JP2004517496A - 自己不動態化Ｃｕレーザーヒューズ - Google Patents

Abstract

本発明は、集積回路構造において、酸化および腐食に対する抵抗、および、活性化したレーザーによってヒューズが飛んだ後の、Ｃｕとメタライゼーション配線との境界面、および、Ｃｕと誘電キャップとの境界面の接着力を向上させることを特徴とする、自己不動態化Ｃｕレーザーヒューズの改善に関するものである。このヒューズは、メタライゼーション配線と、上記メタライゼーション配線と、Ｃｕ合金種層とＣｕ単体層との組み合わせとを分離する下地膜と、上記下地膜を取り囲む誘電体と、上記下地膜を取り囲む上記誘電体、上記下地膜、上記Ｃｕ合金種層とＣｕ単体層の組み合わせの上方に配置された誘電キャップと、を含んでいる。
レーザーが活性化した後に、上記レーザーヒューズには、（ａ）開口Ｃｕヒューズ表面上、および、（ｂ）（ｉ）Ｃｕ合金種層と、下地膜と、誘電体との境界面と、（ｉｉ）Ｃｕ単体層と誘電キャップとの境界面とに、不動態化領域が形成されることを特徴としている。

Description

〔発明の背景〕
１．発明の分野
本発明は、Ｃｕ合金、および、Ｃｕ／低ｋ集積方式（「低ｋ」＝「低誘電率」：Ｃｕ ／ ｌｏｗ ｋ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ）を規定するアニール工程を用いることによって形成された集積回路または半導体デバイスに備えられた、自己不動態化Ｃｕレーザーヒューズに関するものである。これらの自己不動態化Ｃｕ材料は、ＣｕとＣｕとのワイヤボンディングに用いられてもよい。
【０００１】
２．関連技術の説明
半導体の一部として用いられるレーザーヒューズの技術に関して、現時点での技術水準では、Ｃｕ単体のヒューズを使用できる。しかし、その使用によって、ヒューズは、ヒューズが飛んでＣｕが大気にさらされた直後に、非常に腐食・酸化しやすい。
【０００２】
それにもかかわらず、銅酸化物集積方式を用いて、ヒューズの画期的なレイアウトおよび設計を行う（つまり、２本の棒（Ｗ−ｂａｒｓ）の上にヒューズの端部が位置し、ヒューズのＣｕ特性によってＣｕ酸化および腐食を抑制する）ことによって、上記問題を回避できる。
【０００３】
この画期的なレイアウトおよびデザインアのやり方（ｄｅｓｉｇｎ ａｐｐｒｏａｃｈ）は、Ｃｕ／低ｋメタライゼーション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）を用いて実現することができない。なぜなら、標準的な低ｋ領域での水分および酸素の拡散率が高いからである。この理由のゆえに、ダマシン特性（ｄａｍａｓｃｅｎｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ）の側壁に対する下地膜の接着性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）が弱いので、Ｃｕヒューズに近接するＣｕ配線の腐食が進んでしまう。
【０００４】
（ヒューズが飛んでＣｕが大気にさらされた直後に、非常に腐食・酸化しやすい）Ｃｕ単体を用いる代わりに、現時点での技術水準での方法（ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ａｒｔ ａｐｐｒｏａｃｈ）に対する代替案は、Ｃｕメタライゼーションの上にＡｌヒューズを用いることである。しかし、この代替的な方法では、製造プロセスにおいて付加的な多くのステップが必要なので、コストがかかる。
【０００５】
アメリカ特許明細書５，７４７，８６８には、以下を含んだ半導体デバイス用のレーザー可融性爪構造（ｌａｓｅｒ ｆｕｓｉｂｌｅ ｌｉｎｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が開示されている。この構造は、長さ方向に沿って伸びる爪長と、幅方向に沿って伸びる爪幅とを備えた複数のレーザー可融性爪と、；上記レーザー可融性爪を等角で被覆する（ｃｏｎｆｏｒｍａｌｌｙ ｃｏｖｅｒｉｎｇ）第１誘電層と、；各レーザー可融性爪用に、その上方に垂直に調整された第１誘電層に配置されたエッチマスク部材とを備え、各エッチマスク部材は、長さ方向に伸びるマスク長と、幅方向に伸びるマスク幅とを有している。マスク幅は、各可融性爪の爪幅よりも大きいか、あるいは、爪幅に等しく、レーザーの最小スポットサイズよりも小さいか、あるいは、そのサイズに等しく、；さらにこの構造は、幅方向にエッチングマスクの部分を超えて長さ方向に伸びている窓の外周（ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ）を超えて伸びるエッチマスク部材を備えている。
【０００６】
アメリカ特許明細書第５，９８６，３１９号には、集積回路の能動回路の上方に形成されたレーザーヒューズ構造が開示されている。この集積回路は、：能動回路と、；能動回路を覆う第１絶縁層と、；少なくとも１つのヒューズを含んだ、第１絶縁層上の金属ヒューズ層と、；少なくとも１つのヒューズの下に位置する第１多重金属（ｍｕｌｔｉ−ｍｅｔａｌ）保護層と、；第１多重金属保護層と、少なくとも１つのヒューズとの間に位置する第２絶縁層と、；第１多重金属保護層の下に位置する第２多重金属保護層と、；第２多重金属保護層上の第３絶縁層とを含んでいる。
【０００７】
そして、上記少なくとも１つのヒューズは、それを形成するために用いられる輻射エネルギーのビーム領域が能動回路と重なり合うように位置する、輻射エネルギーを配置できるヒューズである。
【０００８】
また、上記第１多重金属保護層は、少なくとも１つのヒューズに直接影響を与えずに、輻射エネルギーから能動回路を保護するには十分に大きい。
【０００９】
また、上記第１および第２多重金属保護層は、少なくとも１つのヒューズに直接影響を与えずに、輻射エネルギーから能動回路を保護するには十分に大きい。
【００１０】
また、上記第３絶縁層は、第１多重金属保護層と第２多重金属保護層との間に配置されている。
【００１１】
アメリカ特許明細書第５，６２２，６０８号には、基板上に抗酸化性で導電性のＣｕ層を形成し、次にアニールを行うプロセスが開示されている。アニール工程では、アニールによって、Ｃｕ層の表面に金属酸化物層を供給する。
【００１２】
超小型電子アプリケーションのために不動態化されたＣｕ導電層が、アメリカ特許明細書第６，０５７，２２３号に開示されている。この明細書では、形成されたＣｕ導体が、超小型電子デバイス内の一部品として含まれている。また、この導体は超小型電子基板の表面に金属層を形成し、金属層上にＣｕ層を形成し、金属およびＣｕ層をアニールすることによって形成される。アニール工程では、拡散金属によって保護金属酸化物が形成されるＣｕ層の表面において、Ｃｕ層を介して金属層を拡散すると考えられている。この結果、金属酸化物層は、Ｃｕ層を不動態化する。
【００１３】
この半導体製造方法では、集積回路の不良部分を冗長部分と置き換える冗長方式（ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｓｃｈｅｍｅｓ）を実施するために、デバイスが製造された後に半導体デバイスの駆動を効果的に変更できるように、レーザーヒューズが半導体の一部分を構成している。また、この半導体製造方法においてＣｕレーザーヒューズを用いる場合には、レーザーエネルギーによってヒューズが飛んでＣｕが大気にさらされた直後に腐食および酸化を防止する必要がある。
【００１４】
〔発明の概要〕
本発明の一つの目的は、レーザーによって刺激を受ける（ｅｎｅｒｇｉｚｉｎｇ）ことでヒューズが飛んだ直後に腐食の影響を受けない銅を含むレーザーヒューズを構成部材として備える半導体デバイスを提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、レーザーエネルギーによってヒューズが飛んで銅が大気にさらされた直後に、酸化の影響を受けない銅を含むレーザーヒューズを構成部材として備える半導体デバイスを提供することにある。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、レーザーエネルギーによってヒューズが飛んでＣｕが大気にさらされるとき、Ｃｕ特性におけるＣｕ酸化および腐食を抑制するために、２本の棒（Ｗ−ｂａｒｓ）の上（頂点）にヒューズの端部を配する必要のない銅を含むレーザーヒューズを構成部材として備える半導体デバイスを提供することにある。
【００１７】
本発明のさらに他の目的は、（ダマシン特性の側壁に対する下地膜の接着性が弱いために、）Ｃｕヒューズの腐食は、通常近接しているＣｕ配線へと進み、かつ、レーザーエネルギーによって（ｕｐｏｎ ｓｕｂｊｅｃｔｉｏｎ ｔｏ）Ｃｕヒューズの腐食および酸化を防止させるＣｕ／低ｋメタライゼーション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｓ）を含むレーザーヒューズを、構成部材として備えた半導体デバイスを提供することにある。
【００１８】
本発明に基づいて、レーザーエネルギーによってヒューズが飛んだ直後の、半導体のＣｕレーザーヒューズ部分の腐食・酸化の防止が、ヒューズを遮断するか、あるいは飛ばすためのレーザーエネルギーを駆動した（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）後、下地膜と誘電キャップとの間のＣｕ合金を不動態化することによって回避される。さらに、その腐食・酸化は、開口Ｃｕレーザーヒューズ領域の上、および、周囲の金属下地膜と誘電拡散障壁とのＣｕ境界面に、自己不動態化ドーパントリッチ層（ｓｅｌｆ−ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｄｏｐａｎｔ ｒｉｃｈ ｌａｙｅｒ）を提供するアニール工程によって、回避される。
【００１９】
〔図面の簡単な説明〕
図１は、銅合金を含むレーザーヒューズ部（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含んだ半導体デバイスを示す図である。図２は、自己不動態化されたＣｕ表面、および、腐食・酸化を防止するための金属下地膜と誘電キャップ層との境界面を形成するアニール工程を、ヒューズの飛んだＣｕ合金に対して行うことによって形成された不動態化レーザーヒューズ部を含んだ本発明の半導体デバイスを示す図である。
【００２０】
〔好ましい実施形態の詳細な説明〕
通常、本発明では、半導体デバイスのＣｕを含む、レーザーヒューズ部は、次のプロセス順序によって形成される。
【００２１】
（１）ヒューズを形成するために、誘電体に（デュアル）ダマシン構造をパターン化する。
【００２２】
（２）ＰＶＤ、ＣＶＤ、無電解等で金属下地膜を蒸着する（このステップは、最適なＣｕ合金を用いることによって任意選択されてもよい）。
【００２３】
（３）最終的にＣｕを充填するために、Ｃｕ合金の種層（ｓｅｅｄ−ｌａｙｅｒ）を、ＰＶＤまたはＣＶＤまたは他の知られている方法で蒸着する。
【００２４】
（４）電気めっき、ＣＶＤ、無電解、ＰＶＤまたは他の知られている方法で、ダマシン構造にＣｕ単体を充填する。
【００２５】
（５）低抵抗Ｃｕ膜（大きいＣｕ粒子（ｇｒａｉｎｓ））を形成するために、低温（＜２００ Ｃ）で、ＣＭＰを行う前に（ｐｒｅ−ＣＭＰ）アニールする（しかし、Ｃｕ合金のドーパントの外への拡散は、ここではまだ行わない。）。
【００２６】
（６）下地膜のＣＭＰに続いて、充填し過ぎたＣｕをＣｕ−ＣＭＰによって除去する。
【００２７】
（７）Ｃｕ拡散障壁、Ｓｉ窒化物、ブロック（Ｂｌｏｋ）、または他の知られている方法で、誘電キャップ層を蒸着する。
【００２８】
（８）最終不動態化層（ｆｉｎａｌ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）（酸化物／窒化物、または、それらの組み合わせ）、または、従来から知られている他の誘電層を蒸着する。
【００２９】
（９）ポリイミド、または、感光性のポリイミド（ＰＳＰ）層を任意で蒸着する。
【００３０】
（１０）誘電キャップ層または最終不動態化層を、公知のリソグラフィー＋エッチプロセスを用いてレーザーヒューズの上で薄膜化する。
【００３１】
（１１）金属ヒューズをレーザーによって飛ばす（ヒューズプロセスの間、クレーターが、飛んだＣｕヒューズの近接領域に形成される。Ｃｕヒューズの２つの端部が、このとき大気にさらされる。）。
【００３２】
（１２）開口Ｃｕヒューズ表面と、さらに金属下地膜および／または誘電キャップ層に対する境界面とに、自己不動態化層を形成するために、（不活性雰囲気において、）２５０℃〜４５０℃の温度で接着したチップをアニールする。自己不動態化層は、酸化および腐食から、開口端部とＣｕヒューズの内蔵部分とを保護する。
【００３３】
参考に、図１を示す。図１は、Ｃｕレーザーヒューズ１０を含んだ半導体デバイスを示している。このＣｕレーザーヒューズ１０は、金属線１３と境を接する下地膜１２上に配置されたＣｕ合金１１を含んでいる。このＣｕレーザーヒューズは、誘電体１４と誘電キャップ１５との間に配置されている。ヒューズを飛ばすために意図されたレーザーエネルギー１６は、まだ加えられていない。
【００３４】
図２から分かるように、活性化しているレーザーによってＣｕ合金レーザーヒューズが飛んだ後、ヒューズクレーター２０が形成され、その後、開口Ｃｕレーザーヒューズ領域上、および、周囲の金属下地膜と誘電拡散障壁とのＣｕ境界面に自己不動態化ドーパントリッチ層を形成するために、アニールが行われる。周囲の金属下地膜と誘電拡散障壁との自己不動態化ドーパントリッチＣｕ境界面は、Ｘによって示され、Ｘによって規定された境界の範囲内が、Ｃｕ１６である。このドーパントリッチ自己不動態化層は、ヒロック構造をしておらず、腐食、酸化、および、半導体デバイス領域の外へのＣｕの拡散から、Ｃｕを保護する。
【００３５】
通常、Ｃｕ合金は、Ｃｕ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｌｉ、および、他のよく知られたＣｕ合金であってもよいし、Ｃｕ合金中の他の成分由来の非Ｃｕドーピング材料の濃度は、Ｃｕ合金重量の０．１〜５．０％の範囲である。
【００３６】
この自己不動態化Ｃｕヒューズは、Ｃｕ／低ｋ集積方式およびＣｕとＣｕとのワイヤボンディングに用いられるときに、特に重要である。
【００３７】
Ｃｕ単体が用いられる近年の技術的水準では、ヒューズが飛んで銅が大気にさらされた直後に、Ｃｕは腐食および酸化の影響を強く受ける。そのような技術的水準では、Ｃｕ酸化物集積方式は、ヒューズのレイアウトおよび設計を改善して利用することによって回避される。（言い換えると、２本の棒（Ｗ−ｂａｒｓ）の頂点にヒューズの端部が位置することによって、ヒューズのＣｕ特性によるＣｕの酸化および腐食を防止する）。しかし、標準的な低ｋ材料中の蒸気および酸素の拡散率は高いので、レイアウト方法を用いたこの設計（ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｏｕｎｄ ｌａｙｏｕｔ ａｐｐｒｏａｃｈ）は、Ｃｕ／低ｋメタライゼーション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｓ）に利用できない。
【００３８】
さらに、標準的なＣｕ／低ｋメタライゼーション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｓ）の場合、Ｃｕヒューズの腐食は、ダマシン特性の側壁に対する下地膜の接着性が弱いので、Ｃｕヒューズに近接するＣｕ配線の腐食が進んでしまう。
【００３９】
代表的な実施形態および詳述を、本発明の好ましい実施形態を説明するために示したが、開示した本発明の様々な変更が、特許請求の範囲に規定した本発明の範囲から逸れていないということは、当業者にとって明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
銅合金を含むレーザーヒューズ部を含んだ半導体デバイスを示す図である。
【図２】
自己不動態化されたＣｕ表面、および、腐食・酸化を防止するための金属下地膜と誘電キャップ層との境界面を形成するアニール工程を、ヒューズの飛んだＣｕ合金に対して行うことによって形成された不動態化レーザーヒューズ部を含んだ本発明の半導体デバイスを示す図である。

Claims (15)

1. 自己不動態化Ｃｕレーザーヒューズの改善された集積回路構造において、酸化および腐食に対する抵抗によって特徴付けられ、また、活性化したレーザーによってヒューズが飛んだ後の、Ｃｕとメタライゼーション配線との境界面、および、Ｃｕと誘電キャップとの境界面の接着力を向上させることを特徴とし、
   上記ヒューズは、
   メタライゼーション配線と、
   上記メタライゼーション配線とＣｕ合金種層およびＣｕ単体層の組み合わせとを分離する下地膜と、
   上記下地膜を取り囲む誘電体と、
   上記下地膜を取り囲む上記誘電体、上記下地膜、上記Ｃｕ合金種層およびＣｕ単体層の組み合わせの上方に配置された誘電キャップと、を含み、
   レーザーが活性化した後に、上記レーザーヒューズには、
   （ａ）開口Ｃｕヒューズ表面上、および、
   （ｂ）（ｉ）Ｃｕ合金種層と、下地膜と、誘電体との境界面と、
   （ｉｉ）Ｃｕ単体層と誘電キャップとの境界面とに、
   不動態化領域が形成されることを特徴とする集積回路構造。
2. 酸化物、窒化物、または、窒化物の組み合わせからなる不動態化層が、上記キャップ層上に蒸着され、その後に、温度約２５０℃〜約４５０℃でアニールされていることを特徴とする請求項１に記載の構造。
3. 上記不動態化領域のドーパントが、上記Ｃｕ合金中に０．１〜０．５重量％の範囲で存在していることを特徴とする請求項２に記載の構造。
4. 上記Ｃｕ合金が、Ｃｕ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｍｇ、および、Ｃｕ−Ｌｉからなる群から選択されることを特徴とする請求項３に記載の構造。
5. 上記Ｃｕ合金がＣｕ−Ａｌであることを特徴とする請求項４に記載の構造。
6. 上記Ｃｕ合金がＣｕ−Ｍｇであることを特徴とする請求項４に記載の構造。
7. 上記Ｃｕ合金がＣｕ−Ｌｉであることを特徴とする請求項４に記載の構造。
8. 改善された不動態化Ｃｕレーザーヒューズを含んだ集積回路構造の形成方法において、自己不動態化Ｃｕレーザーヒューズは、酸化および腐食に対する抵抗を特徴とし、また、Ｃｕとメタライゼーション配線との境界面、および、Ｃｕと誘電キャップとの境界面の接着力を向上させることを特徴としており、
   上記形成方法は、
   （ａ）ヒューズを形成するために、誘電体にダマシン構造をパターン化するステップと、
   （ｂ）金属下地膜を蒸着するステップと、
   （ｃ）Ｃｕを充填するためにＣｕ合金の種層を蒸着するステップと、
   （ｄ）ダマシン構造にＣｕ単体を充填するステップと、
   （ｅ）大きいＣｕ粒子を有する低抵抗Ｃｕ膜を形成するために、＜２００℃の低温で、ＣＭＰを行う前にアニールするステップと、
   （ｆ）下地膜のＣＭＰに続いて、充填し過ぎたＣｕをＣｕ−ＣＭＰによって除去するステップと、
   （ｇ）誘電キャップ層を蒸着するステップと、
   （ｈ）酸化物、窒化物、または、窒化物の組み合わせからなる群から選択される最終不動態化層を蒸着するステップと、
   （ｉ）上記誘電キャップ層または最終不動態化層を、上記レーザーヒューズの上で薄膜化するステップと、
   （ｊ）飛ばされるＣｕヒューズを取り囲む領域に、クレーターを形成するために、金属ヒューズをレーザーによって飛ばすステップと、
   （ｋ）自己不動態化領域によって特徴付けられるＣｕレーザーを形成するために、約２５０℃〜約４５０℃の温度で、上記ヒューズをアニールするステップと、
   からなることを特徴とする集積回路構造の形成方法。
9. ステップ（ｂ）が、ステップ（ｃ）における上記Ｃｕ合金の種層の最適な蒸着によって除かれることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. ステップ（ｈ）と（ｉ）との間に、ポリイミドまたは感光性のポリイミドの蒸着が行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 上記自己不動態化領域のドーパントが、上記Ｃｕ合金の重さの０．１〜５．０％の範囲で存在していることを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 上記Ｃｕ合金が、Ｃｕ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｍｇ、および、Ｃｕ−Ｌｉからなる群から選択されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 上記Ｃｕ合金がＣｕ−Ａｌであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 上記Ｃｕ合金がＣｕ−Ｍｇであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 上記Ｃｕ合金がＣｕ−Ｌｉであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。