(57)【要約】【課題】レーザー照射によるヒューズの切断の確実性を向上させる。【解決手段】ヒューズは、レーザー照射されて溶断される溶断用メタル５−３と、溶断用メタル５−３の両端の下面にそれぞれ接続されたメタルビア７−２と、メタルビアメタルビア７−２に接続された下層側配線５−２を備えている。メタルビア７−２，７−２は、照射されるレーザーのスポット径の内側に配置されている。メタルビア７−２は溶断用メタル５−３の側面とは間隔をもって配置されている。溶断用メタル５−３の平面サイズは照射されるレーザーのスポット径１１よりも小さい。溶断用メタル５−３はメタルビア７−２の材料よりも融点及び沸点が低い材料によって形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタル配線層からなりレーザー照射によって溶断可能なヒューズを備えた半導体装置において、
前記ヒューズは、レーザー照射されて溶断される溶断用メタルと、前記溶断用メタルの両端の下面にそれぞれ接続されたメタルビアと、前記メタルビアに接続された下層側配線を備え、
前記メタルビアは、照射されるレーザーのスポット径の内側に配置され、かつ前記溶断用メタルの側面とは間隔をもって配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記溶断用メタルの平面サイズは照射されるレーザーのスポット径よりも小さい請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記溶断用メタルは前記メタルビアの材料よりも融点及び沸点が低い材料からなる請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記溶断用メタルはアルミニウムによって形成され、前記メタルビアはタングステンによって形成されている請求項３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタル配線層からなりレーザー照射によって溶断可能なヒューズを備えた半導体装置に関するものである。ヒューズは冗長（リダンダンシィ）や特性調整（トリミング）などに用いられる。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置は、微細化による演算速度向上とは別に、センサ回路などに代表されるようにアナログ的な使われ方も多くなっている。特に、抵抗素子など絶対精度が必要となるアナログ特性では、ポリシリコンやメタル配線を用いたヒューズを溶断して所望の抵抗値を得るトリミングといわれる処理が行なわれる場合がある。また、トリミング処理は、ＤＲＡＭなどの不良部分を冗長（リダンダンシー）するためにも使われている。
【０００３】
ポリシリコンヒューズでは、切断メカニズムとして、レーザー照射によってポリシリコンの液化及び気化が一気に進むが、例えばアルミニウムからなるメタルヒューズでは、液化した後に気化が起こり、液体状態での時間がポリシリコンヒューズに比較して長い。そのため、液化時に飛び散りが発生し、これがレーザー照射によって形成された開口の側壁などに付着し、完全には切断されない不具合が起こっていた。その一例を図４に示す。
【０００４】
図４は、レーザー照射後の従来のメタルヒューズを上方から走査電子顕微鏡により撮影した写真である。
メタルヒューズ１０１へのレーザー照射によってメタルヒューズ１０１上の絶縁膜に開口１０３が形成されている。開口１０３の右側側面にメタルヒューズ１０１の切り残し部分１０５が見られる。また、開口１０３の両側壁に液化したメタルが飛びついた跡が見られる。
【０００５】
また、メタルヒューズを構成するメタル配線層として、例えば下層側から順にＴｉ／ＴｉＮが積層されてなるバリアメタル上に、ＡｌＣｕからなる金属層が積層され、さらにその上に下層側から順にＴｉ／ＴｉＮが積層されてなるキャップメタルが形成されたものがある。メタルヒューズがバリアメタルを備えている場合、レーザー照射によってメタルヒューズを溶断する際、バリアメタルのエッジ部分（側面部分）に切り残しが発生し、メタルヒューズが完全には切断されないという不具合もあった。
【０００６】
従来のヒューズ構造として、特許文献１に、第１メタル配線層とその上層に配置された第２メタル配線層がビアを介して接続されてなるヒューズ構造が開示されている。特許文献１では、複数のヒューズを配置する際、上記ビアを千鳥状に配置することにより、ヒューズピッチを短くできるとしている。
【０００７】
また、他のヒューズ構造として、特許文献２に、半導体基板に形成された導電性領域と、導電性領域上に高誘電体層を介して形成されたビアを備えた、アンチ・ヒューズと呼ばれるものが開示されている。アンチ・ヒューズは、通常の溶断ヒューズとは逆に、初期状態は非導通であり、高誘電体層にパルス電圧を印加して高誘電体層の状態を変化させて抵抗値を低下させることによって導通状態にされる。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２８６３４１号公報
【特許文献２】特開平５−７４９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、メタル配線層からなりレーザー照射によって溶断可能なヒューズを備えた半導体装置において、レーザー照射によるヒューズの切断の確実性を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明にかかる半導体装置は、メタル配線層からなりレーザー照射によって溶断可能なヒューズを備えた半導体装置であって、上記ヒューズは、レーザー照射されて溶断される溶断用メタルと、上記溶断用メタルの両端の下面にそれぞれ接続されたメタルビアと、上記メタルビアに接続された下層側配線を備え、上記メタルビアは、照射されるレーザーのスポット径の内側に配置され、かつ上記溶断用メタルの側面とは間隔をもって配置されているものである。
【００１１】
ここで、上方から見たメタルビアと溶断用メタル側面の間隔は、メタルヒューズへのレーザー照射後に溶断用メタルの側面部分の切り残しが発生した場合であってもその切り残し部分とメタルビアが絶縁される程度の間隔よりも大きい、例えば０.０５μｍ以上、好ましくは０.２μｍ以上であることが好ましい。
【００１２】
本発明の半導体装置において、上記溶断用メタルの平面サイズは照射されるレーザーのスポット径よりも小さい例を挙げることができる。ただし、溶断用メタルの平面サイズは照射されるレーザーのスポット径よりも大きくてもよい。
【００１３】
また、上記溶断用メタルは上記メタルビアの材料よりも融点及び沸点が低い材料によって形成されているようにしてもよい。その一例として、上記溶断用メタルはアルミニウムによって形成され、上記メタルビアはタングステンによって形成されている例を挙げることができる。ただし、溶断用メタルは、メタルビアと同じ材料で形成されていてもよいし、メタルビアの材料よりも融点及び沸点が高い材料によって形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体装置では、ヒューズは、レーザー照射されて溶断される溶断用メタルと、溶断用メタルの両端の下面にそれぞれ接続されたメタルビアと、メタルビアに接続された下層側配線を備え、メタルビアは、照射されるレーザーのスポット径の内側に配置され、かつ溶断用メタルの側面とは間隔をもって配置されているようにしたので、ヒューズへのレーザー照射後に溶断用メタルの側面に切り残しが生じたり、レーザー照射によって形成された開口の側壁に飛び散ったメタルが付着したりしても、その切り残し部分及び飛び散ったメタルとメタルビアを電気的に絶縁された状態にすることができ、ヒューズの切断の確実性を向上させることができる。
本発明の半導体装置のヒューズ構造は、溶断用メタルがバリアメタル上に金属層が積層されたものである場合に特に有効である。
【００１５】
本発明の半導体装置において、溶断用メタルの平面サイズは照射されるレーザーのスポット径よりも小さいようにすれば、ヒューズへのレーザー照射時に、レーザー照射された領域と同等範囲のメタルが飛び散る従来技術に比べて、飛び散るメタルの量を減らすことができる。これにより、飛び散ったメタルがレーザー照射によって形成された開口の側壁などに付着してヒューズが完全には切断されないという不具合を防止することができ、ヒューズの切断の確実性をさらに向上させることができる。
【００１６】
また、溶断用メタルはメタルビアの材料よりも融点及び沸点が低い材料によって形成されている、一例として溶断用メタルはアルミニウムによって形成され、メタルビアはタングステンからなっているようにすれば、メタルビアを液化も気化もさせずに溶断用メタルのみを飛び散らせて切断することができ、飛び散るメタルの量をさらに減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、一実施例のヒューズ近傍部分を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’位置での断面図である。（Ａ）では絶縁膜の図示は省略し、（Ｂ）では層間絶縁膜及び最終保護膜を一体的に図示している。
【００１８】
半導体基板１に、素子分離用のＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）３が形成されている。ＳＴＩ３上に層間絶縁膜（図示は省略）を介して１層目メタル配線層５−１が形成されている。
【００１９】
１層目メタル配線層５−１の上層側に層間絶縁膜を介して２層目メタル配線層５−２が形成されている。２層目メタル配線層５−２はヒューズの下層側配線を構成するものであり、ヒューズごとに２本ずつ設けられている。２層目メタル配線層５−２は１層目メタル配線層５−１上に設けられたメタルビア７−１を介して１層目メタル配線層５−１と接続されている。
【００２０】
２層目メタル配線層５−２の配置領域を取り囲んで環状の２層目メタル配線層５−２ａ（図１（Ａ）での図示は省略）が形成されている。２層目メタル配線層５−２ａは１層目メタル配線層５−１及び２層目メタル配線層５−２とは絶縁されている。
【００２１】
２層目メタル配線層５−２の上層側に間絶縁膜を介して３層目メタル配線層５−３が形成されている。図１（Ａ）では３層目メタル配線層５−３をシボで示した。３層目メタル配線層５−３はヒューズの溶断用メタルを構成するものであり、ヒューズごとに１本ずつ設けられている。３層目メタル配線層５−３は上方から見て２層目メタル配線層５−２ａの内側に配置されている。３層目メタル配線層５−３の両端の下面にそれぞれメタルビア７−２が配置されており、３層目メタル配線層５−３はメタルビア７−２を介して２層目メタル配線層５−２に接続されている。
【００２２】
２層目メタル配線層５−２ａの真上に層間絶縁膜を介して環状の３層目メタル配線層５−３ａが形成されている。３層目メタル配線層５−３ａは２層目メタル配線層５−２ａ上に設けられた環状のメタルビア７−２ａを介して２層目メタル配線層５−２ａと接続されている。
【００２３】
３層目メタル配線層５−３，５−３ａの上層側に最終保護膜が形成されている。層間絶縁膜及び最終保護膜を図１（Ｂ）では一体的に図示し、符号９で示す。また図１（Ａ）において一点鎖線円は照射されるレーザーのスポット径１１を示す。
【００２４】
この実施例において、ヒューズは３層目メタル配線層５−３、２個のメタルビア７−２及び２本の２層目メタル配線層５−２によって形成されている。
また、ヒューズの周囲に形成された環状の２層目メタル配線層５−２ａ、メタルビア７−２ａ及び３層目メタル配線層５−３ａはガードリングとして機能する。
【００２５】
例えば、メタル配線層５−１，５−２，５−２ａ，５−３，５−３ａはアルミニウムによって形成され、メタルビア７−１，７−２，７−２ａはタングステンによって形成されている。アルミニウムは融点が６６０℃、沸点が２４８６℃であり、
タングステンは融点が３３８２℃、沸点が５９２７℃であるので、ヒューズにおいて３層目メタル配線層５−３はメタルビア７−２よりも融点及び沸点が低い。
【００２６】
ヒューズの切断時にレーザー照射される３層目メタル配線層５−３は、その平面サイズが照射されるレーザーのスポット径１１よりも小さい。例えば、レーザーのスポット径１１が３.７μｍ（マイクロメートル）の場合、３層目メタル配線層５−３の長さは３.５μｍ、幅は０.９μｍである。
【００２７】
また、メタルビア７−２は、その平面サイズが３層目メタル配線層５−３の幅よりも小さく、３層目メタル配線層５−３の側面とは間隔をもって配置されている。例えば、メタルビア７−２は、その平面形状が直径０.３μｍの円形であり、上方から見て３層目メタル配線層５−３の側面とは０.３μｍの間隔をもって配置されている。また、メタルビア７−２，７−２は照射されるレーザーのスポット径の内側に配置されている。メタルビア７−２，７−２間の間隔（互いに対向するメタルビア側面の間隔）は２.３μｍである。
【００２８】
図２は、レーザー照射による切断後の図１のヒューズを示す走査電子顕微鏡による写真である。
レーザー照射によって３層目メタル配線層５−３及びその上層の最終保護膜が吹き飛び、開口１３が形成されている。開口１３内に２個のメタルビア７−２の上面が露出している。これは、メタルビア７−２の材料であるタングステンは３層目メタル配線層５−３の材料であるアルミニウムよりも融点及び沸点が高いので、メタルビア７−２はレーザー照射時に液化及び蒸発しなかったからである。３層目メタル配線層５−３は吹き飛び、２個のメタルビア７−２間は完全に絶縁されているのがわかる。
【００２９】
図１に示した実施例では、３層目メタル配線層５−３の平面サイズは照射されるレーザーのスポット径よりも小さいので、ヒューズへのレーザー照射時に飛び散るメタルの量を従来技術に比べて減らすことができ、飛び散ったメタルがレーザー照射によって形成された開口１３（図２参照）の側壁などに付着してヒューズが完全には切断されないという不具合を防止することができ、ヒューズの切断の確実性を向上させることができる。
【００３０】
さらに、メタルビア７−２は、上方から見て３層目メタル配線層５−３の側面とは間隔をもって配置されているので、レーザー照射によって形成された開口の側壁に飛び散ったメタルが付着した場合や３層目メタル配線層５−３の側面に切り残し部分が形成された場合であっても、図２に示したように２個のメタルビア７−２間は絶縁されるので、ヒューズの切断の確実性を向上させることができる。
【００３１】
さらに、３層目メタル配線層５−３はアルミニウムによって形成され、メタルビア７−２はアルミニウムよりも融点及び沸点が高いタングステンによって形成されているので、レーザー照射時にメタルビア７−２が液化して飛び散るのを防止することができ、飛び散るメタルの量をさらに減らすことができる。
【００３２】
図３は、タングステン層の上に形成したアルミニウム層にレーザー照射した後の状態を走査電子顕微鏡により撮影した写真であり、（Ａ）は真上からの写真、（Ｂ）は斜め上からの写真である。レーザーの条件は、スポット径が直径５μｍ、パワーが１５μＪ（マイクロジュール）である。
【００３３】
図３を見ても分かるように、レーザーの光エネルギーを受け、アルミニウムが液化し、気化したのが分かる。また、その急激な熱エネルギー変化によって液化から気化せずに固化が一気に進んだため、周辺部が少し盛り上がったような形状をしている。しかし、その下に位置するタングステンは、その表面をむき出しにしたまま留まっていることが分かる。
図１に示した実施例は、この特徴をヒューズに適用し、メタルビアを溶断用メタルの材料であるアルミニウムよりも融点及び沸点の高いタングステンで形成してレーザー照射時のメタルビアの飛び散りを防止したものである。
【００３４】
本発明を構成するヒューズと従来の直線パターンからなるメタルヒューズについて、レーザー照射によるヒューズの切れ具合を評価した結果を表１に示す。本発明を構成するヒューズ（表１においてビアパターンと称す）の溶断用メタルとして、５層目メタル配線層からなる長さ３.５μｍ、幅０.９μｍのアルミニウムを用い、メタルビアとして平面形状が円形（直径０.３μｍ）のタングステンを用いた。また、従来のメタルヒューズ（表１において直線パターンと称す）として、５層目メタル配線層からなる線幅が０.８μｍのアルミニウムを用いた。ヒューズを２個の電極間に並列に２０本接続し、その２個の電極間に流れる電流値を測定した。レーザー照射はスポット径が直径３.７μｍ、直径５.０μｍの２種類で行なった。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１から、本発明を構成するヒューズの方が従来技術のメタルヒューズよりも切断状態がよいのがわかる。
このように、本発明によれば、レーザー照射によるヒューズの切断の確実性を向上させることができる。
【００３７】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、上記実施例における寸法、材料、配置等は一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【００３８】
例えば、溶断用メタルを構成する３層目メタル配線層５−３の平面形状は矩形であるが、溶断用メタルの平面形状は矩形に限定されず、他の形状、例えば円形や楕円形であってもよい。
また、溶断用メタルを構成する３層目メタル配線層５−３の材料はアルミニウムであるが、溶断用メタルの材料は他の材料、例えば銅（融点１０８３℃、沸点２５６７℃）や、アルミニウム系合金などであってもよい。
【００３９】
また、溶断用メタルは、バリアメタルと金属層の積層構造によって形成されていてもよいし、バリアメタルと金属層とキャップメタルの積層構造によって形成されていてもよい。例えば、バリアメタルとしては、下層側から順にＴｉ／ＴｉＮが積層されてなるものや、Ｔｉのみからなるものや、ＴｉＮのみからなるものを挙げることができる。また、金属層としては、Ａｌ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉＣｕなどを挙げることができる。また、キャップメタルとしては、下層側から順にＴｉ／ＴｉＮが積層されてなるものや、ＴｉＮのみからなるものを挙げることができる。ただし、バリアメタル、金属層、キャップメタルの材料はこれらに限定されるものではない。
【００４０】
また、ヒューズのメタルビアを構成するメタルビア７−２の平面形状は円形であるが、メタルビアの平面形状は円形に限定されず、他の形状、例えば矩形や楕円形であってもよい。
また、ヒューズのメタルビアを構成するメタルビア７−２の材料はタングステンであるが、メタルビアの材料は他の材料であってもよい。
【００４１】
また、溶断用メタルとメタルビアは同じ材料によって形成されていてもよい。例えば、溶断用メタル及びメタルビアの両方がバリアメタルと金属膜の積層構造によって形成されていてもよい。
【００４２】
また、上記実施例では、ヒューズにおいて、溶断用メタルを３層目メタル配線層５−３で形成し、下層側配線を２層目メタル配線層５−２で形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、溶断用メタルを１層目メタル配線層により形成してもよい。この場合、下層側配線はポリシリコンパターンや、半導体基板に形成した不純物拡散層により形成すればよい。また、溶断用メタルは２層目メタル配線層や、４層目以上のメタル配線層により形成してもよい。
また、ガードリングは必ずしも必要ではない。
また、ヒューズの配置位置は必ずしも素子分離用絶縁膜上に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】一実施例のヒューズ近傍部分を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’位置での断面図である。
【図２】レーザー照射による切断後の図１のヒューズを示す走査電子顕微鏡による写真である。
【図３】タングステン層の上に形成したアルミニウム層にレーザー照射した後の状態を走査電子顕微鏡により撮影した写真であり、（Ａ）は真上からの写真、（Ｂ）は斜め上からの写真である。
【図４】レーザー照射後の従来のメタルヒューズを上方から走査電子顕微鏡により撮影した写真である。
【符号の説明】
【００４４】
５−２  ２層目メタル配線層（下層側配線）
５−３  ３層目メタル配線層（溶断用メタル）
７−２  メタルビア
１１  レーザーのスポット径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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