JP2007258371A - ヒューズ素子を有する半導体装置及びヒューズ素子の切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パッシベーション膜を破壊することなく、低出力のレーザビームによって半導体装置に含まれるヒューズ素子を切断する。
【解決手段】下部電極１１と、上部電極１２と、下部電極１１と上部電極１２とを接続するヒューズ素子２０とを備える。下部電極１１と上部電極１２との間には、この順に積層された絶縁膜３１〜３３が介在しており、このうち中間に位置する絶縁膜３２は、他の絶縁膜３１，３３よりも光吸収率が大きい。このように、本発明では、上下に長く且つ中央部分において光吸収率の大きい絶縁膜を貫通したヒューズ素子を用いていることから、レーザビームのエネルギーを効率よく吸収することができる。また、焦点深度の小さい光学系を用いてヒューズ素子を切断できることから、パッシベーション膜を破壊することなくヒューズ素子を切断することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、レーザビームの照射によって切断可能なヒューズ素子を有する半導体装置に関する。また、本発明はヒューズ素子の切断方法に関し、特に、レーザビームの照射によるヒューズ素子の切断方法に関する。

ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）に代表される半導体記憶装置の記憶容量は、微細加工技術の進歩により年々増大しているが、微細化が進むに連れ、１チップ当たりに含まれる欠陥メモリセルの数もますます増大しているというのが実情である。このような欠陥メモリセルは、通常、冗長メモリセルに置き換えられ、これによって欠陥のあるアドレスが救済される。

一般に、欠陥のあるアドレスは、複数のヒューズ素子を含むプログラム回路に記憶される。そして、欠陥のあるアドレスに対してアクセスが要求されると、上記プログラム回路によってこれが検出され、その結果、欠陥メモリセルではなく冗長メモリセルに対して代替アクセスが行われることになる。プログラム回路の構成としては、特許文献１に記載されているように、記憶すべきアドレスを構成する各ビットに対して一対（２つ）のヒューズ素子を割り当て、そのいずれか一方を切断することによって所望のアドレスを記憶する方式が知られている。

また、特許文献２に記載されているように、記憶すべきアドレスを構成する各ビットに対して１つのヒューズ素子を割り当てる方式も知られている。この方式では、一つのヒューズ素子を切断するか否かによって１ビットを記憶することができるため、ヒューズ素子の数を大幅に削減することが可能となる。

ヒューズ素子の切断方法としては、大きく分けて、大電流によって溶断する方法（特許文献３，４参照）と、レーザビームの照射によって破壊する方法（特許文献５，６参照）の２通りの方法が知られている。前者の方法は、レーザートリマーなどの高価な装置が不要であるとともに、ヒューズ素子が正しく切断されたか否かを簡単に自己診断できるなどの利点を有している。しかしながら、この方法を用いるためには、半導体装置の内部にヒューズ切断回路や診断回路を組み込んでおく必要があり、これによりチップ面積の増大をもたらすという問題がある。

これに対し、レーザビームの照射によって破壊する方法は、半導体装置の内部にヒューズ切断回路などを組み込んでおく必要がないため、チップ面積を縮小することができる。しかしながら、この方法では、レーザビームの照射によってパッシベーション膜が破壊されてしまうことから、ここから水分などが侵入し、半導体装置の信頼性を低下させる原因となることがあった。

また、レーザビームの照射によってヒューズ素子を破壊する方法では、破壊されたパッシベーション膜やヒューズ素子などの材料が飛散し、レーザビームを集束させるための対物レンズに付着するという問題もあった。飛散物の付着を防止するためには、焦点距離がある程度大きな光学系を用いることにより、対物レンズと半導体装置との距離を離せばよいが、このような光学系では対物レンズの開口数（ＮＡ）を必然的に小さくする必要がある。その結果、焦点深度が大きくなり、切断すべきヒューズ素子のみならず、その上下に位置する部材にも高密度なエネルギーが加わってしまうため、ヒューズ素子の直上や直下に配線やトランジスタなどを配置することができなかった。

しかも、レーザビームが照射されたパッシベーション膜には、クレーター状に広がる穴が形成されることから、クレーターやこれによって生じるヒビなどが他のヒューズ素子に及ばないよう、隣接するヒューズ素子間の距離を十分に離して配置する必要がある。このため、ヒューズ素子の配置密度を高めることは困難であった。
特開平９−６９２９９号公報 特開平６−１１９７９６号公報 特開２００５−１３６０６０号公報 特表２００３−５０１８３５号公報 特開平７−７４２５４号公報 特開平９−３６２３４号公報 特開２０００−２４３２１３号公報

このように、レーザビームの照射によってヒューズ素子を破壊する方法は、チップ面積の縮小に有利であるが、パッシベーション膜など、ヒューズ素子の直上や直下に存在する部材に強いダメージが加わるなど、種々の問題があった。

本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、レーザビームの照射によって切断可能なヒューズ素子を有する、改良された半導体装置及び改良されたヒューズ素子の切断方法を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、パッシベーション膜を破壊することなくレーザビームによってヒューズ素子を切断可能な半導体装置及びヒューズ素子の切断方法を提供することである。

また、本発明のさらに他の目的は、ヒューズ素子の直上や直下に存在する部材に加わるダメージを低減可能な半導体装置及びヒューズ素子の切断方法を提供することである。

また、本発明のさらに他の目的は、開口数の大きい対物レンズを用いてヒューズ素子を切断可能な半導体装置及びヒューズ素子の切断方法を提供することである。

また、本発明のさらに他の目的は、隣接するヒューズ素子間の距離を縮小可能な半導体装置及びヒューズ素子の切断方法を提供することである。

また、本発明のさらに他の目的は、低パワーのレーザビームによってヒューズ素子を切断可能な半導体装置及びヒューズ素子の切断方法を提供することである。

本発明の一側面による半導体装置は、第１の配線層に設けられた下部電極と、第１の配線層よりも上層に位置する第２の配線層に設けられた上部電極と、第１及び第２の配線層間に設けられた第１の絶縁膜及び第１の絶縁膜よりも光吸収率の大きい第２の絶縁膜と、少なくとも第１及び第２の絶縁膜を貫通して設けられ、下部電極と上部電極とを接続するヒューズ素子とを備え、ヒューズ素子は、少なくとも第２の絶縁膜を貫通する部分において中空部分を有する筒型形状を有していることを特徴とする。

また、本発明の一側面によるヒューズ素子の切断方法は、このような構造を有するヒューズ素子のうち少なくとも第２の絶縁膜を貫通する部分にレーザビームを照射することを特徴とする。

尚、本発明において、「筒型形状」とは円筒形及び角筒径などを含む概念である。また、その内径や外形が高さ方向に一定である必要はない。

本発明によれば、ヒューズ素子が少なくとも第１及び第２の絶縁膜を貫通して設けられているため、上下に長い構造となる。これにより、ヒューズ素子によってレーザビームのエネルギーを効率よく吸収することができるため、ヒューズ素子の高さよりも焦点深度の小さい光学系を用いてヒューズ素子を切断すれば、ヒューズ素子の上下に位置する部材に与えるダメージは非常に小さくなる。

しかも、本発明では、ヒューズ素子が光吸収率の大きい第２の絶縁膜を貫通して設けられていることから、この部分においてレーザビームのエネルギーを効率よく吸収することが可能となる。このため、より低パワーのレーザビームを用いたヒューズ素子の切断を行うことが可能となることから、ヒューズ素子の上下に位置する部材に与えるダメージをより低減することが可能となる。

また、焦点深度の小さい光学系を用いると、上下方向における焦点位置のマージンが減少するが、本発明によれば、上下方向における焦点位置のマージンを十分に確保することも可能となる。特に、近年の半導体ウエハーの大型化によって半導体ウエハーの反りが慢性的に生じ、上下方向における焦点位置のズレが非常に生じやすくなっているが、本発明によれば、半導体ウエハーの反りに起因する焦点位置のズレについても解消することが可能となる。これは、次の理由による。

つまり、焦点深度内またはその近傍に光吸収率の大きい第２の絶縁膜が位置するようレーザビームを照射すれば、焦点位置が上下に多少ずれたとしても、レーザビームのエネルギーの大部分は第２の絶縁膜に吸収され、第２の絶縁膜を貫通する部分が必ず先に破壊される。そして、先に壊れたところには破壊ストレスが集中することから、予定外の部分にはストレスが加わりにくくなる。このような現象により、本発明では、上下方向における焦点位置のズレが実質的に補償され、その結果、上下方向における焦点位置のマージンが増大するのである。

さらに、このような光学系では、開口数の大きい対物レンズが用いられるため、パッシベーション膜に加わるエネルギー密度は従来よりも非常に小さくなる。その結果、パッシベーション膜を破壊することなく、ヒューズ素子を切断することが可能となる。

また、ヒューズ素子の上下に加わるダメージも非常に小さいことから、ヒューズ素子の上下に配線やトランジスタなどを配置することも可能となる。しかも、開口数の大きな対物レンズの使用により、焦点から外れた位置のビームスポットが従来よりもかなり大きくなることから、隣接するヒューズ素子間の距離を大幅に狭くすることが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい第１の実施形態による半導体装置に含まれるヒューズ素子の構造を示す略断面図である。

図１に示すように、本実施形態による半導体装置は、下部電極１１と、上部電極１２と、下部電極１１と上部電極１２とを接続するヒューズ素子２０とを備えている。下部電極１１と上部電極１２は、互いに異なる配線層に形成された電極であり、これらの間には、下部電極１１側からみてこの順に積層された３層の絶縁膜３１〜３３が介在している。したがって、これらを接続するヒューズ素子２０は、下部電極１１と上部電極１２を分離する絶縁膜３１〜３３の合計厚さに等しい高さを有している。

ヒューズ素子２０は、図１に示すように中空部分２０ａを有する筒型形状を有している。中空部分２０ａには、成膜に用いたガスなどの気体が閉じ込められている。このような形状を有するヒューズ素子２０の形成方法については後述する。

ヒューズ素子２０の構造についてより具体的に説明すると、ヒューズ素子２０は、絶縁膜３１を貫通する第１の筒状部分２１と、絶縁膜３２を貫通する第２の筒状部分２２と、絶縁膜３３を貫通する第３の筒状部分２３を含んでいる。そして、本実施形態では、第２の筒状部分２２における径ｄ２２が、第１の筒状部分２１における径ｄ２１及び第３の筒状部分２３における径ｄ２３よりも小さく設定されている。このため、第２の筒状部分２２の熱容量は他の部分に比べて小さく、その結果、ここにレーザビームが照射されるとヒューズ素子２０は容易に切断されることになる。

また、絶縁膜３２は、絶縁膜３１及び絶縁膜３３とは異なる材料を主成分とし、照射するレーザビームの波長領域において絶縁膜３１及び絶縁膜３３よりも光吸収率の大きい材料が用いられる。これは、照射したレーザビームのエネルギーを効率よく第２の筒状部分２２に集中させるためである。

特に限定されるものではないが、絶縁膜３１及び絶縁膜３３の主成分としては酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を選択することが好ましく、絶縁膜３２の主成分としては窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）を選択することが好ましい。これは、３００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長領域における光吸収率が、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）では１０％程度であるのに対し、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）では約９０％に達するため、照射したレーザビームのエネルギーを効率よく第２の筒状部分２２に集中させることができるからである。また、上記波長領域における酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の屈折率は約３．９であるのに対し、上記波長領域における窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）の屈折率は約７．９であり、この点からも、第２の筒状部分２２にエネルギーを集中させることが可能となる。

絶縁膜３２の膜厚は、絶縁膜３１の膜厚及び絶縁膜３３の膜厚よりも薄いことが好ましい。これは、絶縁膜３２の膜厚を薄く設定した方が、レーザビームのエネルギーをより集中させることができるからである。具体的には、絶縁膜３２の膜厚を２００ｎｍ以下に設定することが好ましい。これは、絶縁膜３２の膜厚を２００ｎｍ超に設定すると、レーザビームのエネルギーを集中させる効果が十分に得られないからであり、特に、絶縁膜３２の材料として窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いた場合には、水素透過性が著しく低下するため、シリコン基板に生じている欠陥を水素によって修復するプロセスの実行が困難となるからである。

一方で、絶縁膜３２の膜厚を薄くしすぎると、レーザビームのエネルギーを第２の筒状部分で十分に吸収することができなくなるとともに、１０ｎｍ未満の膜厚に設定しようとすると、膜の均一性を確保することが困難となる。これらの点を考慮すれば、絶縁膜３２の膜厚としては、１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下に設定することが好ましく、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に設定することが特に好ましい。

下部電極１１は、絶縁膜４０に設けられたスルーホール電極４１を介して、半導体基板５０に設けられた拡散層５１に接続されている。特に限定されるものではないが、下部電極１１の材料としては、タングステン（Ｗ）などを用いることが好ましい。

上部電極１２は、例えば最上層の配線であり、パッシベーション膜６０によって覆われている。特に限定されるものではないが、上部電極１２の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）などを用いることが好ましい。

図１に示すように、ヒューズ素子２０の高さＨはその平均径Ｄよりも十分に大きく、具体的には３倍以上、好ましくは５倍以上、より好ましくは１０倍〜２０倍程度に設定される。詳細については後述するが、このような縦長の形状としているのは、照射されるレーザビームのエネルギーを効率よく吸収するとともに、上下方向における焦点位置のマージンを十分に確保するためである。

ヒューズ素子２０の高さＨの具体的な数値については特に限定されるものではないが、照射すべきレーザビームの焦点深度よりも大きいことが好ましく、焦点深度の２倍以上であることがより好ましい。これによれば、レーザビームの焦点が上下方向に多少ずれたとしても、焦点がヒューズ素子２０を外しにくくなる。また、これによれば、照射したレーザビームのエネルギーのうち、ヒューズ素子２０の下方に漏れ出す成分を大幅に低減することが可能となる。

焦点深度（ＤＯＦ）は、照射するレーザビームの波長をλとし、レーザビームを収束する対物レンズの開口数をＮＡとした場合、次式（１）で表すことができる。

したがって、照射するレーザビームの波長を３００ｎｍとし、対物レンズの開口数を０．５４８とすれば、焦点深度（ＤＯＦ）は１μｍ弱となる。このような光学系を使用してヒューズ素子２０を切断する場合には、ヒューズ素子２０の高さＨを１μｍ以上とすればよい。この場合、ヒューズ素子２０の高さＨを３μｍ程度とすることが好ましい。

一方、ヒューズ素子２０の平均径Ｄの具体的な数値についても特に限定されるものではないが、照射すべきレーザビームの回折限界よりも小さいことが好ましく、回折限界の半分以下であることがより好ましい。これによれば、ヒューズ素子２０の切断をより確実に行うことができるとともに、ヒューズ素子２０の実装密度を高めることが可能となる。

ヒューズ素子２０の平均径Ｄを回折限界よりも小さく設定すると、ヒューズ素子２０に照射されない成分がヒューズ素子２０の下方に漏れるが、レーザビームの強度はガウシアン分布を有しており、中心部ほど強度が高いことから、漏れ出す周縁部のエネルギーはそれほど強くない。しかも、上述の通り、ヒューズ素子２０は縦方向に長い形状を有しており、エネルギーの大部分がヒューズ素子２０に吸収されることから、ヒューズ素子２０の下方に漏れ出す成分は結果的に非常に少なくなる。

回折限界（ＤＬ）は、照射するレーザビームの波長をλとし、レーザビームを収束する対物レンズの開口数をＮＡとした場合、次式（２）で表すことができる。

したがって、上記と同様、照射するレーザビームの波長を３００ｎｍとし、対物レンズの開口数を０．５４８とすれば、回折限界（ＤＬ）は約３３０ｎｍとなる。このような光学系を使用してヒューズ素子２０を切断する場合には、ヒューズ素子２０の平均径Ｄを３００ｎｍ以下とすればよい。この場合、ヒューズ素子２０の平均径Ｄを２００ｎｍ程度とすることが好ましい。

特に限定されるものではないが、ヒューズ素子２０の材料としては、タングステン（Ｗ）を用いることが好ましい。これは、タングステン（Ｗ）が筒型形状を形成する導電材料として優れているからであり、また、タングステン（Ｗ）は紫外線領域の光の吸収率が高いからである。

図２は、ヒューズ素子２０を用いたプログラム回路の一例を示す回路図である。

図２に示すプログラム回路７０は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列接続されたヒューズ素子２０及びＮチャンネルＭＯＳトランジスタ７１と、同じく電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列接続されたＰチャンネルＭＯＳトランジスタ７２及びＮチャンネルＭＯＳトランジスタ７３とを備えており、ヒューズ素子２０とトランジスタ７１との接続点Ａがトランジスタ７２，７３のゲート電極に共通接続され、トランジスタ７２とトランジスタ７３との接続点Ｂ（出力端）がトランジスタ７１のゲート電極に接続された構成を有している。

かかる構成により、ヒューズ素子２０が切断されている場合には、接続点Ａの電位がローレベルとなることから、出力端である接続点Ｂはトランジスタ７２を介して電源電位ＶＤＤに接続されるので、出力ｏｕｔはハイレベルに固定される。逆に、ヒューズ素子２０が切断されていない場合には、接続点Ａの電位がハイレベルとなることから、出力端である接続点Ｂはトランジスタ７３を介して接地電位ＧＮＤに接続されるので、出力ｏｕｔはローレベルに固定される。

したがって、ヒューズ素子２０を用いてこのようなプログラム回路７０を構成すれば、ヒューズ素子２０が切断されているか否かによって出力ｏｕｔの論理値が決まることから、このようなプログラム回路７０を複数個用いれば、例えば欠陥アドレスを記憶させることが可能となる。

ヒューズ素子２０の切断は、パッシベーション膜６０を介してレーザビームを照射することにより行う。つまり、中空部分２０ａを有する筒状のヒューズ素子２０に対し、軸方向からレーザビームを照射する。

図３は、レーザビームによるヒューズ素子２０の切断方法を説明するための模式図である。尚、図３において、符号Ｌ０はレーザビームの本来のビーム径を指し、符号Ｌ１はレーザビームの実際のビーム径を指す。ここで、「本来のビーム径」とは、レーザビームをヒューズ素子２０に照射しない場合のビーム径をいい、「実際のビーム径」とは、レーザビームをヒューズ素子２０に照射した場合のビーム径をいう。

レーザビームは図示しない対物レンズによって、ヒューズ素子２０が形成された領域にて集束される。但し、レーザビームの回折限界は、式（１）によって決まり、上述の通り、レーザビームの波長が３００ｎｍ、対物レンズの開口数が０．５４８であれば、回折限界（ＤＬ）は約３３０ｎｍとなる。一方で、ヒューズ素子２０の平均径Ｄは、位相シフトマスクなどを用いた超解像技術によって、露光波長の１／４サイズの微細化を実現することが可能である。したがって、図３に示すように、ヒューズ素子２０にレーザビームを集束させても、ヒューズ素子２０に照射されない成分がヒューズ素子２０の下方に漏れ出すことになる。

しかしながら、焦点深度ＤＯＦがヒューズ素子２０の高さ以下となる光学系、好ましくは、焦点深度ＤＯＦがヒューズ素子２０の高さの半分以下となる光学系を使用すれば、強度の強いビーム中心のエネルギーがヒューズ素子２０に吸収されるため、ヒューズ素子２０の下方に漏れ出すエネルギーは非常に少なくなり、図３に示す破線Ｌ１のように、非常に細くて弱いビームだけがヒューズ素子２０の下方に漏れることになる。

下方に漏れ出すレーザビームのエネルギーは、ヒューズ素子２０の高さＨが大きいほど弱くなり、具体的には、ヒューズ素子２０の高さＨが平均径Ｄの３倍以上であれば、有効な減衰量を確保することができる。特に、ヒューズ素子２０の高さＨを平均径Ｄの５倍以上に設定すれば、レーザビームの減衰は十分となり、ヒューズ素子２０の高さＨを平均径Ｄの１０倍〜２０倍程度に設定すれば、レーザビームの減衰はより十分となる。但し、ヒューズ素子２０の高さＨと平均径Ｄとの比を極端に大きくすると、アスペクト比が大きくなり過ぎるため、ヒューズ素子２０の作成が困難となる。

レーザビームをヒューズ素子２０に照射する際は、図３に示すように、ヒューズ素子２０の第２の筒状部分２２が焦点深度ＤＯＦ内に入るように、上下方向における焦点位置を調整することが好ましい。これによれば、径が小さいために熱容量が小さく、且つ、光吸収率の高い絶縁膜３２と接することにより切断されやすい第２の筒状部分２２が、最も高エネルギーなエリアに位置することになるため、より低パワーのレーザビームによってヒューズ素子２０を切断することが可能となる。また、レーザビームのエネルギーのうち、ヒューズ素子２０に吸収されなかった成分は、その大半が絶縁膜３２に吸収されるため、ヒューズ素子２０の下方に与えられるダメージも最小限となる。

ヒューズ素子２０にレーザビームを照射すると、ヒューズ素子２０の筒型構造が崩れ、図４に示すように、ヒューズ素子２０が上下に分離する。これにより、下部電極１１と上部電極１２が絶縁されることになる。切断は、主に第２の筒状部分２２において生じる。

ヒューズ素子２０の切断をより確実にするためには、中空部分２０ａの体積が十分に大きいことが好ましく、具体的には、ヒューズ素子２０の体積以上であることが好ましい。これは、中空部分２０ａの体積が大きいほど、レーザビームの照射によってヒューズ素子２０が潰れた際、ヒューズ素子２０が上下に分離しやすくなるからである。また、中空部分２０ａの体積が大きいと、レーザビームの照射によって瞬間的な体積膨張が生じても、これによるストレスが中空部分２０ａによって緩和されることから、絶縁膜３１〜３３などにヒビが生じにくくなる。

このように、本実施形態による半導体装置では、ヒューズ素子２０に中空部分２０ａが設けられていることから、レーザビームを照射した場合、ヒューズ素子２０の周囲に大きなダメージを与えることなく、ヒューズ素子２０だけを選択的に内部破壊することが可能となる。

しかも、本実施形態による半導体装置では、ヒューズ素子２０の高さＨがレーザビームの焦点深度ＤＯＦよりも大きいことから、照射されるレーザビームのエネルギーを効率よく吸収することができる。さらに、本実施形態による半導体装置では、絶縁膜３１と絶縁膜３３との間に光吸収率の大きい絶縁膜３２が設けられており、この絶縁膜３２を貫通する部分においてヒューズ素子２０の第２の筒状部分２２の径が小さくなっていることから、レーザビームのエネルギーは、第２の筒状部分２２に効率よく集中する。このことは、照射するレーザビームのパワーを、従来よりも大幅に小さくできることを意味する。しかも、ヒューズ素子２０の高さＨがレーザビームの焦点深度ＤＯＦよりも大きいために、上下方向における焦点位置のマージンを十分に確保することができる。このことは、開口数（ＮＡ）の大きい対物レンズの使用が可能であることを意味する。

つまり、本実施形態による半導体装置では、開口数の大きい対物レンズとパワーの弱いレーザビームを用いることによって、ヒューズ素子２０を切断することができるのである。このため、レーザビームのビームスポット内であっても、焦点位置から離れた領域ではエネルギー密度は急速に低くなる。その結果、図１に示すパッシベーション膜６０のように、ヒューズ素子２０よりも上方に位置する部材に加わるダメージや、半導体基板５０のようにヒューズ素子２０よりも下方に位置する部材に加わるダメージは、従来に比べて極めて少なくなる。

これにより、パッシベーション膜６０を実質的に破壊することなく、ヒューズ素子２０を切断することも可能となる。既に説明したように、トリミング時に生じたパッシベーション膜の破壊は、水分の侵入など半導体装置の信頼性を低下させる原因となることがあったが、本実施形態によれば、このような問題が解消され、半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。しかも、パッシベーション膜が実質的に破壊されないことから、トリミング時に飛散物がほとんど発生しない。このため、対物レンズの開口数を大きく設定することにより焦点距離が短くなっても、対物レンズに飛散物が付着することはほとんど無い。

さらには、開口数の大きい対物レンズを用いていることから、パッシベーション膜６０の表面に塵などが付着している場合であっても、塵によって生じるレーザビームの減衰を抑制することも可能となる。つまり、図５（ａ）に示すように相対的に開口数の小さい対物レンズを用いた場合と、図５（ｂ）に示すように相対的に開口数の大きい対物レンズを用いた場合とでは、回折限界ＤＬが同じであっても、パッシベーション膜６０上におけるレーザビームＬの径は、図５（ａ）における径をＬａ、図５（ｂ）における径をＬｂとした場合、
Ｌａ＜Ｌｂ
となる。このため、パッシベーション膜６０に付着している塵６１のサイズが同じであっても、これによって生じるレーザビームＬの影６２ａ，６２ｂの関係は、
６２ａ＞６２ｂ
となり、相対的に開口数の大きい対物レンズを用いた場合の方が影が小さくなる。したがって、本実施形態のように開口数の大きい対物レンズを用いれば、塵６１の影響が低減されることになる。

また、本実施形態によれば、ヒューズ素子２０の下方や上方に位置する部材に加わるダメージが非常に小さいことから、ヒューズ素子２０の下方や上方に他の配線などを配置することも可能となる。

図６は、ヒューズ素子２０の下方に他の配線を配置した例を示す略断面図であり、図７は、ヒューズ素子２０の上方に他の配線を配置した例を示す略断面図である。

図６に示す例では、下部電極１１よりも下方に位置する配線層に配線８１が設けられており、ヒューズ素子２０を切断する際にレーザビームが配線８１に照射される可能性がある。しかしながら、開口数の大きい対物レンズを用いていることから、焦点位置から離れた領域のエネルギー密度は急速に低くなるため、配線８１が破壊されることはない。同様に、図７に示す例では、上部電極１２よりも上方に位置する配線層に配線８２が設けられているが、ヒューズ素子２０を切断する際にレーザビームが配線８２に照射されても、これが破壊されることはない。

尚、図６に示す配線８１や図７に示す配線８２の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）などを用いることが好ましく、アルミニウム（Ａｌ）を用いることが特に好ましい。アルミニウム（Ａｌ）は、使用するレーザビームの波長領域である紫外線領域の光の吸収率が低く、このため、レーザビームが照射されても破壊されにくいからである。但し、本実施形態では、開口数の大きい対物レンズを使用していることから、チタン（Ｔｉ）やタングステン（Ｗ）など、アルミニウム（Ａｌ）よりも光の吸収率の高い材料を用いた場合であっても、レーザビームの照射による破壊を防止することは十分に可能である。

また、焦点位置から離れた領域のエネルギー密度が非常に低くなる点に着目すれば、隣接するヒューズ素子間の距離を従来よりも大幅に狭くすることも可能である。隣接するヒューズ素子間の具体的な距離については特に限定されないが、各ヒューズ素子２０の高さＨよりも小さくすることが十分に可能である。

図８は、複数のヒューズ素子２０を隣接して設けた例を示す略断面図である。

図８に示す例では、複数のヒューズ素子２０が一方向に配列されており、隣接するヒューズ素子間の距離Ｐがヒューズ素子２０の高さＨの半分以下に設定されている。一般的なレーザートリマーに用いられる光学系では、隣接するヒューズ素子間の距離を十分に離しておく必要があるが、本実施形態では、開口数の大きい対物レンズとパワーの弱いレーザビームを用いていることから、切断対象となるヒューズ素子２０に隣接する他のヒューズ素子２０にはほとんどダメージが加わることがなく、目的のヒューズ素子２０のみを選択的に正しく切断することが可能となる。

つまり、図９に示すように、所定のヒューズ素子２０に焦点が合うようレーザビームＬを照射した場合、他のヒューズ素子２０自体や、他のヒューズ素子２０に接続された上部電極１２などにもレーザビームＬが照射されることになるが、上述の通り、本実施形態では、開口数の大きい対物レンズとパワーの弱いレーザビームを用いていることから、焦点外のビームスポットのエネルギー密度は非常に低く、したがってこれらにダメージが加わることはほとんどない。また、パッシベーション膜６０に塵が付着している場合と同様、他のヒューズ素子２０に接続された上部電極１２などによってビームスポットに影が生じることになるが、これについても、開口数の大きい対物レンズを用いていることから、これによる減衰を十分に低減することが可能となる。

尚、レーザビームＬが上部電極１２などに照射されることによるエネルギーの減衰をより低減する必要がある場合には、上部電極１２が密集しているエリアをできるだけ避けるよう、軸方向に対してやや斜めにレーザビームＬを照射すればよい。

したがって、このようなヒューズ素子２０のアレイに対してレーザートリミングを行うと、図１０に示すように、例えば一部のヒューズ素子については切断されているものの、これらを覆うパッシベーション膜６０については、破れのない連続的な膜のままとすることが可能となる。

さらに、本実施形態では、パッシベーション膜６０が実質的に破壊されない点に着目すれば、いわゆる液浸法、つまり、対物レンズとパッシベーション膜６０との間に液体を介在させながらレーザビームを照射することが可能となる。これによれば、対物レンズの実効的な開口数をより高めることが可能となる。

つまり、開口数（ＮＡ）は、光路に存在する媒質の屈折率をｎとし、レーザビームの収束角をθとすれば、次式（３）によって与えられる。

通常のトリミングにおいては、媒質が空気であることから、ｎ＝１である。しかしながら、媒質として液体、例えばｎ＝１．４４である純水を用いれば、開口数が１．４４倍となる。これにより、ヒューズ素子２０の上下に位置する部材に加わるエネルギー密度がよりいっそう低くなるばかりでなく、照射するレーザビームのパワー自体についても、より低く設定することが可能となる。しかも、レーザビームの照射によって生じた熱が媒質である純水によって効率よく冷却されるため、ヒューズ素子２０近傍の部材に加わるダメージをより低減することも可能となる。

次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について説明する。

図１１〜図１５は、本実施形態による半導体装置の好ましい製造方法を工程順に示す略断面図である。

まず、図１１に示すように、絶縁膜４０上に下部電極１１を形成した後、絶縁膜３１，３２，３３をこの順に形成する。このとき、絶縁膜３１，３３と絶縁膜３２とは、互いに異なる材料を選択する。例えば、上述の通り、絶縁膜３１，３３の材料としてはシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を選択し、絶縁膜３２の材料としてはシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を選択することができる。また、膜厚についても、絶縁膜３１，３３の膜厚を相対的に厚く、絶縁膜３２の膜厚を相対的に薄く設定する。絶縁膜３１〜３３の合計膜厚は、ヒューズ素子２０の高さＨを規定することから、これらの合計膜厚は１μｍ以上とすることが好ましく、３μｍ程度とすることがより好ましい。また、絶縁膜３２の膜厚は、上述の通り、１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下に設定することが好ましく、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に設定することが特に好ましい。その理由は既に述べたとおりである。

次に、図１２に示すように、絶縁膜３３の表面にフォトレジスト３５を形成し、フォトリソグラフィー法によってこれをパターニングすることにより、ヒューズ素子２０を形成すべき領域の絶縁膜３３を露出させる。この状態で、絶縁膜３３，３２，３１を順次エッチングする。エッチングは、例えば、同一のＲＩＥチャンバー内で、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）用のエッチングガスを用いて絶縁膜３３をエッチングし、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）用のエッチングガスを用いて絶縁膜３２をエッチングし、さらに、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）用のエッチングガスを用いて絶縁膜３１をエッチングすればよい。

これにより、図１３に示すように、絶縁膜３１〜３３には下部電極１１に達するスルーホール３１ａ，３２ａ，３３ａが形成される。このとき、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする絶縁膜３２のエッチングレートは相対的に小さいため、スルーホール３２ａの径は、スルーホール３１ａ，３３ａの径よりも小さくなる。つまり、絶縁膜３２を貫通する部分においてくびれを有するオーバーハング形状が得られる。

次に、フォトレジスト３５を除去した後、図１４に示すように、ＣＶＤ法のようなカバレッジの優れた成膜方法を用いて、ヒューズ素子２０の材料となる導体を成長させる。例えば、ヒューズ素子２０の材料としてタングステン（Ｗ）を選択する場合には、原料ガスとして６フッ化タングステン（ＷＦ_６）及び水素ガス（Ｈ_２）を用いたプラズマＣＶＤ法を用いればよい。

これにより、スルーホール３１ａ，３２ａ，３３ａの内壁にはヒューズ素子２０の材料が堆積する。このような成膜を続けると、図１５に示すように、スルーホール３１ａ，３２ａ，３３ａの内部が導体で充填される前に、原料ガスの入り口となるスルーホール３３ａが先に埋まってしまう。つまり、スルーホール３１ａ，３２ａ，３３ａには中空部分２０ａが残った状態となる。この中空部分には、原料ガスが閉じ込められた状態となる。或いは、スルーホール３３ａに僅かな隙間がある場合には、上記の原料ガスのほか、窒素ガス（Ｎ_２）やアルゴンガス（Ａｒ）など、原料ガスを排出するためのキャリアガスが閉じ込められた状態となる。

その後は、絶縁膜３３の表面に形成された不要な導体を除去し、ヒューズ素子２０と接する上部電極１２を形成するとともに、上部電極１２を覆うパッシベーション膜６０を形成すれば、本実施形態による半導体装置が完成する。以上説明した方法によれば、中空部分２０ａを有するヒューズ素子２０を容易に形成することが可能となる。

尚、中空部分２０ａを有するヒューズ素子２０を形成する方法としては、上述した方法に限定されず、他の方法を用いることも可能である。例えば、原料ガスの入り口となるスルーホール３３ａが埋まりにくい場合には、スルーホール３１ａ，３２ａ，３３ａの内壁に、ＣＶＤ法などカバレッジの優れた成膜方法を用いてヒューズ素子２０となる導体を成長させた後、図１６に示すように、スパッタリング法などカバレッジの低い成膜方法を用いて別の導体２５を成長させることによって、ヒューズ素子２０を形成することも可能である。この方法によれば、より確実に中空部分２０ａを形成することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、レーザビームのエネルギーがヒューズ素子２０によって効率よく吸収されるとともに、上下方向における焦点位置のマージンが十分に確保されることから、開口数の大きい対物レンズとパワーの弱いレーザビームを用いたトリミングが可能となる。

これにより、パッシベーション膜を実質的に破壊することなくレーザートリミングを行うことが可能となることから、パッシベーション膜の破壊に起因する信頼性の低下などを防止することが可能となる。しかも、トリミング時に飛散物がほとんど発生しないことから、対物レンズに飛散物が付着することがほとんど無くなる。

さらに、開口数の大きい対物レンズとパワーの弱いレーザビームを用いたトリミングが可能であることから、ヒューズ素子の下方や上方に他の配線などを配置することも可能となるばかりでなく、隣接するヒューズ素子間の距離を狭く設定することが可能となる。これらにより、集積密度を高めることも可能となる。

次に、本発明の好ましい第２の実施形態について説明する。

図１７は、本発明の好ましい第２の実施形態による半導体装置に含まれるヒューズ素子の構造を示す略断面図である。

図１７に示すように、本実施形態による半導体装置は、下部電極１１と上部電極１２との間に、下部電極１１側からみてこの順に積層された４層の絶縁膜３１〜３４が介在しており、ヒューズ素子２０に絶縁膜３４を貫通する第４の筒状部分２４が含まれる点において、上記実施形態による半導体装置と異なる。その他の点については、上記実施形態による半導体装置と同様であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

追加された絶縁膜３４は、絶縁膜３３の上部に位置する絶縁膜であり、その材料としては、絶縁膜３３と異なる材料が選択される。例えば、絶縁膜３３の主成分が酸化シリコン（ＳｉＯ_２）であれば、絶縁膜３４の主成分としては窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）や酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などを用いることができる。また、絶縁膜３４の膜厚としては、絶縁膜３３の膜厚よりも薄く設定することが好ましい。

図１８〜図２０は、本実施形態による半導体装置の好ましい製造方法を工程順に示す略断面図である。

まず、図１８に示すように、積層した絶縁膜３１〜３４にスルーホール３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａを形成する。これらスルーホールの形成方法としては、絶縁膜３４の表面にフォトレジスト３５を形成し、フォトリソグラフィー法によってこれをパターニングすればよい。このとき、絶縁膜３４のエッチングレートよりも絶縁膜３３のエッチングレートを大きく設定すれば、スルーホール３４ａの下端部における径がスルーホール３３ａの上端部における径よりも小さくなる。つまり、絶縁膜３３と絶縁膜３４の境界部分においてくびれを有するオーバーハング形状が得られる。

次に、図１９に示すように、ＣＶＤ法のようなカバレッジの優れた成膜方法を用いて、ヒューズ素子２０の材料となる導体を成長させる。これにより、スルーホール３１ａ〜３４ａの内壁にはヒューズ素子２０の材料が堆積するが、スルーホール３３ａとスルーホール３４ａとの間にはオーバーハングが形成されているため、図２０に示すように、原料ガスの入り口となるスルーホール３４ａは、第１の実施形態に比べて容易に埋まることになる。

その後は、絶縁膜３４の表面に形成された不要な導体を除去し、ヒューズ素子２０と接する上部電極１２を形成するとともに、上部電極１２を覆うパッシベーション膜６０を形成すれば、本実施形態による半導体装置が完成する。

このように、本実施形態によれば、中空部分２０ａを有するヒューズ素子２０をより確実に形成することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記各実施形態では、光吸収率の高い絶縁膜３２を２つの絶縁膜３１，３３によって挟み込んだ構造を有しているが、本発明がこれに限定されるものではなく、少なくとも、相対的に光吸収率の低い絶縁膜と相対的に光吸収率の高い絶縁膜が積層され、これら絶縁膜を貫通するようにヒューズ素子が設けられていれば足りる。但し、上記各実施形態のように、光吸収率の高い絶縁膜を２つの絶縁膜によって挟み込んだ構造とすれば、切断されやすい第２の筒状部分をヒューズ素子の中央部分に位置させることができることから、ヒューズ素子の信頼性を高めることが可能となる。

また、上記各実施形態では、中空部分２０ａを有するヒューズ素子２０を用いているが、レーザートリミングによって下部電極１１と上部電極１２とを絶縁可能である限り、本発明においてこのような中空部分２０ａを設けることは必須でない。但し、中空部分の存在は、ヒューズ素子の切断をより確実とするとともに、ヒューズ素子の周囲に与えるダメージを大幅に低減する役割を果たすことから、このような中空部分を形成することは極めて好ましい。また、スルーホールの一部を埋め込んでしまう場合であっても、光吸収率の高い絶縁膜３２を貫通する部分においては、少なくとも中空部分を有していることが特に好ましい。

また、上記実施形態では、スルーホール電極４１を介して下部電極１１が拡散層５１に接続されているが、拡散層５１自体を下部電極として用いても構わない。

本発明の好ましい第１の実施形態による半導体装置に含まれるヒューズ素子２０の構造を示す略断面図である。 ヒューズ素子２０を用いたプログラム回路７０の一例を示す回路図である。 レーザビームによるヒューズ素子２０の切断方法を説明するための模式図である。 切断されたヒューズ素子２０を示す略断面図である。 パッシベーション膜６０に付着した塵６１の影響を説明するための図であり、（ａ）は相対的に開口数の小さい対物レンズを用いた場合、（ｂ）は相対的に開口数の大きい対物レンズを用いた場合を示している。 ヒューズ素子２０の下方に配線８１を配置した例を示す略断面図である。 ヒューズ素子２０の上方に配線８２を配置した例を示す略断面図である。 複数のヒューズ素子２０を隣接して設けた例を示す略断面図である。 切断対象となるヒューズ素子２０とは異なるヒューズ素子２０にレーザビームＬが照射される様子を示す図である。 パッシベーション膜６０を実質的に破壊することなく、いくつかのヒューズ素子２０が切断された状態を示す図である。 本発明の好ましい第１の実施形態による半導体装置の製造方法の一工程（絶縁膜３１〜３３の形成）を示す略断面図である。 本発明の好ましい第１の実施形態による半導体装置の製造方法の一工程（フォトレジスト３５の形成）を示す略断面図である。 本発明の好ましい第１の実施形態による半導体装置の製造方法の一工程（スルーホール３１ａ，３２ａ，３３ａの形成）を示す略断面図である。 本発明の好ましい第１の実施形態による半導体装置の製造方法の一工程（ヒューズ素子２０の形成開始直後）を示す略断面図である。 本発明の好ましい第１の実施形態による半導体装置の製造方法の一工程（ヒューズ素子２０の形成完了）を示す略断面図である。 本発明の好ましい第１の実施形態による半導体装置の他の製造方法の一工程（カバレッジの低い成膜方法を用いたヒューズ素子２０の形成）を示す略断面図である。 本発明の好ましい第２の実施形態による半導体装置に含まれるヒューズ素子２０の構造を示す略断面図である。 本発明の好ましい第２の実施形態による半導体装置の製造方法の一工程（スルーホール３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａの形成）を示す略断面図である。 本発明の好ましい第２の実施形態による半導体装置の製造方法の一工程（ヒューズ素子２０の形成開始直後）を示す略断面図である。 本発明の好ましい第２の実施形態による半導体装置の製造方法の一工程（ヒューズ素子２０の形成完了）を示す略断面図である。

符号の説明

１１ 下部電極
１２ 上部電極
２０ ヒューズ素子
２０ａ 中空部分
２１ 第１の筒状部分
２２ 第２の筒状部分
２３ 第３の筒状部分
２４ 第４の筒状部分
２５ 導体
３１〜３４，４０ 絶縁膜
３１ａ〜３４ａ スルーホール
３５ フォトレジスト
４１ スルーホール電極
５０ 半導体基板
５１ 拡散層
６０ パッシベーション膜
６１ 塵
６２ａ，６２ｂ 影
７０ プログラム回路
７１〜７３ トランジスタ
８１，８２ 配線

Claims (19)

1. 第１の配線層に設けられた下部電極と、
   前記第１の配線層よりも上層に位置する第２の配線層に設けられた上部電極と、
   前記第１及び第２の配線層間に設けられた第１の絶縁膜及び前記第１の絶縁膜よりも光吸収率の大きい第２の絶縁膜と、
   少なくとも前記第１及び第２の絶縁膜を貫通して設けられ、前記下部電極と前記上部電極とを接続するヒューズ素子とを備え、
   前記ヒューズ素子は、少なくとも前記第２の絶縁膜を貫通する部分において中空部分を有する筒型形状を有していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１及び第２の配線層間に設けられ、前記第２の絶縁膜よりも光吸収率の小さい第３の絶縁膜をさらに備え、前記第２の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜と前記第３の絶縁膜の間に位置していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２の絶縁膜の膜厚が前記第１及び第３の絶縁膜の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第２の絶縁膜の膜厚が１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記ヒューズ素子は、前記第２の絶縁膜を貫通する部分において径が小さくなっていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記第１及び第３の絶縁膜の主成分が酸化シリコンであり、前記第２の絶縁膜の主成分が窒化シリコンであることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記ヒューズ素子の高さが前記ヒューズ素子の平均径の３倍以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記ヒューズ素子の前記高さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記ヒューズ素子の前記平均径が３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置。
10. 前記ヒューズ素子を複数備え、隣接するヒューズ素子間の距離が前記ヒューズ素子の前記高さよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置。
11. 第１の配線層に設けられた下部電極と、
    前記第１の配線層よりも上層に位置する第２の配線層に設けられた上部電極と、
    前記第１及び第２の配線層間に設けられた第１の絶縁膜及び前記第１の絶縁膜よりも光吸収率の大きい第２の絶縁膜と、
    少なくとも前記第１及び第２の絶縁膜を貫通して設けられ、前記下部電極と前記上部電極とを接続する複数のヒューズ素子とを備え、
    隣接する前記ヒューズ素子間の距離が前記ヒューズ素子の高さよりも小さいことを特徴とする半導体装置。
12. 第１の配線層に設けられた下部電極と、
    前記第１の配線層よりも上層に位置する第２の配線層に設けられた上部電極と、
    前記第１及び第２の配線層間に設けられた第１の絶縁膜及び前記第１の絶縁膜よりも光吸収率の大きい第２の絶縁膜と、
    少なくとも前記第１及び第２の絶縁膜を貫通して設けられ、前記下部電極と前記上部電極とを接続するヒューズ素子とを備え、
    前記ヒューズ素子の高さが照射すべきレーザビームの焦点深度よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
13. 前記ヒューズ素子の平均径が前記レーザビームの回折限界よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
14. 前記第１の配線層よりも下層に位置する第３の配線層に設けられ、前記ヒューズ素子の下方に位置する配線をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の半導体装置。
15. 前記第２の配線層よりも上層に位置する第４の配線層に設けられ、前記ヒューズ素子の上方に位置する配線をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
16. 請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の半導体装置に対し、前記ヒューズ素子のうち少なくとも前記第２の絶縁膜を貫通する部分にレーザビームを照射することを特徴とするヒューズ素子の切断方法。
17. 前記レーザビームの焦点深度がヒューズ素子の高さよりも小さく、且つ、回折限界が前記ヒューズ素子の平均径よりも大きいことを特徴とする請求項１６に記載のヒューズ素子の切断方法。
18. 前記焦点深度が前記ヒューズ素子の前記高さの半分以下であることを特徴とする請求項１７に記載のヒューズ素子の切断方法。
19. 前記ヒューズ素子の上部に位置するパッシベーション膜を実質的に破壊することなく、前記ヒューズ素子を切断することを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載のヒューズ素子の切断方法。
    

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