レーザカルコゲニド相変化デバイスおよび方法

专利摘要:
集積回路において使用するためのレーザ活性化相変化デバイスは、第１のパターン化された金属線および第２のパターン化された金属線を接続するように構成され、かつ層間誘電体とオーバヒューズ誘電体との間に位置付けられる、カルコゲニドヒューズを備える。当該ヒューズは、基板上に製造される能動半導体素子を相互接続する。レーザ活性化相変化デバイスを活性化させるための方法は、ヒューズの特性に基づき、レーザのレーザ条件を選択するステップと、閾値遷移温度を満たすまで、直接光子吸収によって、レーザでヒューズの相変化をプログラムするステップと、を含む。
公开号:JP2011509529A
申请号:JP2010542252
申请日:2008-12-31
公开日:2011-03-24
发明作者:カワサキ，アレン；ハインセイ，ロバート；フーパー，アンディ，イー．
申请人:エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド；
IPC主号:H01L21-82

专利说明:

[0001] 本発明は、概して、半導体において使用するためのカルコゲニド相変化デバイス、およびレーザを使用して該デバイスを活性化させる方法に関する。]
背景技術

[0002] （関連出願の相互参照）
半導体上のヒューズを切断するためのレーザの使用は、当該技術分野で既知である。現在、レーザヒューズは、Ａｌ、ＣｕおよびＷ等の金属より作製される。これらのヒューズは、ヒューズ材料を溶融、蒸発、または除去するために、レーザエネルギーの単一パルスでそれらを照射することによってとばされる。これらのヒューズは、レーザにより、ヒューズ材料を物理的に除去することによってとばされ、これによって、開電気回路を形成する。ヒューズの特定のパターンをとばすことによって、例えば、不良メモリセルを、各チップに設計される、追加の冗長な機能的メモリセルと置き換えることができる。また、ヒューズは、プログラミングおよび特定を含む、半導体デバイスの微調整またはトリミング等の他の目的にも使用され得る。]
[0003] 本明細書において、レーザカルコゲニド相変化デバイス、活性化方法、および製造方法の実施形態を開示する。
本発明の一実施形態は、集積回路において使用するためのレーザ活性化相変化デバイスである。かかるデバイスの一実施形態によると、当該デバイスは、金属堆積層内の第１のパターン化された金属線および第２のパターン化された金属線を接続するように構成され、かつ層間誘電体とオーバヒューズ誘電体との間に位置づけられる、カルコゲニドヒューズを備える。当該ヒューズは、基板上に製造された能動半導体素子を相互接続する。当該ヒューズは、パターン化された金属線と線状に並べられるか、または、当該ヒューズは、第１の金属線と第２の金属線との間の間隙にまたがるように、かつ第１および第２の金属線に重なり合うように、第１および第２のパターン化された金属線上に層化され得る。別の実施形態は、島構成を有するヒューズとして、カルコゲニドデバイスを構成する。接着層は、カルコゲニド相変化材料と金属堆積との間に使用され得る。]
[0004] 半導体において使用するためのレーザ活性化相変化デバイスの別の実施形態は、カルコゲニド構造と、カルコゲニド構造上に形成された第１の金属堆積層内の少なくとも２つのパターン化された金属堆積と、パターン化された堆積間且つカルコゲニド構造上に、レーザによって描画される少なくとも１つの導電もしくは反射線と、を有する。本実施形態は、パターン化された金属堆積を含む、少なくとももう１つの金属堆積層をさらに備え得る。]
[0005] 本明細書に開示するレーザカルコゲニド相変化デバイスを活性化する方法は、例えば、ヒューズの１つ以上の特性に基づいて、レーザのレーザ条件を選択するステップと、閾値遷移温度を満たすまで、直接光子吸収によって、レーザでヒューズの相変化をプログラムするステップと、を含む。ヒューズの相変化は、非晶質状態から可逆的結晶状態への変化、または、結晶状態から可逆的非晶質状態への変化であり得る。開示される別の方法は、閾値遷移温度を上回ることによって、ヒューズの相変化をプログラムし、それによって、結晶状態から永久的非晶質状態へとヒューズを相変化させる。]
[0006] 半導体において使用するための相変化デバイスを活性化する方法の別の実施形態は、活性化を要する相変化デバイスを特定するステップを含み、当該相変化デバイスは、第１のパターン化された金属線および第２のパターン化された金属線を接続し、かつ層間誘電体とオーバヒューズ誘電体との間に位置付けられる、カルコゲニドヒューズである。当該ヒューズは、基板上に製造された能動半導体素子を相互接続する。当該方法は、相変化デバイスの特性に基づいて、レーザのレーザ条件を選択するステップと、相変化が生じるまで、直接光子吸収によって、レーザで相変化デバイスの相変化をプログラムするステップと、をさらに含む。]
図面の簡単な説明

[0007] 本明細書における説明は、添付の図面を参照し、図面において、同様の参照番号は、いくつかの図を通して、同様の部分を指す。
従来のレーザヒューズバンクに組み込まれる、レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態の平面図である。
方向Ａから見た点線に沿った図１Ａのレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態の断面図である。
方向Ａから見た点線に沿った図１Ａのレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態の断面図である。
方向Ａから見た点線に沿った図１Ａのレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態の断面図である。
方向Ａから見た点線に沿った図１Ａのレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態の断面図である。
図２Ａに対応する、レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態の３次元断面図である。
図２Ｂに対応する、レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態の３次元断面図である。
図２Ｃに対応する、レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態の３次元断面図である。
図２Ｄに対応する、レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態の３次元断面図である。
従来の「島」レーザヒューズバンクに組み込まれる、レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの第２の実施形態の平面図である。
点線に沿って、方向Ａから見た、図４の第２のレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化実施形態の断面図である。
点線に沿って、方向Ｂから見た、図４の第２のレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化実施形態の断面図である。
レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの第２の実施形態の３次元図である。
レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの第３の実施形態の平面図である。
同一の金属堆積層内の金属線を接続するための、水平面にレーザで描画された導電もしくは反射線を備える、図８Ａの平面図である。
図８Ａの３次元図である。
図８Ｂの３次元図である。
２つの金属堆積層間で金属線を接続するために、導電もしくは反射線が、水平および垂直面にレーザで描画される、レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの第４の実施形態の側面図である。
導電もしくは反射線を備えない図１０の３次元図である。
導電もしくは反射線を備える図１０の３次元図である。] 図１０ 図１Ａ 図２Ａ 図２Ｂ 図２Ｃ 図２Ｄ 図４ 図８Ａ 図８Ｂ
実施例

[0008] 本発明者らは、金属レーザヒューズの現在の使用に伴う、いくつかの問題に気付いた。レーザで導電ヒューズ材料を物理的に除去する従来のプロセスは、ヒューズ、ならびに周辺の材料および構造を、熱および機械的応力にさらす。この応力は、周辺の材料もしくは構造に損傷を与えるのに十分大きい可能性があり、チップを使用不可能にする欠陥をもたらす。つまり、従来のヒューズは、主に、金属合金またはサンドイッチ状の金属である。これらのヒューズは、１つのヒューズに印加されるエネルギーが隣接するヒューズにも当たらないように、十分に離間して配置しなければならない。金属は極めて導電的であり、かつ比較的大きな熱膨張係数を有することから、少量の加熱でさえも、周辺の誘電体の膨張および亀裂によって、金属レーザヒューズに損傷を与える。したがって、レーザヒューズのレイアウトは、最小の利用可能なレーザスポット直径によって制限される。金属レーザヒューズが、レーザスポットサイズのいずれかが、隣接するヒューズに当たるほど十分近くに配置される場合、隣接するヒューズは損傷を受ける。]
[0009] 別の欠点は、材料の破壊により、とばされたヒューズをさらに使用することができないということである。材料の破壊はまた、プロセス中にいくらかの量のレーザエネルギーがヒューズの下の領域に伝送され、これがその下のいずれかのデバイスに損傷を与える可能性があることから、下層のバスまたは他の相互接続の上へのレーザヒューズの配置を阻止する。これは、半導体のサイズの低減をさらに制限する。]
[0010] 本明細書の教示によると、レーザヒューズデバイスは、半導体基板またはウエハ上の空隙を、可能な限り効率的に使用することができるように、非破壊的に加工することができる。チップは、ヒューズを互いに近くに構成することによって、さらに小さく縮尺することができる。回路の能動および非能動素子の両方に、レーザヒューズデバイスを配置することが可能であることにより、所要の空隙を低減する。本明細書の教示によると、ヒューズ状態のリアルタイムプロセスフィードバックもまた可能である。
レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイス、および使用方法の実施形態を、本明細書において、添付の図面を参照しながら教示する。]
[0011] レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの第１の実施形態を、図１〜３に示す。図１は、半導体構築において利用される、典型的なヒューズバンクのレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイス１０の上面または平面図であり、ここで、相変化デバイスは、線状配置である。相変化デバイス１０は、単一の金属堆積層内のパターン化された金属線１４、１６間に配置され、層間誘電体１８とオーバヒューズまたは外層誘電体２０との間に位置付けられる。相変化デバイス１０は、基板２２上に製造された能動半導体素子を相互接続するように位置付けられる。各ヒューズバンクには、少なくとも１つの相変化デバイス１０があり、ここでは、平行に図示される。] 図１ 図１０ 図１１Ａ 図１１Ｂ 図２Ａ 図２Ｂ 図２Ｃ 図２Ｄ 図３Ａ 図３Ｂ
[0012] 図２Ａ〜２Ｄは、図１に示される、点線を横切り、矢印Ａの方向から見た、典型的なヒューズバンク内の相変化デバイス１０の断面図である。図２Ａ〜２Ｄに見られるとおり、相変化デバイス１０は、層間誘電体１８と外層誘電体２０との間に位置する。これらの層は、半導体製造のラインプロセスのバックエンドの間、シリコンウエハ等の基板２２上に形成される。] 図１ 図２Ａ 図２Ｂ 図２Ｃ 図２Ｄ
[0013] 本明細書で使用する際、半導体製造の一般的なフロントエンドプロセスは、例えば、ウエハ生産、ウエハ作製、熱酸化または熱蒸着、マスキング、エッチングおよびドーピングを包含する。これらのステップは、数回繰り返されてもよい。フロントエンドプロセスでは、能動デバイスを生産する。本明細書で使用する際、ラインプロセスの一般的なバックエンドは、誘電体堆積および金属化、不動態化、電気試験、ならびに単一チップおよび／またはチップのパッケージへの組立を含む。]
[0014] 図２Ａに示されるとおり、レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイス１０は、第１および第２のパターン化された金属線１４、１６間に線状に位置付けられる。相変化デバイス１０は、第１および第２のパターン化された金属線１４、１６間の間隙を埋める。金属線１４、１６および相変化デバイス１０の上側は外層誘電体２０である。金属線１４、１６および相変化デバイス１０の下側は層間誘電体１８である。これらのバックエンド層は、基板２２上に製造される。図２Ａに示されるとおり、相変化デバイス１０は、金属線１４、１６の同一の高さおよび幅でもって、第１および第２の金属線１４、１６間に全体として位置する。しかしながら、相変化デバイス１０が、同等の幅および高さを有することは必要ではない。代替的な実施形態を、図２Ｂ〜２Ｄに示す。] 図２Ａ 図２Ｂ 図２Ｃ 図２Ｄ
[0015] 図２Ｂは、相変化デバイス１０の配置における変形である。第１および第２の金属線１４、１６間ではなく、相変化デバイス１０は、パターン化された金属線１４、１６の端部９、１１の上部に定置し、端部９、１１の上を被覆し、第１および第２の金属線１４、１６間の間隙にまたがる。ここに示される任意選択の接着層５は、相変化デバイス１０のカルコゲニド材料と金属線１４、１６との間の任意の変形とともに使用され得る。層間誘電体１８、外層誘電体２０および基板２２は、図２Ａについて説明されるとおりに示される。] 図２Ａ 図２Ｂ
[0016] 図２Ｃに示される代替的な実施形態について、第１および第２のパターン化された金属線１４、１６は、相変化デバイス１０の縁部１３、１５に隣接し、相変化デバイス１０の下側に部分的に重なり合い、金属線１４、１６間の間隙を維持する。ここでも、図２Ｂに示される任意選択の接着層５が、相変化デバイス１０と第１および第２の金属線１４、１６との間に使用され得る。層間誘電体１８、外層誘電体２０および基板２２は、図２Ａについて説明されるとおりに示される。] 図２Ａ 図２Ｂ 図２Ｃ
[0017] 図２Ｄは、相変化デバイス１０の第２の実施形態の別の代替案である。この変形において、相変化デバイスは、第１および第２の金属線１４、１６間の間隙を埋め、さらに金属線１４、１６の端部９、１１の上部に重なり合い、第１および第２の金属線１４、１６間の間隙にまたがる。図示されていない任意選択の接着層が、相変化デバイス１０のカルコゲニド材料と金属線１４、１６との間に使用され得る。層間誘電体１８、外層誘電体２０および基板２２は、図２Ａについて説明されるとおりに示される。本明細書に記載する変形は、一層カルコゲニド相変化デバイスの非限定的な例である。] 図２Ａ 図２Ｄ
[0018] 図３Ａ〜３Ｄは、それぞれ、明確性のために、図面から層間誘電体１８、外層誘電体２０、および基板２２を省略した、図２Ａ〜２Ｄのレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化実施形態の変形を示す。
図４〜７は、本明細書において教示するレーザカルコゲニド相変化デバイスの第２の実施形態を説明する。図４は、半導体構築に利用される典型的な島ヒューズバンクにおけるレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの上面図である。] 図２Ａ 図２Ｂ 図２Ｃ 図２Ｄ 図３Ａ 図３Ｂ 図３Ｃ 図３Ｄ 図４ 図５
[0019] 図４は、島ヒューズバンクにおける相変化デバイス１０’の平面図である。島相変化デバイス１０’は、パターン化された金属線１４’、１６’が、層間誘電体１８の中にあり、相変化デバイス１０’の下にある状態で、外層誘電体２０の中に位置する。各相変化デバイス１０’は、図５および６に示される金属ビア２４によって、第１および第２の金属線１４’、１６’に接続される。図５は、矢印Ａの方向からの点線に沿った図４の断面図であり、一方、図６は、矢印Ｂの方向からの断面図である。図示のとおり、金属ビア２４は、相変化デバイス１０’の底端部から、層間誘電体１８を通って、各金属線１４’、１６’へ延在する。本構成は、第１および第２の金属線１４’、１６’間の間隙を、ビア２４および相変化デバイス１０’に効果的に接続する。少なくとも１つの相変化デバイス１０’が、ヒューズバンクが平行に示される状態で、各ヒューズバンクに利用される。相変化デバイスを伴う層間誘電体１８および外層誘電体２０は、半導体製造のラインプロセスのバックエンドの間に、シリコンウエハ等の基板２２上に形成される。] 図４ 図５ 図６
[0020] 図７は、明確性のため、３次元で、図６の断面図を説明する。相変化デバイスまたは金属線のビア２４の接点は、間隙が第１および第２の金属線間に存在する限り、特定の領域に制限されず、この間隙は、相変化デバイスによって効果的に閉鎖される。
図１〜７を参照して説明されるレーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスの実施形態は、例えば、チップ修復等の冗長応用におけるレーザ修復、ヒューズおよびアンチヒューズ、歩留まり強化、およびレーザトリミングのために、半導体デバイスをプログラムするために利用され得る。相変化デバイスの使用方法を以下に説明する。] 図１ 図２Ａ 図２Ｂ 図２Ｃ 図２Ｄ 図３Ａ 図３Ｂ 図３Ｃ 図３Ｄ 図４
[0021] 図８〜１１は、カルコゲニド相変化デバイスの第３の実施形態を説明する。図８Ａおよび８Ｂは、半導体の相互接続領域の単一の金属堆積層に組み込まれる、相変化デバイスの平面図である。当該デバイスは、上被誘電体不動態化層（図示せず）をさらに含み得る。図８Ａにおいて、複数のパターン化された金属堆積１１４は、１つのカルコゲニド相変化デバイス１１０と接触するように構成される。図８Ｂにおいて、レーザをデバイス１１０上で走査して、Ｘ−Ｙ平面内の任意の方向に導電もしくは反射線１２０を描画し、いずれか２つのパターン化された金属堆積１１４を接続させる。図８Ｂは、相変化デバイス１１０上にレーザによって描画されたかかる線１２０の実施例を図示する。明確性のため、図９Ａおよび９Ｂは、それぞれ、図８Ａおよび８Ｂの３次元の図示である。単純な線の描画に加え、導電性幾何パターンを、任意の２つの金属堆積１１４間で、レーザによって描画または消去することができる。] 図８Ａ 図８Ｂ 図９Ａ
[0022] 本実施形態は、図７Ａに示される２次元デバイスに制限されない。カルコゲニド相変化デバイスの第３の実施形態の変形を、図１０〜１１に示す。図１０は、２つの金属堆積層に組み込まれるカルコゲニド相変化デバイス１１０の断面図である。図１０に示されるとおり、パターン化された金属堆積１１４は、１つの金属堆積層内に構成される一方、パターン化された金属堆積１１６は、第２の金属堆積層内に構成される。レーザ１５０を使用して、カルコゲニド相変化デバイス１１０内に、垂直ならびに水平方向の導電もしくは反射線１２０を描画する。レーザ１５０は、材料の内部深くに焦点を当てることによって、相変化デバイス１１０を貫通する。また、これらの線１２０は、レーザ１５０によって消去され、非導電性もしくは非反射性にすることもできる。] 図１０ 図１１Ａ 図１１Ｂ 図７Ａ
[0023] 図１１Ａおよび１１Ｂは、２つの金属堆積層内のパターン化された金属堆積１１４、１１６を接続するように構成される、カルコゲニド相変化デバイス１１０を３次元で図示する。図１１Ｂは、導電もしくは反射線１２０がカルコゲニドデバイス１１０内に垂直または水平方向の両方に描画された後の、相変化デバイス１１０を示す。金属堆積層および相変化デバイスは、半導体のラインプロセスのバックエンドの間に、シリコンウエハ等の基板１２２上に形成される。] 図１１Ａ 図１１Ｂ
[0024] 単純な線の描画に加え、らせん等の導電性幾何パターンを、任意の２つの金属堆積１１４、１１６間で、レーザによって描画または消去することができることが企図される。さらに、当該デバイスは、２つの金属堆積層に制限されない。３つ以上の層が企図される。本プロセスは、多光子または２次プロセスを生かすことによって強化され得る。さらに、超高速レーザの使用が、かかる描画または消去に企図される。]
[0025] 相変化デバイス１０、１０’、１１０は、カルコゲニド相変化材料から構築される。カルコゲニドは、硫黄、セレン、またはテルル等の周期表の第１６族からの元素、および少なくとももう１つの陽性元素を含有する化合物である。相変化特性を有するカルコゲニド材料の例としては、ＧｅＳｂＴｅ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＳｂＴｅ、（ＧｅＳｎ）ＳｂＴｅ、ＩｎＳｅ、ＧａＳｅＴｅ、ＧｅＳｂ（ＳｅＴｅ）、ＳｂＴｅ、ＳｎＳｂＴｅ、ＴｅＧｅＳｂＳ、ＧｅＴｅ、およびＩｎＳｂＧｅが挙げられる。カルコゲニドは既知であり、例えば、データ保存において使用されている。
カルコゲニド相変化材料は、ラインプロセスのバックエンドで塗布され得、物理蒸着によって、レーザ機械ツールを用いて塗布され得る。カルコゲニド材料を塗布するための他の非限定的な方法としては、スタンピング、インクジェット、またはスピンコーティング等の湿式化学法が挙げられる。]
[0026] レーザプログラム可能なカルコゲニド相変化デバイスは、作製されたシリコンウエハ等の能動半導体素子を含むフロントエンド層を提供することによって、製造される。フロントエンド層の能動素子の各々は、パターン化された金属線と相互接続され、少なくとも１つの層間誘電体が、フロントエンド層上、および金属線周辺に堆積される。相変化デバイスは、デバイスのどの実施形態が製造されているかに応じて、少なくとも２つのパターン化された金属線に接触するように位置付けられる。相変化デバイスは、第１および第２のパターン化された金属線間に線状に位置付けられ得るか、または、島デバイスとして位置付けられる。相変化デバイスの位置に応じて、接着層が使用され得る。任意選択で、相変化デバイスは、複数の金属堆積層内の複数のパターン化された金属堆積と接触し得る。オーバヒューズまたは外層誘電体または誘電体不動態化層は、頂上部に堆積され得る。複数の層間誘電体および金属堆積が、基板上に形成され得ることを理解されたい。既知の金属ヒューズとは異なり、相変化デバイスは、デバイスの非破壊的使用により、基板の能動素子上に位置付けられ得る。]
[0027] 一例として、フロントエンド層に使用される基板２２、１２２は、典型的に多結晶シリコンのウエハである。当該シリコンは、例えば、リン、ヒ素、ホウ素またはガリウムでドーピングされ得る。また、当該技術分野で既知の他の材料も、基板として使用してもよい。パターン化された金属線および堆積１４、１６（１４’、１６’、１１４、１１６）を形成するために使用される金属は、例えば、アルミニウム、銅またはタングステンのうちの１つである。金属ビア２４は、典型的にはタングステンであるが、他の好適な材料であってもよい。層間誘電体１８は、典型的には二酸化ケイ素であるが、他の絶縁体で構成されてもよい。１つの層間誘電体のみを図面で説明しているが、２つ以上の層の使用が企図される。相変化デバイス１０、１０’、１１０は、上に述べる組成を有するカルコゲニド材料である。最後に、外層誘電体２０もまた、典型的には二酸化ケイ素であるが、当該技術分野で既知の別の不動態化剤であってもよい。任意選択の接着層（図示せず）は、例えば、クロム、アルミニウム、チタン、窒化チタン、タングステン、ならびにアミンおよびカルボニル官能基を含有する有機自己集合単分子層であってもよい。]
[0028] 一般に、基板２２の厚さは、１００μｍを上回る。層間誘電体１８は、典型的に、０．２〜１０μｍの範囲の厚さである一方、外層誘電体２０は、典型的に、０〜１０μｍの範囲である。図１〜３に示されるパターン化された金属線１４、１６は、２００〜１５００ｎｍの典型的な厚さを有する。図４〜７のパターン化された金属線１４’、１６’もまた、２００〜１５００ｎｍの典型的な厚さを有する。最後に、相変化デバイスは、１００〜２００ｎｍの範囲の厚さを有する。これらの厚さは例示的なものであり、制限を意味するものではない。] 図１ 図１０ 図１１Ａ 図１１Ｂ 図２Ａ 図２Ｂ 図２Ｃ 図２Ｄ 図３Ａ 図３Ｂ
[0029] レーザカルコゲニド相変化デバイスを活性化する方法も開示する。当該方法は、非破壊的プロセスを提供し、半導体基板またはウエハ上の空隙が可能な限り効率的に使用することを可能にする。
レーザカルコゲニド相変化デバイスを活性化する方法の一実施形態は、カルコゲニドデバイスの少なくとも１つの特性に基づいて、レーザ条件を選択するステップと、閾値遷移温度を満たすまで、直接光子吸収によってレーザでデバイス内の相変化をプログラムするステップと、を含む。本実施形態を以下に詳細に説明する。]
[0030] 当該方法はまず、「レーザ条件」の選択を含む。本明細書で使用する場合、「レーザ条件」とは、特定のレーザ波長、パルスエネルギー、スポットサイズ、焦点オフセットの位置、パルス幅、パルス立ち上がり時間、一時的なパルス形状および空間パルス形状を有する、１つ以上のレーザパルスとして定義される。相変化デバイスを加工するための適切なレーザ条件の選択において、これらのパラメータのうちの１つ以上は、使用されるカルコゲニド材料、およびその特性、デバイスの設計、それが使用される構造、および所望の結果に応じて、変動または最適化され得る。例えば、デバイスの光学的吸収特性は、使用されるカルコゲニド材料に応じて変動し得る。デバイスの他の特性は、例えば、外層誘電体の深さ、および相変化デバイス自体の厚さに依存し得る。活性化方法に使用されるレーザの非限定的な例は、レーザスポットサイズの高温の中心部分を有効利用するように、非平坦な空間プロファイル、例えば、ガウス形状またはローレンツ形状を有する。]
[0031] レーザ条件の選択は、相変化材料がレーザエネルギーおよび熱を吸収する能力に一部依存する。レーザエネルギーを吸収する能力という、この特性は、カルコゲニド材料の温度依存性吸収係数によって一部説明することができる。他の考慮事項としては、多光子相互作用等の、レーザと材料と間で生じ得る、追加の「非線形」加熱効果、ならびにデバイス材料層、および吸収の効率性を増減し得る組成による効果が挙げられる。本明細書で使用する場合、吸収係数「ｋ」は、複素屈折率の虚数部として定義される。]
[0032] レーザ条件の選択はまた、所望の相変化結果に依存する。選択されたレーザ条件に応じて、カルコゲニド材料の非晶質および結晶相は、異なる「ｋ」値を有し得る。所与のレーザ条件で一貫した結果を達成するために、必然的ではないが、活性化されるカルコゲニド材料の非晶質および結晶状態の両方で、同様の「ｋ」値を有するレーザ波長を選択することが、好都合であろう。例えば、文献は、室温でのＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５に関し、非晶質および結晶状態の「ｋ」値が、約６５０ｎｍ以下の波長で集中し始め、約３５５〜約２６６ｎｍの領域で重なり合い始めることを報告している（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ，ＯＤＳ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｉｇｅｓｔ， Ａｐｒｉｌ １９９７， ｐｐ． １０４、Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ．， ｖｏｌ． ６７４， ２００１， ｐｐ． ｖｌ．ｌ）。具体的には、３５５〜２６６ｎｍの領域において、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５材料の結晶および非晶質状態の両方の「ｋ」値は、約２．０〜２．５の領域内である。したがって、所望の結果が、結晶状態と非晶質状態との間、またはその反対で、逆転する可逆的レーザヒューズに対するものであった場合、ほぼ同一のレーザ条件を使用して、結晶または非晶質相のいずれかに変換することができるように、２００ｎｍ〜６５０ｎｍの領域内のレーザ波長を使用することが望ましいであろう。これにより、条件を選択した後、特定のカルコゲニド相変化デバイスの相に基づいてレーザ条件を変更する必要性を排除する。]
[0033] カルコゲニドデバイスの所望の相変化は、閾値遷移温度を満たすまで、直接光子吸収によって、選択されたレーザ条件の下で動作されるレーザを用いてプログラムされる。この遷移温度は、使用されるカルコゲニド材料、および所望の結果として得られる相に依存する。カルコゲニドヒューズデバイスのプログラミングは、選択されるレーザ条件を制御することによって行われる。より広いパルス幅を有する、より低いエネルギーレーザパルスを使用して、材料を、結晶相遷移温度より上であるが、材料の融点よりも下にゆっくりと加熱することによって、カルコゲニド材料を結晶化することができる。より高いエネルギーパルスおよびより短いパルス幅を使用して、材料をその融点付近まで加熱し、導電結晶状態を非導電非晶質状態に「無作為化」させることができる。第３の相変化結果もまた可能である。また、カルコゲニド相変化デバイスは、「永久的に非導電」の状態に活性化することもできる。永久的に非導電状態は、金属ヒューズが現在加工されている方法と同様の様態で、カルコゲニドヒューズを蒸発または除去した結果である。]
[0034] 実際、ヒューズが、例えば、活性化または非活性化されているかどうかに依存して、レーザ条件は、カルコゲニド材料を、材料が結晶化し始める温度、または結晶構造が融解する温度まで加熱するように選択しなければならない。ここでも、例としてＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５を使用すると、結晶化相遷移温度は、約１５０〜約１７０℃で開始し、融点は、約６４０℃である。（Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ．， ｖｏｌ． ９１８， ２００６， ｐｐ． ０９１８−Ｈ０８−０４、Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ．， ｖｏｌ． ８０３， ２００４， ｐｐ． ＨＨ２．１．１）。例えば、非晶質Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５材料を１５０〜１７０℃以上に加熱することによって、１０−３Ω−１ｃｍ−１〜１０３Ω−１ｃｍ−１といった材料の伝導性の程度の数桁の変化をもたらす（Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ．， ｖｏｌ． ８０３， ２００４， ｐｐ． ＨＨ２．１．１）。]
[0035] 半導体において使用される相変化デバイスに関して上に詳述される方法の別の実施形態は、適切な波長の選択の前、または直後に、追加のステップを含む。このステップは、半導体内において活性化または非活性化を要する１つ以上の相変化デバイスの特定を含む。当該特定は、例えば、ウエハ上の欠陥のあるチップを判定し、その情報をレーザ修復システムに送信するテスタによって行われ得る。ここでも、レーザのレーザ条件は、特定ステップの前または後のいずれかで、上に開示する相変化デバイスの特性に基づいて選択される。レーザは、上記のデバイスを加熱し、所望の結果として得られる相変化が生じるまで、直接光子吸収によって、レーザを用いて相変化デバイスの相変化をプログラムする。]
[0036] レーザカルコゲニド相変化ヒューズには、これらのヒューズを、従来の金属ヒューズと比較して、コンピュータチップ上のより小さな領域に配置することを可能にする、潜在的効果がある。金属レーザヒューズは、レーザビームスポットのどの部分も、加工中、隣接するヒューズに重なり合わないように、十分に離間して配置しなければならない。少量の重なり合いまたは漂遊エネルギーでさえも、隣接する金属ヒューズを加熱し、結果として生じた熱膨張が、周辺の誘電体材料を亀裂させる。これらの結果として生じた亀裂は、ヒューズ構造を弱化させ、ヒューズを加工不可能なものにし得る。しかしながら、カルコゲニドヒューズは、金属ヒューズと比較して、より低い熱膨張係数を有する。例えば、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５は、典型的に金属ヒューズに使用されるアルミニウムの２３×１０−６／℃と比較して、２〜７×１０−６／℃の熱膨張係数を有する。これは、レーザカルコゲニド相変化ヒューズが、周辺の誘電体の損傷または亀裂を心配することなく、漂遊レーザエネルギーからいくらかの量の加熱を受け得ることを示唆する。したがって、カルコゲニドレーザヒューズは、レーザスポットサイズの１／２の幅よりも相互により近く配置され得る。レーザカルコゲニドヒューズの加工は、付近の隣接するヒューズ（複数を含む）に、小さいが影響を及ぼさない量のレーザエネルギーをもたらす。加工されているカルコゲニドヒューズは、レーザスポットサイズの最も高温の部分を受け、必要に応じて活性化または非活性化され、隣接するヒューズ（複数を含む）は、プロセス中、いくらかのエネルギーを受けるが、これらのヒューズにおける変化または損傷をプログラムするには十分ではない。最後に、２６６〜３５５ｎｍのＵＶ領域は、著しく小さな回折限界スポットサイズの追加の利点を提供し、カルコゲニドヒューズを最も小さい可能な寸法に構築することを可能にする。]
[0037] 活性化方法の実施形態は、微調整またはトリミングのために使用され得、相変化デバイスの活性化により、チップ電圧の調節等の半導体デバイスの何らかの電気特性の調節を可能にする。当該実施形態は、冗長修復用途にも利用され得、活性化プロセスは、不良半導体デバイス素子を、機能している代用物と置き換えるために使用される。このプログラミング用途は、そのアドレスを冗長素子の復号器に符号化することによって、欠陥のある素子を除去する。レーザ相変化カルコゲニドデバイスのレーザ活性化の他の使用が企図される。]
[0038] デバイスの破壊、および周辺への損傷が発生しないので、能動および非能動素子の両方を、レーザ相変化デバイスの下に直接設置することができる。
回路の能動および非能動素子の両方の上へのレーザ相変化デバイスの配置を可能にすることによっても、所要の空隙を低減する。さらに、レーザ相変化カルコゲニドデバイスの可逆的プロセスは、開示する活性化方法、ならびにヒューズ状態のリアルタイムプロセスフィードバックについて可能である。]
[0039] 本発明を、特定の実施形態に関連して説明したが、本発明は、開示される実施形態に制限されず、それどころか、添付の請求項の範囲内に含まれる種々の修正および同等の配設を対象とすることが意図され、当該範囲は、法の下で許容される、すべてのかかる修正および同等の構造を包含するように、最も広範な解釈に一致することが企図される。]

权利要求:

請求項1
集積回路において使用するためのレーザ活性化相変化デバイスであって、金属堆積層内のパターン化された金属線間に接続され、かつ層間誘電体とオーバヒューズ誘電体との間に位置付けられる、半導体デバイスに構成される、カルコゲニドヒューズを備え、前記ヒューズは、基板上に製造される能動半導体素子を相互接続する、レーザ活性化相変化デバイス。
請求項2
前記ヒューズと前記パターン化された金属線との間の接着層をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
請求項3
前記ヒューズは、前記パターン化された金属線間の間隙を埋めるように構成される、請求項１または請求項２に記載のデバイス。
請求項4
前記ヒューズは、前記パターン化された金属線間の間隙にまたがるように、前記金属堆積層内の前記パターン化された金属線の端部の一部の上に層化される、請求項１または請求項２に記載のデバイス。
請求項5
前記ヒューズは、相互接続ビアを使用して、前記金属堆積層内に垂直に、パターン化された金属線を接続する、請求項１に記載のデバイス。
請求項6
前記ヒューズと、前記パターン化された金属線および前記相互接続ビアのいずれか、または両方との間の、接着層をさらに備える、請求項５に記載のデバイス。
請求項7
半導体において使用するためのレーザ活性化相変化デバイスであって、カルコゲニド構造と、前記カルコゲニド構造上に形成された第１の金属堆積層内の少なくとも２つのパターン化された金属堆積と、前記パターン化された金属堆積間且つ前記カルコゲニド構造上に、レーザによって描画される、少なくとも１つの導電または反射線であって、前記構造は、基板上に製造された能動半導体素子を相互接続する、導電または反射線と、を備える、レーザ活性化相変化デバイス。
請求項8
前記導電または反射線は、レーザによって消去される、請求項７に記載のデバイス。
請求項9
第２の金属堆積層内に少なくとも２つのパターン化された金属堆積をさらに備え、レーザによって描画される前記導電または反射線は、前記第１および第２の堆積層の前記パターン化された金属堆積間且つ前記カルコゲニド構造内にある、請求項７または請求項８に記載のデバイス。
請求項10
半導体において使用するための相変化デバイスを活性化する方法であって、活性化を要する相変化デバイスの少なくとも１つの特性に基づいて、レーザのレーザ条件を選択するステップであって、前記相変化デバイスは、第１のパターン化された金属線および第２のパターン化された金属線に接続し、層間誘電体とオーバヒューズ誘電体との間に位置付けられる、カルコゲニドヒューズであって、前記ヒューズは、基板上に製造された能動半導体素子を相互接続する、ステップと、相変化が生じるまで、直接光子吸収によって前記レーザで、前記相変化デバイスの相変化をプログラムするステップと、を含む方法。
請求項11
前記レーザ条件は、レーザ波長を含み、前記特性は、吸収係数である、請求項１０に記載の方法。
請求項12
前記相変化は、非晶質状態から可逆的結晶状態への変化、結晶状態から可逆的非晶質状態への変化、および／または結晶状態から永久的非晶質状態への変化である、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
請求項13
前記レーザの中心の最も高温の部分のみが、前記相変化をプログラムする、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
請求項14
前記相変化デバイスの前記相変化をプログラムするステップは、前記相変化が、結晶状態から永久的非晶質状態となるように、閾値遷移温度を上回る、請求項１１に記載の方法。
請求項15
前記閾値遷移温度は、１５０℃〜１７０℃であり、前記カルコゲニドヒューズは、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５であり、前記レーザ波長は、２００ｎｍ〜６５０ｎｍである、請求項１１または請求項１４に記載の方法。
請求項16
活性化を要する前記相変化デバイスを特定するステップをさらに含む、請求項１０または請求項１１に記載の方法。