ）は、空隙を有するヒューズ素子の断面図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態による半導体装置の製造工程の一例を説明するために示す断面図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、図２（ｂ）に続くの製造工程の一例を説明するために示す断面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態による半導体装置のヒューズ配線幅とヒューズ用のビアプラグの直径の関係を説明するために示す図である。
【図５】図５は、第２の実施形態による半導体装置の一例を示す断面図であり、（ａ）は、空隙のないヒューズ素子の断面図、（ｂ）は、空隙を有するヒューズ素子の断面図である。
【図６】図６は、第２の実施形態による半導体装置のヒューズ配線幅とヒューズ用のビアプラグの直径の関係を説明するために示す図である。
【図７】図７（ａ）は、従来技術による半導体装置の一例を示す断面図であり、（ｂ）は、レーザー光照射によるヒューズ配線の溶断にともなう問題点を説明するために示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００…多層配線構造，１４０Ｆ…ヒューズ素子，１４０Ｖ…空隙を有するヒューズ素子，１１０…半導体基板，１１１，１２１，１３１，１４１…層間絶縁膜，１２３，１３３，１４３…ビアプラグ，１４３Ｆ…ヒューズ素子のビアプラグ，１４３Ｖ…空隙，１１５，１２５，１３５，１４５…Ｃｕ配線，１３５Ｆ，１４５Ｆ…ヒューズ配線，１１７，１２７，１３７，１４７…バリア絶縁膜，１４８…パッシベーションＳｉＯ２膜，１４９…パッシベーションＳｉＮ膜，１５０Ｆ…レーザー光照射用の開口部，
２００…多層配線構造，２４０Ｆ…ヒューズ素子，２４０Ｖ…空隙を有するヒューズ素子，２１０…半導体基板，２１１，２２１，２３１，２４１…層間絶縁膜，２２３，２３３，２４３…ビアプラグ，２４３Ｆ…ヒューズ素子のビアプラグ，２１５，２２５，２３５，２４５…Ｃｕ配線，２３５Ｆ，２４５Ｆ…ヒューズ配線，２３５Ｖ…空隙，２１７，２２７，２３７，２４７…バリア絶縁膜，２４８…パッシベーションＳｉＯ２膜，２４９…パッシベーションＳｉＮ膜，２５０Ｆ…レーザー光照射用の開口部，
３１０…半導体基板，３４０Ｆ…ヒューズ素子，３１１，３２１，３３１，３４１…層間絶縁膜，３２３，３３３，３４３…ビアプラグ，３１５，３３５，３３５，３４５…Ｃｕ配線，３４５Ｆ…ヒューズ配線，３３７，３３７，３３７，３４７…バリア絶縁膜，３４８…パッシベーションＳｉＯ３膜，３４９…パッシベーションＳｉＮ膜，３５０Ｆ…レーザー光照射用の開口部，
ＬＢ…レーザー光，ｗ１，ｗ２…ヒューズ配線の幅，ｄ２…ヒューズ素子のビアプラグの直径。
【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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