JP4480649B2

JP4480649B2 - ヒューズ素子及びその切断方法

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Publication number: JP4480649B2
Application number: JP2005255977A
Authority: JP
Inventors: 敏志大塚; 豊治澤田; 真人須賀; 準長山; 元伸佐藤; 貴志鈴木
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2025-09-05
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Description

本発明は、ヒューズ素子及びその切断方法に係り、特に、電気的に切断して回路を再構成しうるヒューズ素子及びその切断方法に関する。

ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどのメモリデバイスやロジックデバイスなどの半導体装置は極めて多数の素子によって構成されるが、製造工程上の様々な要因によって一部の回路やメモリセルが正常動作しないことがある。この場合、一部の回路やメモリセルの不良により装置全体を不良として扱うとすれば製造歩留りを低下させ、ひいては製造コストの増加にも繋がる。このため、近年の半導体装置においては、不良回路や不良メモリセルを、予め準備しておいた冗長回路や冗長メモリセルに切り換えて良品とすることにより不良品を救済することが行われている。

また、異なる機能を有する複数の回路を一体として構成した後に装置機能を切り換える半導体装置や、所定の回路を構成した後に装置特性を調整する半導体装置も存在する。

従来、このような半導体装置の再構築は、半導体装置に予め複数のヒューズ素子を備えたヒューズ回路を実装しておき、動作試験等の後、当該ヒューズを切断することにより行われている。

ヒューズを切断する方法としては、ヒューズを構成するポリシリコン層に高電流を流して自己発熱させてヒューズを溶断する方法や、ポリシリコン層とシリサイド層との積層膜よりなるヒューズに電流を流すことでシリサイドを凝集させてヒューズの抵抗を増大させる方法（例えば、特許文献１を参照）等が知られている。
特表平１１−５１２８７９号公報

しかしながら、ヒューズに電流を流して溶断する方法は、ポリシリコンを溶断するために大電流が必要であり、これを制御するトランジスタや電流を供給する配線などが大きくなってしまい、ヒューズ回路の縮小化が困難であった。また、溶断の際にポリシリコン層の爆発が起こり、ヒューズ上の層間絶縁膜にクラックが入ることがある。クラックが成長すると、最悪の場合、ヒューズ近傍にある配線層までクラックが伸び、配線層を断線させる等の問題を引き起こす。層間絶縁膜のクラックを防止するためにはガードリングを設けることが有効であるが、ヒューズ回路の面積が大きくなってしまう。

また、シリサイドを凝集させる方法では、シリサイド層を用いてヒューズを構成ことが不可欠である。また、凝集するのはシリサイド層だけであり、下層にはポリシリコン層がそのまま残存する。このため、ヒューズ部分の抵抗上昇は１０倍程度に留まり、ヒューズの切断判定が困難であった。

本発明の目的は、ヒューズ回路を大きくすることなく層間絶縁膜のクラックを防止できるとともに、ヒューズ切断前後において大きな抵抗変化を得ることができるヒューズ素子及びその切断方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、シリコン層を含む配線部と、前記配線部の一端側に接続され、金属材料を含む第１のコンタクト部と、前記配線部の他端側に接続され、金属材料を含む第２のコンタクト部とを有するヒューズ素子であって、切断後には、前記第２のコンタクト部を構成する前記金属材料の少なくとも一部が前記配線層内に移動しており、前記配線部と前記第２のコンタクト部とが電気的に分離されていることを特徴とするヒューズ素子が提供される。

また、本発明の更に他の観点によれば、シリコン層を含む配線部と、前記配線部の一端側に接続された第１のコンタクト部と、前記配線部の他端側に接続され、金属材料を含む第２のコンタクト部とを有するヒューズ素子の切断方法であって、前記第１のコンタクト部から前記第２のコンタクト部へ前記配線部を介して電流を流し、前記第２のコンタクト部の前記金属材料を前記シリコン層中にマイグレーションさせることにより、前記配線部と前記第２のコンタク部との間の接続抵抗を変化させることを特徴とするヒューズ素子の切断方法が提供される。

本発明によれば、シリコン層を含む配線部と、配線部の一端側に接続された第１のコンタクト部と、配線部の他端側に接続され金属材料を含む第２のコンタクト部とからなるヒューズ素子を構成し、第１のコンタクト部側から第２のコンタクト部側へ電流を流して第２のコンタクト部の金属材料をシリコン層中にマイグレーションさせることによりヒューズ素子を切断するので、ヒューズ切断の際に周辺素子に与えるダメージを大幅に抑制することができる。これにより、ヒューズ回路を大きくすることなく層間絶縁膜のクラックを防止できる。また、コンタクト部の金属材料をマイグレーションさせることにより、第１の配線と第２の配線との接続を完全に分離できるので、ヒューズ切断前後において大きな抵抗変化を得ることができる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法について図１乃至図６を用いて説明する。

図１は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す平面図、図２は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図、図３はヒューズ回路の一例を示す回路図、図４は本実施形態によるヒューズ切断方法を示す概略断面図、図５及び図６は本実施形態によるヒューズ素子の製造方法を示す工程断面図である。

はじめに、本実施形態によるヒューズ素子の構造について図１及び図２を用いて説明する。

シリコン基板１０の主表面には、活性領域を画定する素子分離膜１２が形成されている。素子分離膜１２上には、ポリシリコンよりなる配線部１４が形成されている。配線部１４が形成されたシリコン基板１０上には、層間絶縁膜１６が形成されている。層間絶縁膜１６には、配線部１４の両端部に接続されたコンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれている。こうして、コンタクトプラグ２０ｂ（第１のコンタクト部）、配線部１４及びコンタクトプラグ２０ａ（第２のコンタクト部）が直列接続されてなるヒューズ素子が構成されている。

コンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれた層間絶縁膜１６上には、コンタクトプラグ２０ａを介して配線部１４の一端に接続されたメタル配線２２ａと、コンタクトプラグ２０ｂを介して配線部１４の他端に接続されたメタル配線２２ｂとが形成されている。なお、メタル配線２２ａは陰極側の配線であり、メタル配線２２ｂは陽極側の配線であるものとする。

このように、本実施形態によるヒューズ素子は、配線部１４と、配線部１４の一端側に接続されたコンタクトプラグ２０ｂ（第１のコンタクト部）と、配線部１４の他端側に接続されたコンタクトプラグ２０ａ（第２のコンタクト部）とを有することに主たる特徴がある。本実施形態によるヒューズ素子は、配線部とコンタクト部との間の接続抵抗を変化するものであり、配線部とコンタクト部とを有することによりヒューズとして機能する。この点、ポリシリコン配線やポリサイド配線自体の抵抗値を変化する従来のヒューズ素子とは異なっている。

図１及び図２に示すヒューズ素子は、例えば図３に示すようなヒューズ書き込み用回路に組み込まれ、必要に応じてプログラミングされる。図３に示すように、ヒューズ素子３０の両端には、センス用トランジスタ３２，３４がそれぞれ接続されている。ヒューズ素子３０とセンス用トランジスタ３２との接続端子は、ヒューズ切断用トランジスタ３６を介して接地されている。ヒューズ素子３０とセンス用トランジスタ３２との接続端子は、ヒューズを切断する際に所定の電圧を印加するヒューズ切断用制御回路が接続されている。

次に、本実施形態によるヒューズ切断方法について図３及び図４を用いて説明する。なお、本願明細書においてヒューズを「切断」するとは、ヒューズをプログラミングすることを意味するものであり、電気的に完全に分離することほか、接続抵抗を高くすることをも含む。

ヒューズ切断の際には、ヒューズ素子３０の両端に接続されたセンス用トランジスタ３２，３４をオフ状態にする。この状態で、例えば５００μｓｅｃ程度の間、ヒューズ切断用トランジスタ３６のゲート端子に制御電圧を印加し、ヒューズ切断用トランジスタ３６をオン状態にする。

このとき、ヒューズ切断用制御回路から所定の電圧を出力することにより、ヒューズ切断用制御回路からヒューズ素子３０及びヒューズ切断用トランジスタ３６を介して接地電位に向かう電流経路が形成され、ヒューズ素子３０に電流が流れる。

ヒューズ素子へメタル配線２２ｂからメタル配線２２ａへ向かう電流を流すことにより、断面積の狭いコンタクトプラグ２０ａと配線部１４とのコンタクト部では抵抗加熱によって温度が上昇する。本願発明者らがシミュレーションを行った結果では、０．１μｍ径のコンタクト部に電流値を４ｍＡの電流を流した場合、コンタクト部の温度は瞬間的に１０００℃程度になっているものと推察された。

このような高温状態になると、陰極側のコンタクトプラグ２０ａを構成するタングステン（Ｗ）のエレクトロマイグレーションが生じ、配線部１４内に移動する（図４参照）。本願発明者等が断面ＴＥＭ観察及びＥＤＸ分析を行ったところ、５００μｓｅｃの駆動によって陰極側のコンタクトプラグ２０ａ中のタングステンが総て配線部１４中へ移動することが判明した。

このようなタングステンのマイグレーションにより、陰極側のコンタクトプラグ２０ａと配線部１４とは断線状態となり、メタル配線２２ａとメタル配線２２ｂとの間の電気的接続は切断される。これにより、ヒューズ素子の切断が完了する。本願発明者等がヒューズ切断前後における抵抗値の変化を測定したところ、ヒューズ切断後の抵抗値は約６桁程度上昇していた。

ヒューズ切断用制御回路から出力する電圧は、コンタクトプラグ２０ａと配線部１４との間のコンタクト部を流れる電流の電流密度が５×１０^６Ａ・ｃｍ^−２以上、５×１０^８Ａ・ｃｍ^−２以下になるように、ヒューズ切断用トランジスタ３６のサイズ、配線部１４の長さ、コンタクト面積等に応じて、適宜設定する。電流密度を５×１０^６Ａ・ｃｍ^−２以上にするのは、それ以下の電流密度ではコンタクトプラグのメタル材料を十分にマイグレーションできないからであり、電流密度を５×１０^８Ａ・ｃｍ^−２以下にするのは、それ以上の電流密度では配線部１４が溶断されてしまい層間絶縁膜１６等にクラックが入る等の不具合が生じる虞があるからである。

また、ヒューズ切断の際には、５秒以下のパルス電流を用いることが望ましい。５秒を超えるパルス電流を用いると、ヒューズ領域を超えて周辺素子の温度が上昇し、特性変動を生じる虞があるからである。

配線部１４の構成材料は、ポリシリコンのほか、アモルファスシリコンやシリコンゲルマニウム等であってもよい。

以上の手順によるヒューズ素子の切断は、５００μｓｅｃ程度という極めて短時間で完了するため、温度上昇は配線部１４の局所領域だけに抑えることができる。これにより、周辺素子への影響を防止することができる。また、従来法のような溶融爆発ではなくマイグレーションを利用しているため、層間絶縁膜１６にクラックが発生することはない。したがって、ガードリング等のクラック止めを設ける必要はなく、ヒューズ素子のサイズを縮小することができる。また、クラックによるヒューズ素子近傍の配線切断等の危険もなく、ヒューズ素子の信頼性を向上することができる。また、ポリシリコンよりなる配線部１４とコンタクトプラグ２０のみによってヒューズ素子を構成するため、余分な工程を追加することなくヒューズ素子を実現することができ、製造コストを低減することができる。

次に、本実施形態によるヒューズ素子の製造方法について図５及び図６を用いて説明する。

まず、シリコン基板１０上に、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法により、活性領域を確定する素子分離膜１２を形成する（図５（ａ））。

次いで、全面に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚１５０ｎｍのポリシリコン膜を堆積する。なお、ポリシリコン膜の代わりにアモルファスシリコンを堆積してもよい。

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりポリシリコン膜をパターニングし、素子分離膜１２上にポリシリコン膜よりなる配線部１４を形成する（図５（ｂ））。ヒューズのサイズは、例えば幅を０．２０μｍ、長さを０．６０μｍとする。

なお、本実施形態によるヒューズ素子において配線部１４を素子分離膜１２上に配置しているのは、ヒューズ切断時の熱効率を向上するためである。すなわち、配線部１４を素子分離膜１２上に形成することで、配線部１４に電流を流すことにより発生した熱が基板を伝わって逃げることを抑制できるため、配線部１４の温度が上がりやすくなり、ヒューズを容易に切断することができる。

次いで、配線部１４が形成されたシリコン基板１０上に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚７００ｎｍのシリコン酸化膜を堆積する。この後、ＣＭＰ法により平坦化を行い、シリコン基板上で３００ｎｍの膜厚となるようにする。これにより、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜１６を形成する。

なお、配線部１４上に形成される層間絶縁膜１６は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ等の比較的強度のある絶縁膜により構成することが望ましい。層間絶縁膜１６を強度の低い低誘電率膜や多孔質膜により構成した場合、本実施形態によるヒューズの切断方法を適用した場合であっても、ヒューズの切断時にクラックなどのダメージが入り配線を切断する等の不良を引き起こす虞があるからである。

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜１６に、配線部１４の両端部に達するコンタクトホール１８ａ，１８ｂを形成する（図５（ｃ））。コンタクトホール１８ａ，１８ｂの径は、例えば０．１μｍとする。

次いで、全面に、例えばスパッタ法又はＣＶＤ法により、例えば膜厚５ｎｍのＴｉ膜と例えば膜厚１０ｎｍのＴｉＮ膜とを堆積し、Ｔｉ膜及びＴｉＮ膜よりなる密着層を形成する。

次いで、密着層上に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚３００ｎｍのタングステン膜を堆積する。

次いで、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により、層間絶縁膜１６の表面が露出するまでタングステン膜及び密着層を研磨し、コンタクトホール１８ａに埋め込まれ密着層及びタングステン膜よりなるコンタクトプラグ２０ａと、コンタクトホール１８ｂに埋め込まれ密着層及びタングステン膜よりなるコンタクトプラグ２０ｂとを形成する（図６（ａ））。

次いで、コンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれた層間絶縁膜１６上に、通常の配線層の製造プロセスにより、コンタクトプラグ２０ａを介して配線部１４の一端に接続されたメタル配線２２ａと、コンタクトプラグ２０ｂを介して配線部１４の他端に接続されたメタル配線２２ｂとを形成する（図６（ｂ））。

メタル配線２２ａ，２２ｂは、導電膜を堆積してパターニングすることにより形成された例えばアルミニウム等よりなる配線であってもよいし、いわゆるダマシン法により形成された例えば銅等よりなる配線であってもよい。ダマシン法を用いる場合、コンタクトプラグ２０とメタル配線２２とを一体形成するようにしてもよい。この場合、配線層の構成材料である銅等がマイグレーションにより移動し、これによってヒューズを切断することができる。

この後、必要に応じて、メタル配線２２ａ，２２ｂに接続される上層の配線層等を形成し、ヒューズ素子を完成する。

このように、本実施形態によれば、ポリシリコン膜よりなる配線部と、配線部の一端側に接続された第１のコンタクト部（コンタクトプラグ２０ｂ）と、配線部の他端側に接続され金属材料を含む第２のコンタクト部（コンタクトプラグ２０ａ）とからなるヒューズ素子を構成し、第１のコンタクト部側から第２のコンタクト部側へ電流を流して第２のコンタクト部の金属材料をポリシリコン中にマイグレーションさせることによりヒューズ素子を切断するので、ヒューズ切断の際に周辺素子に与えるダメージを大幅に抑制することができる。これにより、ヒューズ回路を大きくすることなく層間絶縁膜のクラックを防止できる。また、コンタクト部の金属材料をマイグレーションさせることにより、第１の配線と第２の配線との接続を完全に分離できるので、ヒューズ切断前後において大きな抵抗変化を得ることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法について図７及び図８を用いて説明する。なお、図１乃至図６に示す第１実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図７は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図、図８は本実施形態による他のヒューズ切断方法を示す概略断面図である。

はじめに、本実施形態によるヒューズ素子の構造について図７を用いて説明する。

シリコン基板１０の主表面には、活性領域を画定する素子分離膜１２が形成されている。素子分離膜１２上には、ポリシリコン膜２４と金属シリサイド膜２６とが積層されてなるポリサイド構造の配線部１４が形成されている。配線部１４が形成されたシリコン基板１０上には、層間絶縁膜１６が形成されている。層間絶縁膜１６には、配線部１４の両端部に接続されたコンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれている。こうして、コンタクトプラグ２０ｂ、配線部１４及びコンタクトプラグ２０ａが直列接続されてなるヒューズ素子が構成されている。

コンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれた層間絶縁膜１６上には、コンタクトプラグ２０ａを介して配線部１４の一端に接続されたメタル配線２２ａと、コンタクトプラグ２０ｂを介して配線部１４の他端に接続されたメタル配線２２ｂとが形成されている。

このように、本実施形態によるヒューズ素子は、配線部１４がポリシリコン膜２４と金属シリサイド膜２６との積層膜よりなるポリサイド構造を有している点を除き、第１実施形態によるヒューズ素子と同様である。第１実施形態によるヒューズ切断方法は、本実施形態のヒューズ素子のようにポリサイド構造を有する配線部１４の場合にも適用することができる。

ロジック半導体装置等の高速動作が重要視されるデバイスでは、ゲート抵抗を下げるためにポリサイド構造のゲート電極を用いることがある。通常、ヒューズ素子の配線部１４はゲート電極と同時に形成するため、配線部１４をゲート電極と同じポリサイド構造により構成できれば、ロジック半導体装置の製造工程を複雑にすることなくヒューズ素子を形成することができる。したがって、ポリサイド構造の配線部１４を切断可能な本発明のヒューズの切断方法は、極めて有効である。

ポリサイド構造の配線部１４の場合、ポリシリコン膜２４上に金属シリサイド膜２６が形成されていても、コンタクトプラグ２０ａ中のタングステンがエレクトロマイグレーションによりポリシリコン膜２４中へ移動する際の妨げとはならない。また、金属シリサイド膜２６を構成する金属元素（例えばコバルトシリサイドの場合、コバルト）もまた、マイグレーションにより陽極側へ移動する。したがって、ポリサイド構造の配線部１４の場合にも、コンタクトプラグ２０ａと配線部１４との間の接続を容易に切断することができ、ヒューズ切断前後における抵抗変動を大きくすることができる。

配線部１４を構成するポリシリコン膜２４へは、不純物を添加しないことが望ましい。こうすることで、ヒューズ切断後の抵抗値をより大きくすることができ、回路マージンを広げることができる。

なお、ポリサイド構造の配線部１４を用いる場合、ヒューズ切断用トランジスタ３６のサイズ、配線部１４の長さ、コンタクト面積等を適宜設定することにより、金属シリサイド膜２６を構成する金属材料（例えばコバルトシリサイドの場合、コバルト）のマイグレーションのみを引き起こすことも可能である。すなわち、図８に示すように、陰極側の金属シリサイド膜２６が陽極側へ移動してコンタクトプラグ２０ａから離間することで、陰極側のコンタクトプラグ２０ａと配線部１４との間のコンタクト抵抗が上昇するため、ヒューズを切断することができる。

金属シリサイドの金属材料をマイグレーションにより移動させる場合、陰極側のコンタクトプラグ２０ａと接続するポリシリコン膜２４の幅は、コンタクトプラグ２０の幅の１０倍以下であることが望ましい。

なお、ポリシリコン膜２４上の金属シリサイド膜２６は、ポリシリコン膜２４上に堆積するようにしてもよいし、通常のサリサイドプロセス等により形成するようにしてもよい。

このように、本実施形態によれば、ポリサイド構造の配線部と、配線部の一端側に接続された第１のコンタクト部（コンタクトプラグ２０ｂ）と、配線部の他端側に接続され金属材料を含む第２のコンタクト部（コンタクトプラグ２０ａ）とからなるヒューズ素子を構成し、第１のコンタクト部側から第２のコンタクト部側へ電流を流して第２のコンタクト部の金属材料をポリシリコン中にマイグレーションさせることによりヒューズ素子を切断するので、ヒューズ切断の際に周辺素子に与えるダメージを大幅に抑制することができる。或いは、配線部の金属シリサイド膜を構成する金属材料をマイグレーションさせることによりヒューズ素子を切断するので、ヒューズ切断の際に周辺素子に与えるダメージを大幅に抑制することができる。これにより、ヒューズ回路を大きくすることなく層間絶縁膜のクラックを防止できる。また、コンタクト部の金属材料をマイグレーションさせることにより、第１の配線と第２の配線との接続を完全に分離できるので、ヒューズ切断前後において大きな抵抗変化を得ることができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法について図９及び図１０を用いて説明する。なお、図１乃至図８に示す第１及び第２実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図９は本実施形態によるヒューズ素の構造を示す平面図、図１０は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図である。

シリコン基板１０の主表面には、活性領域を画定する素子分離膜１２が形成されている。素子分離膜１２上には、ポリシリコン膜２４と金属シリサイド膜２６とが積層されてなるポリサイド構造の配線部１４が形成されている。配線部１４の一端部（図面右側）の幅は、他端部（図面左側）の幅よりも広くなっている。配線部１４が形成されたシリコン基板１０上には、層間絶縁膜１６が形成されている。層間絶縁膜１６には、配線部１４の両端部に接続されたコンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれている。配線部１４の前記一端部側には、前記他端部側よりも多くのコンタクトプラグ２０ｂが形成されている。こうして、コンタクトプラグ２０ｂ、配線部１４及びコンタクトプラグ２０ａが直列接続されてなるヒューズ素子が構成されている。

このように、本実施形態によるヒューズ素子は、配線部１４の陽極側に対応する前記一端部（図面右側）の幅が、配線部１４の陰極側に対応する前記他端部（図面左側）の幅よりも広くなっており、配線部１４に接続するコンタクトプラグ２０ｂの数が配線部１４に接続するコンタクトプラグ２０ａの数よりも多くなっていることに特徴がある。

このようにしてヒューズ素子を構成することにより、陽極側における配線部１４とメタル配線２２ｂとの間のコンタクト面積が増加して接続抵抗が低減され、温度上昇を抑制することができる。

すなわち、陽極側のコンタクト数を陰極側のコンタクト数の２倍以上にすることで、陽極側にあるコンタクトの抵抗は１／２以下になる。発熱量は電流値をＩ、抵抗をＲとして、Ｉ^２×Ｒと表されるので、コンタクトを２倍にすれば発熱量は１／２となり、陽極側でのメタル移動を防ぐことができる。コンタクト数を増加する代わりに、プラグ２０ｂの面積を増加することにより、配線部１４とコンタクトプラグ２０ｂとの間のコンタクト面積を増やすようにしてもよい。また、陽極側のヒューズ１４の幅を２倍以上にすることによっても、陽極側での発熱量を１／２にすることができる。

したがって、陽極側のコンタクトプラグ２０ｂを構成するタングステンがメタル配線２２ｂ方向へ移動して周辺の素子等へ流入し、その特性を劣化する等の不具合が生じることを防止することができる。

このように、本実施形態によれば、陽極側の配線部の幅を陰極側の配線部の幅よりも広くするとともに、配線部に接続する陽極側のコンタクト面積を陰極側のコンタクト面積よりも広くするので、陽極側における配線部の放熱効率を高めることができる。これにより、陽極側のコンタクトプラグから金属材料が周辺素子等へ流入して特性劣化をもたらすことを防止することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法について図１１及び図１２を用いて説明する。なお、図１乃至図１０に示す第１乃至第３実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図１１は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す平面図、図１２は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図である。

シリコン基板１０の主表面には、活性領域１２ａを画定する素子分離膜１２が形成されている。素子分離膜１２上には、ポリシリコン膜２４と金属シリサイド膜２６とが積層されてなるポリサイド構造の配線部１４が形成されている。配線部１４は、その一端部（図面右側）が絶縁膜２８を介してシリコン基板１０の活性領域１２ａ上に形成されており、他端部（図面左側）が素子分離膜１２上に形成されている。配線部１４が形成されたシリコン基板１０上には、層間絶縁膜１６が形成されている。層間絶縁膜１６には、配線部１４の両端部に接続されたコンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれている。こうして、コンタクトプラグ２０ｂ、配線部１４及びコンタクトプラグ２０ａが直列接続されてなるヒューズ素子が構成されている。

コンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれた層間絶縁膜１６上には、コンタクトプラグ２０ａを介して配線部１４の前記他端部に接続されたメタル配線２２ａと、コンタクトプラグ２０ｂを介して配線部１４の前記一端部に接続されたメタル配線２２ｂとが形成されている。

このように、本実施形態によるヒューズ素子は、配線部１４の陽極側に対応する一端部が活性領域１２ａ上に延在していることに特徴がある。

活性領域１２ａ上に延在する配線部１４は、トランジスタのゲート絶縁膜と同時に形成された薄い絶縁膜２８を介してシリコン基板１０上に形成される。このため、活性領域１２ａ上に配線部１４を形成することにより、素子分離膜１２上に配線部１４を形成する場合と比較して、配線部１４で生じた熱をシリコン基板１０方向へ容易に逃がすことができる。

したがって、このようにしてヒューズ素子を構成することにより、配線部１４の陽極側における放熱効率を高めることができ、温度上昇を抑制することができる。これにより、陽極側のコンタクトプラグ２０ｂを構成するタングステンがメタル配線２２ｂ方向へ移動して周辺の素子等へ流入し、その特性を劣化する等の不具合が生じることを防止することができる。

なお、配線部１４が延在する活性領域の面積は、ヒューズ切断時に配線部１４で発熱した熱が広がる程度に大きいことが望ましい。一例としては配線部１４の幅０．３０μｍに対して活性領域１２ａの幅を０．５０μｍとする。また、陰極側の温度上昇を妨げないように、活性領域１２ａは、配線部１４の中間よりも陽極側に位置させることが望ましい。

このように、本実施形態によれば、陽極側の配線部を活性領域上に形成するので、陽極側の放熱効率を高めることができる。これにより、陽極側のコンタクトプラグから金属材料が周辺素子等へ流入して特性劣化をもたらすことを防止することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法について図１３を用いて説明する。なお、図１乃至図１２に示す第１乃至第４実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図１３は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す平面図である。

本実施形態によるヒューズ素子は、メタル配線２２の平面的な形状が異なるほかは、図７及び図８に示す第２実施形態によるヒューズ素子と同様である。すなわち、本実施形態によるヒューズ素子は、配線部１４の陽極側に接続されたメタル配線２２ｂの幅が、陰極側に接続されたメタル配線２２ａの幅よりも大きくなっていることに特徴がある。

このようにしてヒューズ素子を構成することにより、配線部１４の陽極側における放熱効率を高めることができ、温度上昇を抑制することができる。これにより、陽極側のコンタクトプラグ２０ｂを構成するタングステンがメタル配線２２ｂ方向へ移動して周辺の素子等へ流入し、その特性を劣化する等の不具合が生じることを防止することができる。

陰極側のメタル配線２２ａの幅は、ヒューズ切断時の電流で溶断しないように、コンタクト幅の２倍程度であることが望ましい。但し、太すぎるとコンタクトでの発熱がメタル配線２２ａを伝わって逃げてしまうため、５倍以下にすることが望ましい。一方、陽極側のメタル配線２２ｂの幅は、陽極でのメタル移動を防ぐために、陰極側のメタル配線２２ａの幅の２倍以上の幅とすることが望ましい。

このように、本実施形態によれば、陽極側のメタル配線の幅を陰極側のメタル配線の幅よりも広くするので、陽極側における配線部の放熱効率を高めることができる。これにより、陽極側のコンタクトプラグから金属材料が周辺素子等へ流入して特性劣化をもたらすことを防止することができる。

［第６実施形態］
本発明の第６実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法について図１４及び図１５を用いて説明する。なお、図１乃至図１３に示す第１乃至第５実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図１４は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す平面図、図１５は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図である。

シリコン基板１０の主表面には、活性領域１２ａを画定する素子分離膜１２が形成されている。活性領域１２ａはヒューズ素子の一部をなすものであり、図１４に示すように、一方向に長い矩形状の平面形状を有している。なお、本願明細書では、ヒューズ素子の一部を構成する活性領域１２ａの部分を「配線部」と表現することもある。

素子分離膜１２が形成されたシリコン基板１０上には、層間絶縁膜１６が形成されている。層間絶縁膜１６には、活性領域１２ａの端部に接続されたコンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれている。こうして、コンタクトプラグ２０ｂ（第１のコンタクト部）、活性領域１２ａ（配線部）及びコンタクトプラグ２０ａ（第２のコンタクト部）が直列接続されてなるヒューズ素子が構成されている。

コンタクトプラグ２０ａ，２０ｂが埋め込まれた層間絶縁膜１６上には、コンタクトプラグ２０ａを介して活性領域１２ａの一端に接続されたメタル配線２２ａと、コンタクトプラグ２０ｂを介して活性領域１２ａの他端に接続されたメタル配線２２ｂとが形成されている。

このように、本実施形態のヒューズ素子は、活性領域１２ａよりなる配線部と、配線部の一端側に接続されたコンタクトプラグ２０ｂ（第１のコンタクト部）と、配線部の他端部に接続されたコンタクトプラグ２０ａ（第２のコンタクト部）とを有することに主たる特徴がある。

シリコン基板１０を介した電流経路を有するヒューズ素子の場合にも、第１実施形態の場合と同様、所定値以上の電流密度で電流を流すことにより、コンタクトプラグ２０ａからシリコン基板１０中へのタングステンのマイグレーションが生じる。したがって、このようなタングステンのマイグレーションにより陰極側のコンタクトプラグ２０ａは断線状態となり、メタル配線２２ａとメタル配線２２ｂとの間の電気的接続を切断することができる。

このように、本実施形態によれば、活性領域のシリコン層よりなる配線部と、配線部の一端側に接続された第１のコンタクト部（コンタクトプラグ２０ｂ）と、配線部の他端側に接続され金属材料を含む第２のコンタクト部（コンタクトプラグ２０ａ）とからなるヒューズ素子を構成し、第１のコンタクト部側から第２のコンタクト部側へ電流を流して第２のコンタクト部の金属材料をシリコン層中にマイグレーションさせることによりヒューズ素子を切断するので、ヒューズ切断の際に周辺素子に与えるダメージを大幅に抑制することができる。これにより、ヒューズ回路を大きくすることなく層間絶縁膜のクラックを防止できる。また、コンタクト部の金属材料をマイグレーションさせることにより、第１の配線と第２の配線との接続を完全に分離できるので、ヒューズ切断前後において大きな抵抗変化を得ることができる。

［第７実施形態］
本発明の第７実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法について図１６を用いて説明する。なお、図１乃至図１５に示す第１乃至第６実施形態によるヒューズ素子及びその切断方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図１６は本実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面である。

本実施形態によるヒューズ素子は、基板としてＳＯＩ基板４０を用いているほかは、第６実施形態によるヒューズ素子と同様である。

ＳＯＩ基板４０は、その表面に、埋め込み絶縁層４２と、埋め込み絶縁層４２上に形成されたＳＯＩ層４４とを有している。ＳＯＩ層４４には、下面において埋め込み絶縁層４２に接続された素子分離膜１２が埋め込まれている。素子分離膜１２により画定された活性領域１２ａには、第６実施形態と同様のヒューズ素子が形成されている。

ＳＯＩ基板４０を用いてこのようにヒューズ素子を構成することにより、ヒューズ素子の電流経路となる活性領域１２ａは、素子分離膜１２及び埋め込み絶縁層４２によって完全に囲まれる。したがって、ヒューズ切断の際にコンタクトプラグ２０ａからメタルが活性領域１２ａ内に流入しても、そのメタルをヒューズ領域内に留めることができる。これにより、メタルが周辺の素子まで達して特性劣化をもたらすことを防止することができる。

本実施形態によるヒューズ素子の構造は、特にコンタクトメタルとしてシリコン中の拡散係数が高い材料、例えば銅を用いるような場合に極めて有効である。

このように、本実施形態によれば、ヒューズ素子をＳＯＩ基板上に形成するので、第１の配線を活性領域のシリコン層に形成する場合であっても、シリコン層内に流入した金属材料が周辺素子まで達して特性劣化をもたらすことを防止することができる。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記第２乃至５実施形態では、配線部１４をポリシリコン膜と金属シリサイド膜とが積層されたポリサイド構造としたが、第１実施形態のようなポリシリコン単層の配線部１４を用いてもよい。

また、上記第３実施形態では、第２実施形態のヒューズ素子において配線部１４の陽極側に接続されるコンタクトプラグ２０ｂの数を陰極側に接続されるコンタクトプラグ２０ａの数よりも多くしたが、第４乃至第７実施形態のヒューズ素子において配線部１４又は活性領域１２ａの陽極側に接続されるコンタクトプラグ２０ｂの数を陰極側に接続されるコンタクトプラグ２０ａの数よりも多くするようにしてもよい。これにより、陽極側の放熱効率を更に高めることができる。

また、上記第４実施形態では、第２実施形態のヒューズ素子において配線部１４の陽極側の一部分を活性領域１２ａ上に形成したが、第５実施形態のヒューズ素子において配線部１４の陽極側の一部分を活性領域１２ａ上に形成するようにしてもよい。これにより、陽極側の放熱効率を更に高めることができる。

また、上記第５実施形態では、第２実施形態のヒューズ素子において陽極側のメタル配線２２ｂの幅を陰極側のメタル配線２２ａの幅よりも広くしたが、第６及び第７実施形態のヒューズ素子において陽極側のメタル配線２２ｂの幅を陰極側のメタル配線２２ａの幅よりも広くしてもよい。これにより、陽極側の放熱効率を更に高めることができる。

また、上記第１乃至第７実施形態では、コンタクトプラグ２０ａ，２０ｂは層間絶縁膜１６に埋め込まれたタングステンプラグとしたが、銅等の他の配線材料からなるコンタクトプラグにより構成してもよい。また、コンタクトプラグ２０ａ，２０ｂは、メタル配線２２ａ，２２ｂと一体形成された配線層のビア部であってもよい。コンタクトプラグは、電流を流すことによりマイグレーションするメタル材料、例えばタングステン、銅、アルミ等を含む導電性材料により構成すればよい。

また、上記第６及び第７実施形態では、活性領域１２ａによりヒューズ素子の配線部の一部を構成したが活性領域１２ａ上に金属シリサイド膜を形成し、第２実施形態に記載のようにこの金属シリサイド膜を構成するメタル材料をマイグレーションしてヒューズ素子の抵抗値を変化させるようにしてもよい。

また、コンタクトプラグには、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン、窒化タングステン（ＷＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等のバリアメタルを設けるようにしてもよい。

以上詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。

（付記１）シリコン層を含む配線部と、
前記配線部の一端側に接続され、金属材料を含む第１のコンタクト部と、
前記配線部の他端側に接続され、金属材料を含む第２のコンタクト部と
を有することを特徴とするヒューズ素子。

（付記２）付記１記載のヒューズ素子において、
前記配線部は、前記シリコン層上に形成された金属シリサイド層を更に有する
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記３）付記１又は２記載のヒューズ素子において、
前記第１のコンタクト部との接続領域における前記配線部の幅は、前記第２のコンタクト部との接続領域における前記配線部の幅よりも広い
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記４）付記１乃至３のいずれか１項に記載のヒューズ素子において、
前記配線部と前記第１のコンタクト部とのコンタクト面積は、前記配線部と前記第２のコンタクト部とのコンタクト面積よりも広い
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記５）付記１乃至４のいずれか１項に記載のヒューズ素子において、
前記配線部と前記第１のコンタクト部との接続領域、及び前記配線部と前記第２のコンタクト部との接続領域は、素子分離膜上に形成されている
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記６）付記１乃至４のいずれか１項に記載のヒューズ素子において、
前記配線部と前記第１のコンタクト部との接続領域は、活性領域上に形成されており、
前記配線部と前記第２のコンタクト部との接続領域は、素子分離膜上に形成されている
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記７）付記１乃至６のいずれか１項に記載のヒューズ素子において、
前記第１のコンタクト部に接続された第１の配線の幅が、前記第２のコンタクト部に接続された第２の配線の幅よりも広い
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記８）付記１乃至７のいずれか１項に記載のヒューズ素子において、
前記第１のコンタクト部に接続された第１の配線は、前記第２のコンタクト部に接続された第２の配線よりも厚い
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記９）付記７又は８記載のヒューズ素子において、
前記第１の配線と前記第１のコンタクト部及び前記第２の配線と前記第２のコンタクト部は、一体的に形成されている
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記１０）シリコン層を含む配線部と、前記配線部の一端側に接続され、金属材料を含む第１のコンタクト部と、前記配線部の他端側に接続され、金属材料を含む第２のコンタクト部とを有するヒューズ素子であって、
切断後には、前記第２のコンタクト部を構成する前記金属材料の少なくとも一部が前記配線層内に移動しており、前記配線部と前記第２のコンタクト部とが電気的に分離されている
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記１１）シリコン層と前記シリコン層上に形成された金属シリサイド層とを含む配線部と、前記配線部の一端側に接続された第１のコンタクト部と、前記配線部の他端側に接続された第２のコンタクト部とを有するヒューズ素子であって、
切断後には、前記金属シリサイド層を構成する金属材料の少なくとも一部が前記第１のコンタクト部側へ移動しており、前記第２のコンタクト部が前記シリコン層に接している
ことを特徴とするヒューズ素子。

（付記１２）シリコン層を含む配線部と、前記配線部の一端側に接続された第１のコンタクト部と、前記配線部の他端側に接続され、金属材料を含む第２のコンタクト部とを有するヒューズ素子の切断方法であって、
前記第１のコンタクト部から前記第２のコンタクト部へ前記配線部を介して電流を流し、前記第２のコンタクト部の前記金属材料を前記シリコン層中にマイグレーションさせることにより、前記配線部と前記第２のコンタク部との間の接続抵抗を変化させる
ことを特徴とするヒューズ素子の切断方法。

（付記１３）シリコン層と前記シリコン層上に形成された金属シリサイド層とを有する配線部と、前記配線部の一端側に接続された第１のコンタクト部と、前記配線部の他端側に接続された第２のコンタクト部とを有するヒューズ素子の切断方法であって、
前記第１のコンタクト部から前記第２のコンタクト部へ前記配線部を介して電流を流し、前記金属シリサイド層を構成する金属材料を前記第１のコンタクト部側へマイグレーションさせることにより、前記配線部と前記第２のコンタク部との間の接続抵抗を変化させる
ことを特徴とするヒューズ素子の切断方法。

（付記１４）付記１２又は１３記載のヒューズの切断方法において、
前記コンタクト部における電流密度が５×１０^６Ａ・ｃｍ^−２以上、５×１０^８Ａ・ｃｍ^−２以下になるように、前記第１の配線から前記第２の配線へ流す電流値を設定する
ことを特徴とするヒューズの切断方法。

（付記１５）付記１２乃至１４のいずれか１項に記載のヒューズの切断方法において、
前記第１の配線から前記第２の配線へ流す電流を、５秒以下のパルス電流とする
ことを特徴とするヒューズの切断方法。

本発明の第１実施形態によるヒューズ素子の構造を示す平面図である。本発明の第１実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図である。ヒューズ回路の一例を示す回路図である。本発明の第１実施形態によるヒューズの切断方法を示す概略断面図である。本発明の第１実施形態によるヒューズ素子の製造方法を示す工程断面図（その１）である。本発明の第１実施形態によるヒューズ素子の製造方法を示す工程断面図（その２）である。本発明の第２実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図である。本発明の第２実施形態による他のヒューズの切断方法を示す概略断面図である。本発明の第３実施形態によるヒューズ素子の構造を示す平面図である。本発明の第３実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図である。本発明の第４実施形態によるヒューズ素子の構造を示す平面図である。本発明の第４実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図である。本発明の第５実施形態によるヒューズ素子の構造を示す平面図である。本発明の第６実施形態によるヒューズ素子の構造を示す平面図である。本発明の第６実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図である。本発明の第７実施形態によるヒューズ素子の構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１０…シリコン基板
１２…素子分離膜
１４…ヒューズ
１６…層間絶縁膜
１８…コンタクトホール
２０…コンタクトプラグ
２２…メタル配線
２４…ポリシリコン膜
２６…金属シリサイド膜
２８…絶縁膜
３０…ヒューズ素子
３２，３４…センス用トランジスタ
３６…ヒューズ切断用トランジスタ
４０…ＳＯＩ基板
４２…埋め込み絶縁膜
４４…ＳＯＩ層

Claims

シリコン層を含む配線部と、前記配線部の一端側に接続され、金属材料を含む第１のコンタクト部と、前記配線部の他端側に接続され、金属材料を含む第２のコンタクト部とを有するヒューズ素子であって、
切断後には、前記第２のコンタクト部を構成する前記金属材料の少なくとも一部が前記配線層内に移動しており、前記配線部と前記第２のコンタクト部とが電気的に分離されている
ことを特徴とするヒューズ素子。
シリコン層を含む配線部と、前記配線部の一端側に接続された第１のコンタクト部と、前記配線部の他端側に接続され、金属材料を含む第２のコンタクト部とを有するヒューズ素子の切断方法であって、
前記第１のコンタクト部から前記第２のコンタクト部へ前記配線部を介して電流を流し、前記第２のコンタクト部の前記金属材料を前記シリコン層中にマイグレーションさせることにより、前記配線部と前記第２のコンタク部との間の接続抵抗を変化させる
ことを特徴とするヒューズ素子の切断方法。