JP2005032870A

JP2005032870A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2005032870A
Application number: JP2003194375A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kusumi; 嘉宏楠見; Takeru Matsuoka; 長松岡; Junko Izumitani; 淳子泉谷
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】レーザーブロー特性に優れたヒューズ配線を備える半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板上に段差部１３を有する層間酸化膜１を形成し、層間酸化膜１上に段差部１３を通るようにヒューズ配線であるＡｌＣｕ合金配線２を形成し、ＡｌＣｕ合金配線２が段差部１４を有するようにする。そしてＡｌＣｕ合金配線２上に上面が略平坦となった層間酸化膜６を形成し、ＡｌＣｕ合金配線２の上下の酸化膜膜厚が段階的に変化するようにする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特にヒューズ配線のレーザーブロー特性の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体メモリ等の半導体装置では、製造工程で発生する欠陥により不良となったメモリセルが生じた場合、あらかじめ用意しておいた冗長回路の冗長メモリセルで不良メモリセルを代用することにより歩留まりを向上させる冗長回路方式が広く用いられている。そして不良メモリセルから冗長メモリセルへの置換には、不良メモリセルに繋がるヒューズ配線を切断することが必要である。
【０００３】
ヒューズ配線の切断はレーザー光を照射するレーザーブローにより行われるが、レーザー光のエネルギーが足りず切断不良や残渣が残ることで置換が失敗したり、逆にレーザー光のエネルギーが大きい場合には周囲の絶縁膜にダメージを与え、周辺に配置された配線を断線させる等の問題があった。また、レーザーブロー時にレーザー光が与えるダメージによりヒューズ配線の下に配線や半導体素子を作り込むことが出来ず、高集積化を阻害するという問題もあった。
【０００４】
そこで、異なる２種類の特性を持つレーザー光を順に照射することにより、絶縁膜にダメージを与えないでヒューズ配線を切断する方法が特許文献１に、またダミーパターンをヒューズ配線の下に配置し、ヒューズ配線切断後、ダミーパターンに再度レーザーブローを行うことでヒューズ配線切断時の残渣を取り除く方法が特許文献２に開示されている。さらに特許文献３には、ヒューズ配線の下にレーザー光によるダメージをブロックするためのダミーパターンを配置し、ヒューズ配線の下にも素子を作り込むことを可能とすることで高集積化を実現する方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−３６２３９号公報
【特許文献２】
特開２００２−９３９１０号公報
【特許文献３】
特開２０００−１１４３８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の半導体素子の高集積化に伴い、多層配線工程においても微細化が必須となっており、ＡｌＣｕ（アルミニウム銅）合金配線には微細化と同時にエレクトロマイグレーション耐性等の信頼性に優れた微細配線構造が要求されている。そしてエレクトロマイグレーション耐性等信頼性に優れた配線構造としては、上層から順にＴｉＮ（窒化チタン）キャップ層／ＡｌＣｕ層／ＡｌＴｉ（アルミニウムチタン）合金層が積層された構造がある。またヒューズ配線も多層配線工程において他の配線と同時に作り込むことが要求されており、上記のような構造を有している。
【０００７】
このような構造をもつヒューズ配線にレーザー光を照射したときには、信頼性を向上するために厚く積まれたＴｉＮキャップ層にレーザー光のエネルギーが多く吸収され、さらに下層にはＡｌＴｉ合金層が形成されているため切断不良や残渣が特に生じやすく、ヒューズ配線を切断するのに最適なレーザー光エネルギーのマージンが狭くなっている。
【０００８】
さらに、多層配線工程において多用されているＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等の処理後、層間酸化膜膜厚が基板内で完全に均一であるということはなく、通常場所によってばらつきが生じる。そして層間酸化膜膜厚のばらつきはヒューズ配線のレーザー光エネルギーの吸収状態を変動させる。したがって、最適なレーザー光エネルギーのマージンが狭い上述したようなヒューズ配線において、レーザーブロー特性を場所に寄らず安定的に向上させることは従来技術では困難である。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ヒューズ配線上下の層間酸化膜の膜厚を変化させることにより、ＣＭＰ等の処理によって生じた層間酸化膜膜厚のばらつきに適切に対処することで、最適なレーザー光のエネルギーがヒューズ配線に供給されるような構造にすること、そしてヒューズ配線の下でもレーザー光のエネルギーを吸収できる構造にすることでレーザーブロー特性の優れたヒューズ配線を備える半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置においては、階段状に段差が形成された段差部を表面に有する第１の絶縁膜と、前記段差部の上に形成され、前記段差部に応じた段差を表面に有するヒューズ配線と、前記ヒューズ配線の上に形成され、上面は略平坦となった第２の絶縁膜とを備えるものである。
【００１１】
この発明に係る半導体装置の製造方法においては、第１のマスクを用いて前記第１の絶縁膜をエッチングして第１の段差を形成する第１のエッチング工程と、第２のマスクを用いて前記第１の絶縁膜をさらにエッチングして前記第１の段差に連続する第２の段差を形成する第２のエッチング工程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による半導体装置のヒューズ配線部を示す断面図である。この図は３層メタル配線を有する半導体装置において、第２層目に配置されたＡｌＣｕ合金配線を冗長回路として用いたときのヒューズ配線部の断面を示している。
【００１３】
半導体素子が形成された半導体基板（図示せず）と第１層目のＡｌＣｕ合金配線（図示せず）の上に層間酸化膜１が形成されている。ただし、通常ヒューズ配線部の下には基板まで配線や半導体素子等は形成されず層間酸化膜のみが存在するのでこの図においては下層の配線等は図示していない。層間酸化膜１の表面には基板に対して垂直方向に階段状（図１では３段）に段差を有した段差部１３が形成されている。そして層間酸化膜１上には段差部１３を通るように３層メタル配線のうち第２層目にあたるＡｌＣｕ合金配線２がヒューズ配線として形成されている。
【００１４】
ＡｌＣｕ合金配線２は、ＡｌＴｉ合金層５と、ＡｌＴｉ合金層５上に形成されたＡｌＣｕ層３と、ＡｌＣｕ層３上に形成されたＴｉＮキャップ層４を有している。そして、ＡｌＣｕ合金配線２は、段差部１３を通るように密着して形成されているので、段差部１３の段差に応じて段差部１４を表面に有している。そして、ＡｌＣｕ合金配線２の上には層間酸化膜６が形成されている。
【００１５】
層間酸化膜６には、ＡｌＣｕ合金配線２と第３層目の配線にあたるＡｌＣｕ合金配線１０とを接続するためのコンタクトホール７が設けられおり、コンタクトホール７内にはＴｉＮバリア層８が形成されＷ（タングステン）プラグ９が埋め込まれている。そして層間酸化膜６上には第３層目のＡｌＣｕ合金配線１０が形成されている。ＡｌＣｕ合金配線１０上にはプラズマ窒化膜１１が形成され、プラズマ窒化膜１１上にはポリイミドマスク１２が形成されている。
【００１６】
そして、プラズマ窒化膜１１とポリイミドマスク１２及び層間酸化膜６にはヒューズ配線であるＡｌＣｕ合金配線２を切断するためのレーザー光が入射する開口部１５が設けられている。層間酸化膜６のうち開口部１５にあたる表面部分は略平坦となっている。このように構成されているため、開口部１５における層間酸化膜６の膜厚はＡｌＣｕ合金配線２の有する段差部１４の各段差に対応して段階的に変化する様になっている。
【００１７】
次に本発明にかかる半導体装置の製造方法について説明する。まず、素子が形成された半導体基板（図示せず）と第１層目のＡｌＣｕ合金配線（図示せず）上に層間酸化膜１を形成する。次に写真製版処理により、例えば幅３μｍの開口部を有するレジストマスク２１を形成し（図２）、そして深さ１００ｎｍ相当のウェットエッチングを行う（図３）。その後、アッシングによりレジストマスク２１を除去する。
【００１８】
次に先に形成した幅約３μｍの溝を含んで、例えば幅約６μｍのレジストマスク２２を形成（図４）後、深さ１００ｎｍ相当のウェットエッチングを再度行う（図５）。その後、アッシングによりレジストマスク２２を除去する。次に先に形成の幅約６μｍの溝を含んで、例えば幅約９μｍのレジストマスク２３を形成後（図６）、さらに深さ１００ｎｍ相当のウェットエッチングを行う（図７）。以上の方法により幅約９μｍでそのうちの約３μｍの幅ごとに深さが３００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍと異なる段差部１３が形成される。
【００１９】
次に層間酸化膜１の段差部１３を通るようにヒューズ配線を構成する第２層目のＡｌＣｕ合金配線２を形成していく。まず層間酸化膜１上にスパッタ法でＴｉ（チタニウム）層を１０ｎｍ、その上にＡｌＣｕ層３を４００ｎｍ、そしてＡｌＣｕ層３の上にＴｉＮキャップ層４を６０ｎｍ、順次成膜する。次に写真製版処理によりレジストマスク２４を形成後（図８）、ドライエッチングにより線幅が１．２μｍで長さが３０μｍ程度の形状にＡｌＣｕ合金配線２をパターニングする（図９）。ここでレジストマスクは膜厚１０００ｎｍ程度のＫｒＦレジストを用いる。またドライエッチングはＣｌ_２／ＢＣｌ_３の混合ガスを用いてプラズマにより異方的に行う。
【００２０】
ＡｌＣｕ合金配線２をパターニング後、４００℃で１５分間のＮ_２（窒素）シンターを行いＡｌＴｉ合金層５を形成する。このときＡｌＴｉ合金層５の膜厚は一定ではないがおよそ５０〜１５０ｎｍの膜厚に形成される。そしてＡｌＣｕ層３は３５０〜２５０ｎｍの膜厚に減少する（図９）。
【００２１】
次にＨＤＰ（ＨｉｇｈＤｅｎｓｉｔｙＰｌａｓｍａ）等のプラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により層間酸化膜を成膜後、ＣＭＰ法により平坦化して膜厚約７５０ｎｍの層間酸化膜６を形成する。
【００２２】
次に層間酸化膜６上にＫｒＦレジストを膜厚約８８０ｎｍに塗布後、写真製版処理を行いホール径φが０．３５μｍのコンタクトホールのレジストマスク（図示せず）を形成する。そしてドライエッチングにより、ＴｉＮキャップ層４に達するコンタクトホール７を開孔する。ここでドライエッチングはＣ_５Ｆ_８／Ｏ_２／Ａｒ／Ｃｏの混合ガスを用いたプラズマにより異方的に行う。
【００２３】
その後、スパッタ法によりＴｉＮバリア層８を、次にＣＶＤ法によりＷ（タングステン）層をコンタクトホール７の内部及び層間酸化膜６の上に順次成膜する。そしてＣＭＰ法により層間酸化膜６上のＷ層、ＴｉＮバリア層８を除去しＷプラグ９を形成する（図１０）。
【００２４】
次に層間酸化膜６上にＡｌＣｕ合金配線１０を形成する。ＡｌＣｕ合金配線１０は、ＴｉＮ層を５０ｎｍ、ＡｌＣｕ合金配線層を６００ｎｍ及びＴｉＮキャップ層を３０ｎｍ、スパッタ法により順次成膜する。次に写真製版処理によりレジストマスク（図示せず）を形成後、ドライエッチングで所望の形状にＡｌＣｕ合金配線１０をパターニングする。レジストマスクは膜厚１８００ｎｍのｉ線レジストを用いる。またドライエッチングはＣｌ_２／ＢＣｌ_３の混合ガスを用いたプラズマにより異方的に行う（図１１）。
【００２５】
次にプラズマＣＶＤ法によりプラズマ窒化膜１１を７５０ｎｍ成膜する。その後、写真製版処理により厚さ４μｍで幅１２μｍ程度の開口部を有するポリイミドマスク１２を形成する。ポリイミドマスク１２をマスクとしてヒューズ配線部のプラズマ窒化膜１１をドライエッチングにより除去する。層間酸化膜６の開口部部分の表面から段差部１４が形成されていないＡｌＣｕ合金配線２の表面までの膜厚がおよそ２００ｎｍになるように開口する（図１２）。
【００２６】
以上のように形成されたヒューズ配線（ＡｌＣｕ合金配線２）において、レーザーブローすることでヒューズ配線の切断を行う（図１３（Ａ））が、ヒューズ配線上下の酸化膜膜厚のばらつきに応じてブロー箇所をずらして切断を行う（図１３（Ｂ））。
【００２７】
前述したように、ヒューズ配線を構成するＡｌＣｕ合金配線２において、ＴｉＮキャップ層４が厚くそして下層にＡｌＴｉ合金層５が形成され、さらにＣＭＰ処理等によりヒューズ配線上下の層間酸化膜膜厚が変動することでヒューズ配線へのレーザー光のエネルギーの吸収状態が変化し、ブロー残が生じやすくなる。
【００２８】
本発明は、ヒューズ配線下の層間酸化膜６に段差部１３を形成し、それに応じた段差部１４がヒューズ配線表面に生じることで、ヒューズ配線上下の酸化膜厚が異なる状態を作っている。これにより、ＣＭＰ処理等により生じるヒューズ配線上下の酸化膜膜厚の変動に適切に対処することができる。すなわち、ヒューズ配線の切断前に、膜厚測定機により予め酸化膜膜厚を測定し、切断に最適な酸化膜膜厚の位置を決定する。そして、レーザー光の照射位置をこの最適な酸化膜厚位置にずらして切断することにより、良好なレーザーブロー特性を得る事ができる。
【００２９】
本実施の形態ではＡｌＴｉ合金層が形成されているヒューズ配線構造について述べたが、配線の構造及び材料はこれに限定されるものではない。例えばＡｌＴｉ合金層の代わりにＴｉＮバリア層を有するヒューズ配線構造でも構わない。そして、他のレーザブロー特性等に優れた材料があればそれを用いても良い。
【００３０】
しかし、特に上記実施の形態のように配線材料として、エレクトロマイグレーション耐性等の信頼性に優れた微細配線構造であるＴｉＮ層／ＡｌＣｕ層／ＡｌＴｉ合金層からなる積層構造の配線が用いられている場合には、ヒューズ配線も同じ構造にすることにより他の配線と同時につくる事ができる。すなわち、ヒューズ配線を作るための製造工程を別途設ける必要が無く、製造コストの増加を防ぐことができる。
【００３１】
また、本実施の形態ではヒューズ配線直下の酸化膜をウェットエッチングすることにより段差部１３を形成しているが、ドライエッチングにより形成しても構わない。また、段差の数や幅及び高さは上記の構成に限られるものではない。そして、本実施の形態では下に凸の段差部１３を形成しているが、反転マスク等を用いて逆に上に凸の形状になるように形成しても構わない。
【００３２】
さらに、段差部の形成の仕方は上記の方法に限らない。例えば各段差に対してマスクを形成しエッチングをする深さを順に変えることにより形成してもよい。例えば、まず層間酸化膜上に幅３μｍの開口部を有するマスクを用いて３００ｎｍの深さにエッチングし溝を形成する。次に前記溝の横にマスクの開口部が離れないように位置合わせをしてマスクを形成し、２００ｎｍのエッチング処理をするといった手順を繰り返すことにより段差を形成しても良い。
【００３３】
しかし、本実施の形態の製造方法によれば、最初に形成した段差を含むようにマスクを形成しさえすれば、エッチング処理により階段状の段差形状を容易に作成することができる。すなわち、連続した各段差を形成するための精密な位置合わせを必要としない。
【００３４】
実施の形態２．
図１４は、この発明の実施の形態２による半導体装置の構造を示す断面図である。本実施の形態では層間酸化膜１６上にＡｌＣｕ合金ダミーパターン１７が新たに設けられている。その他、実施の形態１と同一の構成には同一の記号を付し重複する説明は省略する。
【００３５】
次に製造方法について説明する。まず、半導体基板上に形成された層間酸化膜１６上に、ＡｌＣｕ合金配線２の線幅より０．４μｍ程度太く、長さが１５μｍ程度の形状にＡｌＣｕ合金ダミーパターン１７を形成する。次にＡｌＣｕ合金ダミーパターン１７上に層間酸化膜１を形成し、ＣＭＰ法により表面を平坦化する。次に本発明の実施の形態１と同様にして層間酸化膜１上に段差部１３を形成する。段差部１３は例えば、幅約９μｍでそのうちの約３μｍの幅ごとに深さが１５０ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍと異なるように形成する。第２層目のＡｌＣｕ合金配線２以降は実施の形態１と同様にしてヒューズ配線を形成する。
【００３６】
本実施の形態の半導体装置においても、実施の形態１と同様に、ブロー箇所を少しずらすことでＣＭＰ等の処理時に生じるヒューズ配線上下の層間酸化膜膜厚のばらつきに適切に対処することができる。本実施の形態では段差部１３の深さの変化が実施の形態１に比べて少ないため、特にヒューズ配線下の層間酸化膜膜厚が薄くばらつき自体も小さいときにそのばらつきに適切に対処できる構造となっている。
【００３７】
そして仮にブロー残が生じた場合でも第１層目のＡｌＣｕ合金ダミーパターン１７を追加でレーザーブローすることでブロー残の除去が可能となる。そのためブローマージンをさらに向上することが出来る。追加のレーザーブローを行う場合においても、層間酸化膜が薄いためエネルギーを抑えることが可能であり、追加のレーザーブローにより生じる層間酸化膜のホールを小さく出来るため、ヒューズ配線回路の占める面積を小さくすることが可能である。
【００３８】
さらに本実施の形態においては、ＡｌＣｕ合金ダミーパターン１７が第１層目のＡｌＣｕ合金配線と同一の構造を有するため、ＡｌＣｕ合金ダミーパターン１７を形成する工程を新たに設ける必要はなく、第１層目のＡｌＣｕ合金配線と同時に形成することができ、製造コストの増加を招来することがない。
【００３９】
なお、ダミーパターンは上記の構造に限るものではない。その場合、第１層目のＡｌＣｕ合金配線と同時に形成することが不可能となるため製造工程は増加することになるが、他に良い材料があればそれを用いるようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１に記載の発明に係る半導体装置は、階段状に段差が形成された段差部を表面に有する第１の絶縁膜と、前記段差部の上に形成され、前記段差部に応じた段差を表面に有するヒューズ配線と、前記ヒューズ配線の上に形成され、上面は略平坦となった第２の絶縁膜とを備えているので、ＣＭＰ処理等により生じたヒューズ配線上下の酸化膜膜厚の変動に応じて、最適な膜厚になるようにレーザー光の照射位置をずらすことにより、良好なレーザーブロー特性を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態１に係る半導体装置のヒューズ配線の切断を示す断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１，６層間酸化膜、２ＡｌＣｕ合金配線、３ＡｌＣｕ層、４ＴｉＮキャップ層、５ＡｌＴｉ合金層、１３，１４段差部、１５開口部、１７ＡｌＣｕ合金ダミーパターン。

Claims

階段状に段差が形成された段差部を表面に有する第１の絶縁膜と、
前記段差部の上に形成され、前記段差部に応じた段差を表面に有するヒューズ配線と、
前記ヒューズ配線の上に形成され、上面は略平坦となった第２の絶縁膜と
を備える半導体装置。
前記段差部の下方に形成されたダミーパターンをさらに備える請求項１に記載の半導体装置。
前記ヒューズ配線がＡｌＴｉ層と、
前記ＡｌＴｉ層上に形成されたＡｌＣｕ層と、
前記ＡｌＣｕ層上に形成されたＴｉＮ層を有することを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の半導体装置。
前記ダミーパターンがＡｌＴｉ層と、
前記ＡｌＴｉ層上に形成されたＡｌＣｕ層と、
前記ＡｌＣｕ層上に形成されたＴｉＮ層を有することを特徴とする請求項２あるいは請求項３に記載の半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
第１のマスクを用いて前記第１の絶縁膜をエッチングして第１の段差を形成する第１のエッチング工程と、
第２のマスクを用いて前記第１の絶縁膜をさらにエッチングして前記第１の段差に連続する第２の段差を形成する第２のエッチング工程と
を備える半導体装置の製造方法。
請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記ダミーパターンと下層配線とを同時に形成する工程を備える半導体装置の製造方法。