專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體器件以及熔絲的熔斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件以及熔絲的熔斷方法，特別涉及具有電流熔斷熔絲的半導(dǎo)體器件以及熔絲的熔斷方法。
背景技術(shù)：
在近年的大容量化的半導(dǎo)體器件中，沒(méi)有缺陷地制造構(gòu)成存儲(chǔ)器部的全部的存儲(chǔ)單元，使其正常發(fā)揮功能在技術(shù)上是困難的，因此，準(zhǔn)備根據(jù)不良發(fā)生率推定的個(gè)數(shù)的存儲(chǔ)器陣列的冗長(zhǎng)電路，當(dāng)在制造階段中發(fā)現(xiàn)不良的存儲(chǔ)器單元的情況下，能夠?qū)⒕哂胁涣即鎯?chǔ)器單元的存儲(chǔ)器陣列(列陣列，行陣列)置換成預(yù)先設(shè)置的預(yù)備的存儲(chǔ)器陣列。
由此，防止半導(dǎo)體器件自身成為不良產(chǎn)品，謀求提高半導(dǎo)體器件的制造成品率。
而且，用于進(jìn)行具有不良存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器陣列和預(yù)備的存儲(chǔ)器陣列的連接切換的結(jié)構(gòu)是熔絲，一般，如此構(gòu)成外圍電路部的列譯碼器以及行譯碼器，即，通過(guò)熔斷該熔絲，把具有不良存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器陣列設(shè)置成不能選擇，把預(yù)備的存儲(chǔ)器陣列設(shè)置成可以選擇。
作為熔絲的切斷方法，有使用激光光線的方法，和電切斷的方法，而在使用了激光光線的方法中，存在只能在半導(dǎo)體器件處于晶片狀態(tài)的情況下熔斷，和工藝復(fù)雜的問(wèn)題。
另一方面，在電切斷的方法中，在半導(dǎo)體器件處于晶片狀態(tài)的情況下能夠切斷是肯定的，而且在半導(dǎo)體器件封裝后也可以切斷。
進(jìn)而，電切斷的方法大致分為2個(gè)方法。
1個(gè)方法是，使用把絕緣膜夾在中間設(shè)置了電極的構(gòu)造的熔絲，通過(guò)在兩極上施加能夠破壞絕緣膜的絕緣的電壓，進(jìn)行“0”、“1”狀態(tài)的編程的所謂的非熔絲(anti fuse)方式，再1個(gè)方法是，使用用導(dǎo)電體層構(gòu)成的熔絲，通過(guò)流過(guò)額定以上的電流熔斷熔絲進(jìn)行編程的電流熔斷熔絲方式。
電流熔斷熔絲由實(shí)際實(shí)施切斷的直線形的熔絲部，和設(shè)置在熔絲部的兩端上的熔絲引出部構(gòu)成，熔絲部設(shè)計(jì)成比熔絲引出部還細(xì)。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)局部增加電流密度而有效地在熔絲部上進(jìn)行焦耳發(fā)熱，容易以少的電流使熔絲部熔斷的緣故。
這樣在電流熔斷熔絲中，利用流過(guò)的電流產(chǎn)生的熔絲焦耳熱使熔絲熔斷。因此，為了熔斷熔絲，至少需要數(shù)十mA以上的電流，存在需要電流輸出大的電源，和熔絲熔斷時(shí)的發(fā)熱對(duì)周?chē)a(chǎn)生影響的問(wèn)題。
為了解決這些問(wèn)題，降低在熔絲熔斷中需要的電流是有效的方法，作為降低電流的方法例如提出了在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的熔絲構(gòu)造。
即，在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了這樣的技術(shù)，即并不是把熔絲部設(shè)置成單純的直線形，而是通過(guò)在熔絲部上設(shè)置至少1個(gè)曲拐(crank)部，并通過(guò)使電流集中到該曲拐部上提高電流密度，以少的電流熔斷熔絲。
另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，公開(kāi)了從減小占有面積的觀點(diǎn)出發(fā)，在熔絲部上通過(guò)設(shè)置多個(gè)折回部形成S形狀的構(gòu)成。
特開(kāi)平6-140510號(hào)公報(bào)(圖1，2)[專(zhuān)利文獻(xiàn)2]特開(kāi)平3-28737號(hào)公報(bào)(圖1，2)在以上說(shuō)明的專(zhuān)利文獻(xiàn)1中，如該專(zhuān)利文獻(xiàn)1的圖2所示，雖然在曲拐部上電流密度增加，但因?yàn)樵谄渌牟糠稚想娏髅芏葴p少，所以在曲拐部上的電流密度增加的效果被抵消，在和直線形的熔絲比較的情況下，預(yù)測(cè)不能得到顯著的效果。
另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，是為了減小占有面積而把熔絲設(shè)置成S形狀，但對(duì)于熔斷電流的降低效果并不明確，如果熔絲部的長(zhǎng)度達(dá)到或者超過(guò)某一長(zhǎng)度，則結(jié)論是熔斷電流不能減少，不能說(shuō)熔絲構(gòu)造是最佳構(gòu)造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決上述問(wèn)題而提出的，其目的在于提供一種能夠降低熔斷電流的具有最佳的電流熔斷熔絲的半導(dǎo)體器件，以及熔絲的熔斷方法。
本發(fā)明的權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件具有半導(dǎo)體襯底和利用電流熔斷的熔絲，上述熔絲具有熔絲布線在與上述半導(dǎo)體襯底的主面平行的平面內(nèi)折回成為S形狀的熔絲部；和分別與上述熔絲部的兩端部連接，一邊的長(zhǎng)度比上述熔絲布線的寬度還大的矩形的2個(gè)焊盤(pán)，上述2個(gè)焊盤(pán)各自設(shè)置成與上述熔絲部之間隔開(kāi)大于等于10條的上述熔絲布線的寬度。
本發(fā)明的權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體襯底和利用電流熔斷的熔絲，上述熔絲具有熔絲布線在與上述半導(dǎo)體襯底的主面垂直的平面內(nèi)折回成為S形狀的熔絲部；和分別與上述熔絲部的兩端部連接，一邊的長(zhǎng)度比上述熔絲布線的寬度還大的矩形的2個(gè)焊盤(pán)，上述熔絲部在設(shè)置在上述半導(dǎo)體襯底上的多層的層間絕緣膜內(nèi)設(shè)置，其具有分別與上述半導(dǎo)體襯底的主面平行地延伸，把上述層間絕緣膜夾在其間而相互在上下重疊設(shè)置的直線形的多條熔絲布線；和連接上述多條熔絲布線間的多個(gè)接觸，其中，上述多個(gè)接觸各自設(shè)置成使上述熔絲部電流路徑成為S形狀。
本發(fā)明的權(quán)利要求6所述的熔絲的熔斷方法是設(shè)置在半導(dǎo)體器件內(nèi)，用電流熔斷的熔絲的熔斷方法，包含在上述熔絲上脈沖式地多次施加電流的步驟(a)。
如果采用本發(fā)明的權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，則因?yàn)槿劢z具有熔絲布線在與半導(dǎo)體襯底的主面平行的平面內(nèi)折回變成S形狀的熔絲部，所以在能夠高效率地加熱熔絲的同時(shí)，因?yàn)樵O(shè)置成2個(gè)焊盤(pán)各自和熔絲部之間隔開(kāi)大于等于10條熔絲布線的寬度，所以能夠防止因從熔絲部散發(fā)的熱被焊盤(pán)吸收而抑制溫度上升的現(xiàn)象。
如果采用本發(fā)明的權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，則因?yàn)槿劢z具有熔絲布線在與半導(dǎo)體襯底的主面垂直的平面內(nèi)折回變成S形狀的熔絲部，所以能夠高效率地加熱熔絲。
如果采用本發(fā)明的權(quán)利要求6所述的熔絲的熔斷方法，則通過(guò)在熔絲上脈沖式地多次施加電流，即使在同樣的時(shí)間給予熔絲同樣的電流的情況下，與連續(xù)施加電流的情況相比，能夠給予熔絲更大的熱量，能夠降低在熔絲熔斷中需要的電流。另外，通過(guò)脈沖式地施加電流，還能夠抑制熱量對(duì)熔絲周?chē)挠绊憽?br>

圖1是表示熔絲部是直線形的熔絲的平面形狀圖。
圖2是表示相對(duì)直線形的熔絲部的長(zhǎng)度變化的最高達(dá)到溫度的圖。
圖3是說(shuō)明用熔絲和熔絲選擇用的MOS晶體管構(gòu)成的最小構(gòu)成單位的圖。
圖4是表示晶體管的I-V特性的圖。
圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的熔絲的平面形狀圖。
圖6是表示晶體管的I-V特性的圖。
圖7是表示熔絲部的折回?cái)?shù)和最高達(dá)到溫度的關(guān)系的圖。
圖8是模式化表示直線形的熔絲部的圖。
圖9是模式化表示具有2個(gè)折回部的S形狀的熔絲部的圖。
圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的熔絲的平面形狀圖。
圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的熔絲的平面形狀圖。
圖12是表示在把熔絲部設(shè)置在絕緣膜中的狀態(tài)下，在其平面方向的周?chē)鼽c(diǎn)上達(dá)到1100℃的時(shí)間的模擬結(jié)果的圖。
圖13是表示在把熔絲部設(shè)置在絕緣膜中的狀態(tài)下，用外插法求在其平面方向的周?chē)鼽c(diǎn)上達(dá)到1100℃的時(shí)間的模擬結(jié)果的圖。
圖14是表示使熔絲布線以3維S行變化的構(gòu)成的斷面圖。
圖15是表示使熔絲布線以3維S行變化的構(gòu)成的斷面圖。
圖16是模式化表示在熔絲的熔斷時(shí)一般實(shí)施的熔斷電流的連續(xù)施加的圖。
圖17是模式化表示在熔絲的熔斷時(shí)一般實(shí)施的熔斷電流的連續(xù)施加的圖。
圖18是模式化表示熔斷電流的脈沖式施加的圖。
圖19是模式化表示熔斷電流的脈沖式施加的圖。
圖20是表示相對(duì)施加電壓的熔絲的電阻上升率的圖。
具體實(shí)施例方式
<序論>
在說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式1之前，首先說(shuō)明有關(guān)如圖1所示那樣的熔絲部FP使用了單純直線形的熔絲FS時(shí)的熔斷電流的降低。
圖1是表示熔絲FS的平面形狀圖，熔絲FS具有分別與熔絲部FP的兩端部連接的2個(gè)焊盤(pán)PD。
在此，圖2中表示，在熔絲部FP的寬度是140nm，厚度是225nm，材質(zhì)是銅(Cu)的情況下，當(dāng)把熔絲部FP的長(zhǎng)度進(jìn)行了各種改變后，用有限元法計(jì)算了在流過(guò)15mA的電流時(shí)達(dá)到的最高溫度的結(jié)果。
在圖2中，橫軸表示熔絲部FP的長(zhǎng)度(μm)，縱軸表示最高到達(dá)溫度(℃)。
如圖2所示，在熔絲部FP中的最高到達(dá)溫度在熔絲部FP的長(zhǎng)度達(dá)到20μm附近之前以比較急的角度上升，而如果超過(guò)20μm則溫度特性曲線有飽和的趨勢(shì)。因而，即使在熔絲上施加同樣的電流值的情況下，如果熔絲長(zhǎng)度過(guò)短，則在熔絲部FP上的溫度不能達(dá)到熔斷所需要的溫度，無(wú)法切斷熔絲。
另一方面，如果加長(zhǎng)熔絲長(zhǎng)度則最高達(dá)到溫度提高，而如果超過(guò)20μm，則雖然增加長(zhǎng)度，最高達(dá)到溫度卻不能上升，這受到了在半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)上的制約。
即，當(dāng)把電流熔斷熔絲裝載到半導(dǎo)體器件上的情況下，作為其最小構(gòu)成單位如圖3所示，可以認(rèn)為由熔絲FS、熔絲選擇用的MOS晶體管Q1構(gòu)成。
在圖3中，在電源端子VT和接地之間串聯(lián)連接熔絲FS和MOS晶體管Q1，成為向MOS晶體管Q1的柵電極給予控制電壓VDD1的構(gòu)成。
在這種構(gòu)成中，在向電源端子VT施加電源電壓VDD2的狀態(tài)下，通過(guò)向MOS晶體管Q1的柵電極施加控制電壓VDD1，把MOS晶體管Q1設(shè)置在導(dǎo)通狀態(tài)，在熔絲FS上流過(guò)熔斷電流Iin。此時(shí)，作為控制電壓VDD1以及電源電壓VDD2可以施加在MOS晶體管Q1上的電壓受到硬件的制約。
例如，在內(nèi)部只具有3.3V系列的MOS晶體管的邏輯IC等中，在控制電壓VDD1以及電源電壓VDD2中最大只能加到3.3V，該值有隨著高集成化、大容量化的進(jìn)展而變小的趨勢(shì)。
而后，因?yàn)橐话鉓OS晶體管為了減少在制造時(shí)的工藝變動(dòng)中引起的晶體管特性的偏差的影響，如圖4所示使用在晶體管的I-V特性中所說(shuō)的飽和區(qū)域。
即，在圖4中橫軸表示漏/源電壓Vds，縱軸表示漏/源電流Ids，設(shè)定漏/源電壓Vds，使得流過(guò)所希望的熔斷電流Iin(即漏/源電流Ids)，但考慮在飽和區(qū)域使用、和得到熔斷電流Iin這兩個(gè)條件，來(lái)選擇特性曲線。
在圖4的情況下，特性曲線C1即使達(dá)到飽和區(qū)域也無(wú)法提供熔斷電流Iin，特性曲線C3因?yàn)樵谖催_(dá)到飽和區(qū)域的狀態(tài)下就提供熔斷電流Iin，所以不適宜，只有特性曲線C2滿足全部的條件。
在使用特性曲線C2的情況下，為了得到熔斷電流Iin所需要的漏/源電壓Vds的下限值是VL。
MOS晶體管Q1具有這樣的特性，當(dāng)是3.3V系列的晶體管的情況下，當(dāng)在熔絲FS上流過(guò)熔斷電流Iin的情況下，在熔絲部上引起的電壓降ΔVF必須滿足下面的式子(1)。
ΔVF＜3.3-VL …(1)因?yàn)閷⑷劢z長(zhǎng)度需設(shè)計(jì)成滿足該條件，所以加長(zhǎng)熔絲長(zhǎng)度受到半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)上的限制。
如上所述，通過(guò)只最佳化熔絲部FP的長(zhǎng)度來(lái)降低熔絲熔斷電流是有限的，在本發(fā)明中不僅如此，而且通過(guò)采用能夠更高效率地加熱熔絲部的構(gòu)造，可以以更小的電流切斷熔絲。
<A.實(shí)施方式1>
<A-1.裝置構(gòu)成>
圖5作為本發(fā)明的實(shí)施方式1表示熔絲FS1的平面形狀。
如圖5所示，熔絲FS1具有熔絲部FP1具有2個(gè)折回部RP形成S形狀的熔絲部FP1；分別與熔絲部FP1的兩端部連接的2個(gè)焊盤(pán)PD。而且，圖1所示的熔絲FS的熔絲部FP的全長(zhǎng)，和圖5所示的熔絲FS1的熔絲部FP1的全長(zhǎng)相同。
在設(shè)計(jì)熔絲FP1時(shí)，首先，作為用于降低熔絲熔斷電流的第1階段，進(jìn)行熔絲部FP1的長(zhǎng)度的最佳化。
<A-2.熔絲長(zhǎng)度的最佳化>
在熔絲部FP1的長(zhǎng)度的最佳化時(shí)，假設(shè)制成在15mA下可以切斷的熔絲，假設(shè)熔絲的材質(zhì)是銅，熔絲部FP1的線寬度是0.14μm，厚度是0.225μm。
另外，作為提供15mA電流的晶體管，使用具有圖6所示那樣的I-V特性的MOS晶體管。
即，在飽和區(qū)域中為了得到15mA的漏/源電流，使用漏/源電壓為下限電壓VL＝1.5那樣的MOS晶體管。
在此，在圖3所示的最小構(gòu)成單位中，在假設(shè)作為電源電壓VDD2能夠施加到3.5V的情況下，在MOS晶體管Q1中作為漏/源電壓必須連續(xù)施加大于等于下限電壓VL＝1.5V。因而，在熔絲熔斷時(shí)在熔絲部FP中容許的電壓降ΔVF達(dá)到2.0V。
在此，因?yàn)殂~布線的薄層電阻約是0.15Ω/μm2，所以如果把熔絲部FP的長(zhǎng)度設(shè)置成L，則熔絲電阻RF可以用下面的式子(2)表示。
RF＝(0.15×L)/0.14 …(2)另一方面，熔絲的電阻值隨熔絲的溫度上升而上升，在表1中表示有代表性的熔絲材料的電阻率的溫度依賴(lài)性。
熔絲材料的電阻率的溫度依賴(lài)性(單位Ω·m)

在表1中，以鋁(Al)、鎢(W)、銅(Cu)以及鈷(Co)為例子，表示溫度是-195℃、0℃、100℃、300℃、700℃以及1200℃時(shí)的電阻率。
如表1所示，在銅中加熱到接近熔點(diǎn)的1200℃的情況下，可知其電阻率為0℃時(shí)的約13倍。
而后，在實(shí)際進(jìn)行熔絲的設(shè)計(jì)的情況下，需要考慮熔絲電阻變?yōu)樽罡叩那闆r，如上所述，在1200℃的情況下因?yàn)樽優(yōu)榧s13倍，所以在熔絲熔斷時(shí)在熔絲部FP上發(fā)生的電壓降ΔVF在熔斷電流是15mA的情況下，用下面的式子(3)表示。
ΔVF＝(0.15×L×0.015×13)/0.14 …(3)而后，如上所述，因?yàn)樾枰妷航郸F小于等于2.0V，所以熔絲部FP的長(zhǎng)度L變?yōu)長(zhǎng)＜9.57μm，由此確定熔絲長(zhǎng)度的上限。
另外，關(guān)于熔絲長(zhǎng)度的下限，因?yàn)楦鶕?jù)圖2所示的最高達(dá)到溫度的特性，需要大于等于2.0μm，所以熔絲部FP1的長(zhǎng)度希望設(shè)定在2.0～9.5μm的范圍中。
通過(guò)這樣設(shè)定熔絲FP1的長(zhǎng)度，能夠降低熔絲熔斷電流。
<A-3.S形狀的最佳化>
下面，根據(jù)用上述方法已確定的熔絲部FP1的長(zhǎng)度2.0～9.5μm進(jìn)行熔絲部FP1的S形狀的最佳化。
圖7是表示熔絲部的折回?cái)?shù)和最高到達(dá)溫度的關(guān)系的圖，橫軸表示熔絲部的折回?cái)?shù)，縱軸表示最高到達(dá)溫度，表示熔絲長(zhǎng)度是8μm的情況(用○表示)和12μm的情況(用口表示)。而且，熔絲的材質(zhì)、線寬度以及厚度和以前說(shuō)明的一樣，流過(guò)的電流是15mA。
在圖7中，表示熔絲部是直線形即折回?cái)?shù)是0的情況、折回?cái)?shù)是2的情況、和折回?cái)?shù)是4的情況，可知在折回?cái)?shù)是0的情況下，即使熔絲長(zhǎng)度是12μm，最高到達(dá)溫度也是2200℃左右，而在折回?cái)?shù)是2的情況下，即使熔絲長(zhǎng)度是8μm，最高到達(dá)溫度達(dá)也達(dá)到2200℃。而且，熔絲長(zhǎng)度12μm并不是最佳化的長(zhǎng)度，而是為了比較而表示的。
這樣，可知，即使熔絲長(zhǎng)度相同，通過(guò)設(shè)置折回部形成S形狀，即使在施加同樣的電流的情況下，也能夠更高效率地加熱熔絲。
其原因用圖8以及圖9說(shuō)明。
圖8是模式化表示直線形的熔絲部的圖，如果在這樣的熔絲部上流過(guò)電流，則一般能夠在中央部引起熔斷。而且，熔絲部的中央的熱以中央部為中心在上下左右方向上散發(fā)。
另一方面，圖9是模式化表示具有2個(gè)折回部的S形狀的熔絲部的圖，即使在這樣的熔絲部中也在中央部引起熔斷，但因?yàn)樵谌劢z部的中央線L1的兩側(cè)上存在側(cè)面線L2，所以側(cè)面線L2在起到加熱器的作用的同時(shí)，還能抑制從中央線L1散發(fā)熱，所以中央線L1處于容易加熱的狀態(tài)，能夠把熔絲部加熱到更高的溫度。這表示能夠降低在熔絲熔斷中需要的電流值。
而且，中央線L1和側(cè)面線L2之間的寬度希望設(shè)置成1條熔絲布線的寬度。
另外，為了在熔絲部FP上使局部發(fā)熱，需要在熔絲部FP上急劇增加電流密度。因此，如圖5所示使作為熔絲引出部的焊盤(pán)PD的截面積(熔絲部寬度方向的截面積)比熔絲部FP1還寬。
當(dāng)采用這樣的構(gòu)成的情況下，必須注意焊盤(pán)PD和熔絲部FP1的位置關(guān)系。
即，因?yàn)楹副P(pán)PD和熔絲部FP相比容積大，所以具有作為從熔絲部FP散發(fā)的熱的散熱片的功能，起到抑制在熔絲部FP1上的溫度上升的效果。因而，如果不適宜地保持焊盤(pán)PD和熔絲部FP1的距離，則在如設(shè)計(jì)的電流下無(wú)法熔斷熔絲部FP1，需要增加電流。
下面，對(duì)于焊盤(pán)PD和熔絲部FP1的位置關(guān)系的最佳化使用圖10～圖13說(shuō)明。
圖10以及圖11分別表示相對(duì)焊盤(pán)PD的熔絲部FP1的布局的一例，圖10表示以熔絲部FP1的折回方向和焊盤(pán)PD的排列方向平行的方式設(shè)置了熔絲部FP1的熔絲FS2，圖11表示以熔絲部FP1的折回方向和焊盤(pán)PD的排列方向垂直的方式設(shè)置了熔絲部FP1的熔絲FS3。
在此，焊盤(pán)PD和熔絲部FP1的距離用焊盤(pán)PD的與熔絲部FP1相對(duì)的一側(cè)的邊和與該邊相對(duì)的最接近的熔絲部FP1的距離來(lái)定義。
例如，在圖10的熔絲FS2中，熔絲部FP1的折回部FP和最接近的焊盤(pán)PD的距離D1是焊盤(pán)PD和熔絲部FP1的距離，在圖11所示的熔絲部FS3中，熔絲部FP1的直線部分SP和最接近的焊盤(pán)PD的距離D1是焊盤(pán)PD和熔絲部FP1的距離。
在決定該距離D1時(shí)，必須考慮從熔絲部FP1向周?chē)l(fā)的熱的熱傳導(dǎo)。
一般因?yàn)槿劢z部FP1形成在形成于半導(dǎo)體襯底上的硅氧化膜等的絕緣膜中，所以在熔絲部FP1的周?chē)慕^緣膜中，通過(guò)計(jì)算達(dá)到接近銅的熔點(diǎn)的1100℃的時(shí)間，能夠確定焊盤(pán)PD和熔絲部FP1的最佳的距離。
圖12是表示在把熔絲部FP1設(shè)置在絕緣膜中的狀態(tài)下，在其平面方向周?chē)母鼽c(diǎn)上達(dá)到1100℃的時(shí)間的模擬結(jié)果的圖，橫軸表示時(shí)間(nsec)，縱軸表示距離熔絲部FP1的距離(μm)。
而且，圖12中的距離是從構(gòu)成熔絲部FP1的銅線的寬度方向的端面算的距離，可知在距離和時(shí)間之間線性的關(guān)系成立。
因而，如果時(shí)間推移，則即使是距離遠(yuǎn)的位置也能達(dá)到1100℃，而熔絲切斷需要的時(shí)間是1μsec(1000nsec)左右，如果配置焊盤(pán)PD的位置比在該時(shí)間達(dá)到1100℃的位置還遠(yuǎn)，則能夠防止熱向焊盤(pán)PD流動(dòng)，熔絲部FP的溫度不上升的狀態(tài)。
在圖12中，雖然可知在100nsec下至0.25μm的位置達(dá)到1100℃，但對(duì)于經(jīng)過(guò)這以上時(shí)間的到達(dá)距離是用外插法求出的。把其結(jié)果表示在圖13中。
在圖13中，橫軸表示0～1000nsec的時(shí)間，縱軸表示0～2.0μm的距離，表示圖12所示的模擬結(jié)果，使用從該線性特性得到的直線外插經(jīng)過(guò)1000nsec后的到達(dá)距離。
其結(jié)果，可知在經(jīng)過(guò)1000nsec后從熔絲部FP1到約1.8μm的位置達(dá)到1100℃。該值是達(dá)到接近熔點(diǎn)的1100℃的距離，如果是比它低的溫度，則即使在相同時(shí)間下在更遠(yuǎn)的位置上，也達(dá)到該溫度，如果熔絲切斷所需要的時(shí)間增減，則該距離也增減。
因而，作為焊盤(pán)PD和熔絲部FP1的最佳距離，在上述值上預(yù)計(jì)1～2成的余量，設(shè)置成1.5～2.0μm的范圍。
在此，上述的1.5～2.0μm這一值因?yàn)橄喈?dāng)于熔絲部FP1的線寬度0.14μm的約10倍～14倍，所以結(jié)果是焊盤(pán)PD和熔絲部FP1之間隔開(kāi)大于等于10條的寬度。
這樣，通過(guò)使焊盤(pán)PD和熔絲部FP1之間隔開(kāi)大于等于10條的的寬度，能夠防止從熔絲部FP1散發(fā)的熱被焊盤(pán)PD吸收從而抑制熔絲部FP1的溫度上升這種狀態(tài)。
而且，在圖10所示的布局中，因?yàn)槿劢z部FP1的折回部RP與焊盤(pán)PF相對(duì)，所以與焊盤(pán)PD相對(duì)的熔絲部FP1的長(zhǎng)度成為折回部RP的長(zhǎng)度，因?yàn)樗c直線部相比非常短，所以從折回部RP散發(fā)的熱量也少，而且被焊盤(pán)PD吸收的熱量也少，所以能夠更有效地加熱熔絲部FP1。
另外，在圖11所示的布局中，因?yàn)槿劢z部FP1的直線部分SP與焊盤(pán)PD相對(duì)，所以與焊盤(pán)PD相對(duì)的熔絲部FP1的長(zhǎng)度成為直線部分SP的一部分的長(zhǎng)度。在此，直線部分SP的長(zhǎng)度因?yàn)楸群副P(pán)PD的一邊還長(zhǎng)，所以直線部分SP與焊盤(pán)PD的一邊的大致整個(gè)面相對(duì)，而通過(guò)保持前面說(shuō)明的焊盤(pán)PD和熔絲部FP1之間的最佳距離，降低被焊盤(pán)PD吸收的熱量，能夠高效率地加熱熔絲部FP1。
而且，在圖10以及圖11中，表示以把熔絲部FP1夾在中間的方式設(shè)置2個(gè)焊盤(pán)PD的構(gòu)成，當(dāng)熔絲部的折回的個(gè)數(shù)是偶數(shù)的情況下，因?yàn)槿劢z部的2端部分在同一方向上排列，所以2個(gè)焊盤(pán)排列在熔絲部的一側(cè)，這樣的構(gòu)成當(dāng)然也可以。
<A-4.效果>
如上所述，在本發(fā)明的實(shí)施方式1中，通過(guò)把熔絲部FP1形成為S形狀，如果熔絲長(zhǎng)度相同，流過(guò)的電流相同，則與直線形的熔絲相比，能夠更高效率地加熱熔絲。
另外，在確定熔絲部FP1的全長(zhǎng)時(shí)，因?yàn)橐紤]熔絲材料的電阻率的溫度依賴(lài)性，所以能夠防止由于熔絲部FP1的全長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，在熔絲部FP中發(fā)生的電壓降低過(guò)大，不能流過(guò)充分的電流的問(wèn)題。
另外，通過(guò)把熔絲部FP1和焊盤(pán)PD之間隔開(kāi)大于等于10條的寬度，能夠防止由于從熔絲部FP散發(fā)的熱被焊盤(pán)PD吸收而抑制熔絲部FP1的溫度上升的狀態(tài)。
另外，通過(guò)以使熔絲部FP1的折回方向和焊盤(pán)PD的排列方向平行的方式設(shè)置熔絲部FP1，使得與焊盤(pán)PD相對(duì)的熔絲部FP1的長(zhǎng)度成為折回部RP的長(zhǎng)度，使得被焊盤(pán)PD吸收的熱量少，所以能夠更高效率地加熱熔絲部FP1。
<A-5.變形例>
圖5、圖10以及圖11所示的熔絲FS1～FS3是在相對(duì)半導(dǎo)體襯底的主面平行的平面內(nèi)折回的形狀，可以說(shuō)是使熔絲布線在2維上S行的形狀。
但是，折回的方向并不限于平面內(nèi)，也可以在相對(duì)半導(dǎo)體襯底的主面垂直的平面內(nèi)折回，設(shè)置成使熔絲布線在3維上S行的形狀。
圖14表示使熔絲布線在3維上S行的構(gòu)成的剖面圖。
如圖14所示，在半導(dǎo)體襯底SB的主面上設(shè)置層間絕緣膜ZL，在其表面內(nèi)設(shè)置熔絲FS4。
熔絲FS4把位于最下層的直線形的熔絲布線L11的一端與焊盤(pán)PD1連接，在另一端的上面連接接觸(via contact)C1。
接觸(via contact)C1與在熔絲布線L11的上層上沿著熔絲布線L11設(shè)置的熔絲布線L12的一端的下面連接。
在熔絲布線L12的另一端的上面連接接觸C2，接觸C2與在熔絲布線L12的上層上沿著熔絲布線L12設(shè)置的熔絲布線L13的一端的下面連接。而后，熔絲布線L13的另一端與焊盤(pán)PD2連接。
而且，雖然為了便于描述而將層間絕緣膜ZL描述成單層，但實(shí)際上是至少由3層絕緣膜構(gòu)成的多層膜，在半導(dǎo)體襯底SB和熔絲布線L11之間、熔絲布線L11和L12之間，以及熔絲布線L12和L13之間，分別至少具有1層的絕緣膜。
另外，為了統(tǒng)一熔絲布線的材質(zhì)和線寬度，在1層內(nèi)形成熔絲FS4，不會(huì)跨越到另一層中。
圖15是從層間絕緣膜ZL的上方看熔絲FS4時(shí)的平面圖，在圖15中的A-B線的剖面相當(dāng)于圖14所示的構(gòu)成。
而且，在圖15中，焊盤(pán)PD1以及PD2是把層間絕緣膜ZL夾在中間相互不重疊地設(shè)置的構(gòu)成，但當(dāng)熔絲部的折回的個(gè)數(shù)是偶數(shù)的情況下，因?yàn)槿劢z部的2個(gè)端部排列在相同方向上，所以設(shè)置成2個(gè)焊盤(pán)把層間絕緣膜ZL夾在中間重疊，當(dāng)然也可以是那樣的構(gòu)成。
在采用以上說(shuō)明的構(gòu)成的情況下，當(dāng)然也可以有效地加熱熔絲。
<B.實(shí)施方式2>
在以上說(shuō)明的實(shí)施方式1中，說(shuō)明了能夠降低熔斷電流的最佳化電流熔斷熔絲的構(gòu)造，但在本發(fā)明的實(shí)施方式2中，說(shuō)明通過(guò)脈沖式地施加電流，降低熔斷電流的熔絲的熔斷方法。
而且，本實(shí)施方式的方法的適用并不限于實(shí)施方式1的圖5、圖10以及圖11所示的，如熔絲FS1～FS3那樣的S形狀的熔絲，也可以是圖1所示的熔絲FS那樣的直線形的熔絲，所以在下面的說(shuō)明中熔絲的形狀沒(méi)有特別限定。
<B-1.熔斷電流的連續(xù)施加>
圖16是模式化表示在熔斷熔絲時(shí)一般實(shí)施的連續(xù)施加熔斷電流的圖。
在圖16中，橫軸表示經(jīng)過(guò)時(shí)間(任意單位)，縱軸表示對(duì)熔絲的施加電壓(任意單位)。
如圖16所示，一般在熔斷熔絲時(shí)，控制熔絲選擇用的MOS晶體管Q1(圖2)，使得在直至熔斷的時(shí)間t內(nèi)連續(xù)對(duì)熔絲施加一定電壓Vin，而這種情況下流過(guò)熔絲的電流顯示圖17所示的特性。
在圖17中，橫軸表示經(jīng)過(guò)時(shí)間(任意單位)，縱軸表示流過(guò)熔絲的電流值(任意單位)。
如圖17所示，在電流施加之后流過(guò)熔絲中的電流顯示電流值IP。該電流值是所謂的初始瞬間最大電流，由于隨時(shí)間的經(jīng)過(guò)熔絲發(fā)熱，使得熔絲電阻增加，電流減少，減少到最終取得熱平衡的狀態(tài)的電流值IS(以后，稱(chēng)為平衡電流值)。因?yàn)樵撝惦S熔絲的材質(zhì)、線寬度和厚度而變化，所以無(wú)法確定，而表示圖17所示那樣的特性是共同的。
而且，現(xiàn)時(shí)是向平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)移部分是平緩的曲線，但在圖17中為了方便而以臨界表示。而且，如圖17所示成為向著平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移的臨界點(diǎn)的時(shí)間是t1。
如圖17所示，在連續(xù)施加熔斷電流的情況下，給予熔絲的熱量P1根據(jù)圖17的特性可用下面的式子(4)表示。
P1＝IS×t+t1(IP-IS)/2 …(4)這樣，在連續(xù)施加熔斷電流的情況下，因?yàn)樵跍囟壬仙t緩的平衡電流值的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間的施加電流，所以認(rèn)為加熱效率低。
<B-2.熔斷電流的脈沖式地施加>
因而本發(fā)明人認(rèn)為在溫度上升急劇而電流連續(xù)減少的狀態(tài)下，即在轉(zhuǎn)移狀態(tài)下加熱效率高，由此想出了作為維持轉(zhuǎn)移狀態(tài)的方略，通過(guò)脈沖式地施加電壓以達(dá)到脈沖式施加熔斷電流這種技術(shù)思想。
圖18表示脈沖式地每1次只施加t/n的時(shí)間的一定電壓Vin的狀態(tài)，t是熔斷電流的連續(xù)施加時(shí)的熔斷時(shí)間，n是等分熔斷時(shí)間的任意的整數(shù)值，但設(shè)定成t/n不超過(guò)圖17所示的t1。
這樣，在脈沖式地施加電壓的情況下流過(guò)熔絲的電流顯示如圖19所示那樣的特性。
如圖19所示，在電流施加之后流過(guò)熔絲中的電流表示電流值IP，在時(shí)間經(jīng)過(guò)的同時(shí)由于熔絲發(fā)熱引起的熔絲的電阻的增加致使電流減少這一點(diǎn)和圖17所示的特性相同，而因?yàn)橐坏┰趖/n的時(shí)間中電壓的施加結(jié)束，則以電流值ID為界電流值變?yōu)?。
其后，如果經(jīng)過(guò)規(guī)定的停止時(shí)間再次施加電壓，則之后電流值IP流過(guò)，在時(shí)間經(jīng)過(guò)的同時(shí)電流減少，如果經(jīng)過(guò)t/n的時(shí)間則電流值變?yōu)?。通過(guò)重復(fù)該動(dòng)作，與熔斷電流的連續(xù)施加的情況相比可以高效率地加熱熔絲。
如圖19所示，當(dāng)脈沖式地施加熔斷電流的情況下，給予熔絲的熱量P2可根據(jù)圖19的特性用下面的式子(5)表示。
P2＝ID×t+t(IP-ID)/2 ……(5)在此可知，只要以至少使電流ID比電流IS還大的方式，即以熔斷電流達(dá)到平衡電流值IS之前使脈沖停止的方式進(jìn)行設(shè)定，就會(huì)使P2＞P1。
另外，即使設(shè)定成ID＝IS的情況下，P2比P1還大式子(5)的第2項(xiàng)的部分。
如上所述，即使在同樣的時(shí)間把同樣的電流給予熔絲的情況下，通過(guò)脈沖式地施加電流，能夠給予熔絲更大的熱量，能夠降低在熔絲熔斷中需要的電流。
另外，通過(guò)脈沖式地施加電流還可以抑制熱量對(duì)熔絲周?chē)挠绊憽?br> 即，如圖17所示，當(dāng)連續(xù)施加電流直至?xí)r間t的情況下，在熔絲周?chē)膮^(qū)域中，例如達(dá)到熔絲材料的熔點(diǎn)的位置是S1，而脈沖式地施加電壓的情況下，在加熱熔絲后直至回到原溫度之前進(jìn)行停止動(dòng)作，所以在熔絲的周?chē)鷧^(qū)域中，達(dá)到熔絲材料的熔點(diǎn)的位置S2是S2＜S1。
通過(guò)這樣脈沖式地施加電流，能夠抑制熱量對(duì)熔絲周?chē)挠绊懀栽诎雽?dǎo)體器件的電路設(shè)計(jì)中可以縮小熔絲區(qū)域。
但是，如果為了避免對(duì)熔絲周?chē)膿p害而使脈沖式地施加時(shí)間過(guò)短，則有可能無(wú)法切斷熔絲。
即，為了切斷熔絲必須把熔絲至少加熱至熔點(diǎn)或者以上，為此作為脈沖式地施加時(shí)間必須設(shè)定可能使熔絲的溫度至少上升到熔點(diǎn)的時(shí)間。
例如，當(dāng)把線寬度是Wμm、厚度是Hμm、長(zhǎng)度是Lμm的布線作為熔絲使用的情況下，當(dāng)把布線材料的比熱設(shè)為c，把密度設(shè)為ρ，在單位時(shí)間給予熱量Q的情況下，達(dá)到熔點(diǎn)的時(shí)間Tm可以用下面的式子(6)表示。
Tm＞{(L×W×H)×c×ρ}/Q…(6)因而雖然必須連續(xù)施加Tm或者Tm以上的時(shí)間的電流，但如果給予脈沖的施加過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)樽兊煤瓦B續(xù)施加電流一樣，所以通過(guò)重復(fù)進(jìn)行一旦上升達(dá)到接近熔點(diǎn)后就停止脈沖式地施加，在熔絲冷卻后，再次使其上升至接近熔點(diǎn)這一溫度循環(huán)，最終能夠熔斷熔絲。
在下面所示的表2中表示，在熔絲材料中使用Al以及Cu，當(dāng)在線寬度W＝厚度H的熔絲上脈沖式地施加電流10mA的情況下，為了使熔絲達(dá)到等于或者高于熔點(diǎn)所需要的脈沖式地施加時(shí)間。


根據(jù)表2可知，當(dāng)是銅熔絲的情況下因?yàn)樵谶_(dá)到熔點(diǎn)之前需要約0.3μsec，所以如果在連續(xù)施加電流的情況下的熔絲熔斷時(shí)間是1μsec，則在脈沖式地施加電流的情況下，通過(guò)加3～4次的脈沖就能夠熔斷。
另外，當(dāng)脈沖式地施加電流的情況下，還可以降低熔斷需要的施加電壓。
圖20是表示相對(duì)施加電壓(V)的熔絲的電阻上升率(RWT2/RWT1)的圖，表示連續(xù)施加電流的模式SPM、脈沖式地施加電流的模式MPM的特性。而且，在得到圖20的特性時(shí)，在模式SPM和模式MPM中，使向熔絲施加電流的合計(jì)時(shí)間相同。
電阻上升率(RWT2/RWT1)是通過(guò)測(cè)定熔絲熔斷之前的電阻值RWT1，和熔絲熔斷之后的電阻值RWT2得到的值，因?yàn)槿绻劢z熔斷，則電阻值急劇增加，所以通過(guò)RWT2/RWT1急劇變化，可知熔絲已熔斷。
在圖20中，因?yàn)橹敝潦┘与妷褐?.5V前電流不充分，所以熔絲未能熔斷，模式SPM和模式MPM的電阻上升率都是原來(lái)的1，而如果施加電壓超過(guò)3.5V，則在模式MPM中熔絲熔斷，電阻上升率也增加7位。
另一方面在模式SPM中，即使把施加電壓設(shè)置成5V，熔絲也不熔斷，只是電阻上升率隨焦耳熱而增加。
這樣通過(guò)脈沖式地施加電流，能夠降低熔斷所需要的施加電壓。
<B-3.效果>
如上所述，在本發(fā)明的實(shí)施方式2中，通過(guò)多次脈沖式地施加熔斷電流，即使只以同樣時(shí)間給予熔絲同樣的電流的情況下，通過(guò)脈沖式地施加電流，也可以給予熔絲更大的熱量，能夠降低在熔絲熔斷中需要的電流。
另外，通過(guò)脈沖式地施加電流還能夠抑制熱量對(duì)熔絲周?chē)挠绊憽?br> 另外，通過(guò)脈沖式地施加電流，能夠降低熔斷需要的施加電壓。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，具有半導(dǎo)體襯底和利用電流熔斷的熔絲，上述熔絲具有熔絲布線在與上述半導(dǎo)體襯底的主面平行的平面內(nèi)折回成為S形狀的熔絲部；和分別與上述熔絲部的兩端部連接，一邊的長(zhǎng)度比上述熔絲布線的寬度還大的矩形的2個(gè)焊盤(pán)，上述2個(gè)焊盤(pán)各自設(shè)置成與上述熔絲部之間隔開(kāi)大于等于10條的上述熔絲布線的寬度。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中上述2個(gè)焊盤(pán)設(shè)置成在其間夾著上述熔絲部相對(duì)，上述熔絲部設(shè)置成折回方向和上述焊盤(pán)的排列方向平行，上述2個(gè)焊盤(pán)各自和上述熔絲部的距離用上述熔絲部的折回部和最接近的上述焊盤(pán)的距離來(lái)規(guī)定。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中上述2個(gè)焊盤(pán)設(shè)置成在其間夾著上述熔絲部而相對(duì)，上述熔絲部設(shè)置成折回方向和上述焊盤(pán)的排列方向垂直，上述2個(gè)焊盤(pán)各自和上述熔絲部的距離用上述熔絲部的直線部分和最接近的上述焊盤(pán)的距離來(lái)規(guī)定。
4.一種半導(dǎo)體器件，具有半導(dǎo)體襯底和利用電流熔斷的熔絲，上述熔絲具有熔絲布線在與上述半導(dǎo)體襯底的主面垂直的平面內(nèi)折回成為S形狀的熔絲部；和分別與上述熔絲部的兩端部連接，一邊的長(zhǎng)度比上述熔絲布線的寬度還大的矩形的2個(gè)焊盤(pán)，上述熔絲部在設(shè)置在上述半導(dǎo)體襯底上的多層的層間絕緣膜內(nèi)設(shè)置，其具有分別與上述半導(dǎo)體襯底的主面平行地延伸，把上述層間絕緣膜夾在其間而相互在上下重疊設(shè)置的直線形的多條熔絲布線；和連接上述多條熔絲布線間的多個(gè)接觸，其中上述多個(gè)接觸各自設(shè)置成使上述熔絲部電流路徑成為S形狀。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中上述半導(dǎo)體器件具有與上述熔絲串聯(lián)連接，在上述熔絲上流過(guò)電流時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)的MOS晶體管，上述熔絲部的全長(zhǎng)的確定按照以下方式進(jìn)行，加入由于上述熔絲部的溫度上升引起的上述熔絲布線的電阻率的增加率而計(jì)算出的在上述熔絲部中發(fā)生的電壓降，比上述MOS晶體管的電源電壓與為了得到熔斷所需要的電流所需要的漏/源電壓的差還小。
6.一種設(shè)置在半導(dǎo)體器件內(nèi)，利用電流熔斷的熔絲的熔斷方法，包含(a)向上述熔絲脈沖式地多次施加電流的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的熔絲的熔斷方法，其中上述步驟(a)包含以下步驟(a-1)在開(kāi)始施加電流后，在流過(guò)上述熔絲的電流隨著因上述熔絲的加熱產(chǎn)生的電阻值增加而降低到規(guī)定值的時(shí)刻，將電流的施加停止規(guī)定期間，(a-2)在上述規(guī)定期間經(jīng)過(guò)后，向上述熔絲施加電流，重復(fù)上述步驟(a-1)和(a-2)，直至上述熔絲熔斷。
8.如權(quán)利要求7所述的熔絲的熔斷方法，其中上述步驟(a-1)包含以下步驟作為上述規(guī)定值，選擇以下的值，即，大于等于由于上述熔絲達(dá)到熱平衡狀態(tài)而使得電阻值的增加停止后得到的平衡電流值，小于電流剛開(kāi)始施加后流過(guò)的電流值，連續(xù)流過(guò)至少把上述熔絲加熱至熔點(diǎn)的期間電流。
9.如權(quán)利要求7所述的熔絲的熔斷方法，其中上述步驟(a-2)包含以下步驟作為上述規(guī)定期間，選擇直至上述熔絲的溫度大致返回到電流施加前的溫度的時(shí)間。
全文摘要
提供一種具有能夠降低熔斷電流地經(jīng)過(guò)了最佳化的電流熔斷熔絲的半導(dǎo)體器件以及熔絲的熔斷方法。熔絲(FS2)中以熔絲部(FP1)的折回方向成為和焊盤(pán)(PD)的排列方向平行的方式設(shè)置熔絲部(FP1)。在此，焊盤(pán)(PD)和熔絲部(FP1)的距離用與焊盤(pán)(PD)的熔絲部(FP1)相對(duì)一側(cè)的邊，和與該邊相對(duì)的最接近的熔絲部(FP1)的距離定義，熔絲部(FP1)的折回部(RP)和最接近的焊盤(pán)(PD)的距離(D1)成為焊盤(pán)(PD)和熔絲部(FP1)的距離，焊盤(pán)(PD)和熔絲部(FP1)之間隔開(kāi)大于等于10條熔絲的寬度的寬度。
文檔編號(hào)H01L23/52GK1885538SQ200610094078
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月22日
發(fā)明者河野和史, 巖本猛, 米津俊明 申請(qǐng)人:株式會(huì)社瑞薩科技