JP2008147406A - レーザによる集積回路の修正方法および装置 - Google Patents

レーザによる集積回路の修正方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体集積回路内の冗長回路の導電性リンクを切断する方法と装置を提供する。
【解決手段】
半導体基板上に形成された半導体デバイス内に少なくとも導電性リンクを覆う保護層で埋め込まれた複数の導電性リンクを選択的にリンク切断する工程において、目標とするリンクに集光ビームを位置決めし、レーザの波長が400nm以下の短波長の第１のパルスレーザと波長が400nmより長い波長の第２のパルスレーザを発生し、第１と第２のパルスレーザを重畳して保護層の上から、導電性リンクに向けて照射する。第１のパルスレーザより第２のパルスレーザを時間的に遅延させて照射するとなお良い。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体基板上に形成される集積回路に関し、特に集積回路がDRAM、SRAMのような論理回路を含み、デバイス内部に含まれる電気的な導電性リンクを周辺の構造部分における損傷発生を防止し、高集積密度で導電性リンク構造を形成し、必要に応じて選択的に導電性リンクをレーザ切断可能にした修正方法と装置を提供する。
電子工業においてDRAM、SRAMなどの微細化は年々進展し、それにつれて内部の回路の光集積化が図られている。構造的に同種の回路が繰り返し形成される行列的配置において冗長回路もその中に組み込まれる。これらの冗長回路は不良回路と導電性リンクの切断作業で半導体集積回路の機能救済に用いられる。この導電リンクの切断にはレーザ集光ビームが用いられ、リンク幅より大きなレーザ集光スポットがリンクをめがけて照射され切断が行われる。この場合、集積回路の内部構造の高密度化により導電性リンクの隣接リンクとの間隔が短くなり、レーザスポットサイズはリンク間隔より小さいことが要求される。
従来は半導体基板であるシリコンには光吸収率が小さく、導電性リンクの材料には吸収率が高いレーザ波長の1.2μmから３μmの赤外線レーザが好んで利用され、基板には損傷が発生しないで、リンクだけを蒸発させる方法が実施されている。しかし、赤外線（ＩＲ）のレーザは集光スポットがその波長によって大きくなるため、さらなる微細化が要求される現状に反して、導電性リンクの大きさだけが他の構成素子より大きくせざるを得ない。
そこで、波長の短いレーザが試みられているが問題がある。紫外線（ＵＶ）レーザを用いる場合は、表面から加工が進行するため、リンクの上に保護層があると、この保護層を除去してからリンク層を除去するため複数パルスのＵＶパルスレーザ照射が必要となる（特許文献５）。ＵＶレーザの集光性が優れているのでリンク切断をエッチング法で行う工程に先立ってレジスト層をコーティングして、選択されたリンク層の真上だけにＵＶ集光スポットで露光し、その後現像工程でレジスト除去を行い、その後エッチングをしてリンクを切断する方法（特許文献８）などが検討されている。さらにＩＲレーザの代わりに波長が半分程度の可視（ＶＩＳ）レーザを用いることが検討されているが、周辺構造に損傷を引き起こす問題がある。
図１において従来の１実施例を説明すると、シリコンなどの半導体基板１の上に不活性化層２が堆積される、その上に導電性リンク３が電極４を両側に有して設置され、その上に保護用の不活性層５が置かれる。これにＩＲパルスレーザ６を照射すると図２に示すようにレーザビームの照射された場所の不活性層５と導電性リンク３の部分は蒸発除去加工が実施されて導電性リンクが切断され導電性リンク切断除去部７が形成される。図３は平面図の概要を示し、スポットサイズ１０のＩＲレーザを照射することで半導体基板１には損傷を与えないで導電リンク３を除去加工する場合のビーム位置とリンクの位置関係を示した。
波長が1.2μｍから3μｍのＩＲレーザを用いた場合、シリコンに対する透過率が高い波長であるためシリコン基板の損傷は微小である。しかしながら、レーザ集光スポットサイズ１０を大きくしなければならず、リンクの間隔として8μｍから10μｍ程度の距離が必要になる。これが高集積回路の設計に障害となる。一方、ＶＩＳパルスレーザビーム６５を用い、スポットサイズをＩＲレーザの半分以下に短波長化すると導電性リンクを切断した後に、切断部周辺にクラック８などの損傷が発生しやすい。また、図２の導電性リンク３と半導体基板上の不活性層２との間の剥離が生じることもある。これらは集積回路の信頼性上不都合である。この原因としては導電性リンク上に形成される保護用不活性層が可視レーザに対して透明であるところに導電性リンクが爆発的蒸発を起こすので周辺に衝撃を与えクラックや剥離などの損傷を与えるためと推察される。
米国特許第５２６５１１４号明細書 米国特許第５４７３６２４号明細書 米国特許第５５６９３９８号明細書 米国特許第６０２５２５６号明細書 米国特許第６０６５１８０号明細書 米国特許第６２９７５４１号明細書 米国特許第６５７４２５０号明細書 米国特許第６５９３５４２号明細書 米国特許第６９７９７９８号明細書 特表２０００−５１４２４９号公報
本願発明による解決しようとする課題は、繰り返しＱスイッチレーザパルスの出力を用いて導電性リンク切断を実施する場合、リンク切断場所周辺に損傷を発生することを防止した導電性リンクのレーザ切断方法並びにそれを実施する装置を提供することにある。
本発明は、前記課題を解決するために、半導体基板上に形成された半導体集積回路内に少なくとも導電性リンクを覆う保護層で埋め込まれた複数の導電性リンクを選択的にレーザ照射することによって切断するレーザによる集積回路の修正方法において、目標とする導電性リンクにレーザを位置決めするステップ、レーザの波長が400nm以下の紫外ビームである第１のパルスレーザと波長が400nmより長い可視ビームである第２のパルスレーザを発生するステップ、第１と第２のパルスレーザを重畳するステップ、及び前記保護層の上から重畳された第１と第２のパルスレーザ前記導電性リンクに向けて照射することにより切断するステップを有することを特徴とする。
また、前記切断するステップにおいて第１のパルスレーザより第２のパルスレーザを時間的に遅延させて前記導電性リンクに向けて照射することを特徴とする。
また、第１のパルスレーザを前記保護層に焦点を合わせて照射し、第２のパルスレーザを前記導電性リンクに焦点を合わせて照射することを特徴とする。
また、第１と第２のパルスレーザを発生するステップが、１つのレーザ媒体から基本波を発生させるステップ、前記基本波から高調波を生成するステップ、及び、第２のパルスレーザの波長として前記基本波を、第１のパルスレーザの波長として前記高調波を選択するステップまたは第２のパルスレーザの波長として前記高調波を、第１のパルスレーザの波長としてより高次の前記高調波を選択するステップを有することを特徴とする。
一方、本発明は、前記課題を解決するために、半導体基板上に形成された半導体集積回路内に少なくとも導電性リンクを覆う保護層で埋め込まれた複数の導電性リンクを選択的にレーザ照射することによって切断するレーザによる集積回路の修正装置において、目標とする導電性リンクにレーザを位置決めする手段レーザの波長が400nm以下の紫外ビームである第１のパルスレーザと波長が400nmより長い可視ビームである第２のパルスレーザを発生する手段、及び第１と第２のパルスレーザを重畳する手段、
を有することを特徴とする。
また、第２のパルスレーザを前記導電性リンクに照射する時間を第１のパルスレーザより遅延させる手段をさらに有することを特徴とする。
また、前記遅延させる手段が第１のパルスレーザより第２のパルスレーザの光路長を長くする手段であることを特徴とする。
また、第１のパルスレーザを前記保護層に焦点を合わせて照射した後第２のパルスレーザを前記導電性リンクに焦点を合わせて照射する手段を有することを特徴とする。
また、第１と第２のパルスレーザを発生する手段が、基本波を発生させる１つのレーザ媒体、前記基本波から高調波を生成する手段、及び、第２のパルスレーザの波長として前記基本波を、第１のパルスレーザの波長として前記高調波を選択する手段または第２のパルスレーザの波長として前記高調波を、第１のパルスレーザの波長としてより高次の前記高調波を選択する手段からなることを特徴とする。
本発明によれば、Ｑスイッチレーザパルスの波長を不活性層に吸収特性を有するレーザパルスと不活性層には透過特性を有し、導電性リンクには光吸収特性を有するＶＩＳレーザパルスを重畳して多波長重畳ビームとし、不活性層上から不活性層を通過して導電性リンクを照準して照射する。これにより、不活性層と導電性リンクのレーザ照射光路を同時にエネルギー注入して、過熱軟化した場所から導電性リンク物質を外部に蒸発させることにより、発熱部分の熱応力の発生を防止し、損傷の発生を防止した導電リンクの切断方法を実現する。
本発明の不活性層と導電性リンクからなる多層膜の切断除去加工にＩＲ波長域のＱスイッチレーザ発振器とその出力パルスから非線形光学結晶を用いて得られる高調波発生技術を用いたＵＶレーザ光とＶＩＳレーザ光の重畳レーザパルスを導電性リンクに集光して照射する多波長パルスレーザによる照射を行うことで、光学的、熱的な物理的特性の異なる多層構造をレーザビーム照射領域において蒸発除去し導電性リンクを切断する。その際に従来試みられているＶＩＳ波長域のパルスレーザだけの照射時に発生することがある、導電性リンクの周辺部のクラック発生や層間の剥離を防止することが可能になる。
さらに、レーザビームの波長はＵＶ並びにＶＩＳ波長域を用いるために波長がＩＲレーザより短く、従って、従来の加工に用いたシリコンに透過性を有する波長１．２μｍから３.０μｍの赤外線レーザによる集光スポットの大きさを半分以下に微小化でき、従って集積回路のリンク配列の幅、隣接するリンクの配置間隔を従来の間隔より短縮でき高集積化が図れる。さらにＵＶ光とＶＩＳ光のレーザを重畳して照射することにより微細な集光スポットを形成できる上に照射する不活性層や導電性リンクを形成する材料の物理的特性の選択範囲を拡大できる。このことは高信頼性、高集積化されたメモリの製造に大きく寄与する。
ＶＩＳレーザパルスをＵＶレーザパルスより遅延して照射した場合には、先に照射されたＵＶレーザパルスにより、保護層が加熱され軟化または蒸発される。その後、ＶＩＳレーザパルスにより、導電性リンクが加熱され蒸発される。このため、導電性リンクが蒸発するときは、すでに保護層が軟化または蒸発しているので、周辺への過度の応力衝撃が一層軽減される。したがって、周辺部のクラックや層間の剥離などの発生はさらに防止される。
また、ＵＶレーザパルスを保護層に焦点を合わせて照射し、さらにＶＩＳレーザパルスを導電性リンクに焦点を合わせて照射することでこれらの効果が一層高まる。
以下、図４〜図６を参照して、本発明の好ましい実施例について説明する。
図４において、多波長パルスレーザを発生する構成を示す。シリコンなど、半導体集積回路の作成された半導体基板７０が、精密位置決めテーブル７１に搭載され、その上にレーザビームを集積回路の導電性リンク７６上の選択された所定の位置に設定され、導電性リンク７６に集光照射するため集光レンズ６９がリンクに対応する位置に設置される。集光レンズ６９にＵＶパルスレーザビーム６６とＶＩＳパルスレーザビーム６５が重畳した多波長レーザビーム６７が全反射ミラー６８で反射されて導かれ集光される。この集光点が導電性リンクの中心に照射される構成が示される。加工用多波長レーザビーム６７の発生は、以下のようである。
レーザ媒体５４、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザロッド、超音波Ｑスイッチ５３、非線形光学結晶５５をレーザ共振器ミラー５６，５２の間に配置する。レーザ発振波長において高反射特性を有し、光励起ビーム８０の波長には透過率の高いミラー５２を通じて、励起用波長に適合する半導体レーザダイオード５０からの発散性発振光である光励起ビーム８０を集光レンズ５１で収束性ビーム８１としてレーザロッドであるレーザ媒体５４に集光して導く。ロッド軸と光励起ビーム８０を同軸に配置して収束性ビーム８１でレーザロッドを光励起する。これによりレーザ媒体内に分布する活性イオンが励起され反転分布による光増幅作用を持つ。
超音波Ｑスイッチ５３によるレーザ共振器ミラー５２−５６内の発振光路８２の光学的損失のオン、オフ制御によって、Ｑスイッチレーザパルスを発生する。Ｑスイッチ５３では、音響波を発生させるトランスジューサ（図示せず）へ印加する高周波（ＲＦ）パワーのオン、オフにより、該音響波を受ける超音波プリズム（図示せず）媒体内に発生する屈折率の粗密波形成による透過光の回折作用の有無によって光学的損失の大小を起こす。
Ｑスイッチレーザパルスが共振器内の発振光路８２に発生すると、活性イオンからのレーザ放射の基本波長λと共振器光路内に設置された非線形光学結晶５５による第２高調波の波長λ／２とが混ざったビームがレーザ共振器ミラー５６から共振器外にビーム８３として放出される。このレーザ共振器ミラー５６の光透過特性は第２高調波には透過率が高く、レーザ発振の基本波波長には高い反射率を有する。これによりレーザ発振基本波成分のパワーは共振器内に高いパワー密度で滞留し、非線形結晶において高調波に効率よく変換され、変換された高調波成分はレーザ共振器ミラー５６で反射されないで共振器の外部にビーム８３として出力される。
Ｎｄ：ＹＡＧであれば、基本波の発振波長λが１０６４nmであり、第２高調波であるＶＩＳビームの波長はλ／２である５３２nm、第３高調波ではλ／３の波長である３５５nm、第４高調波ではλ／４の波長である２６６nmとなる。この発明において、ＶＩＳは波長４００nmを越え７００nm以下を定義し、ＵＶビームは波長４００nm以下であれば、発明の効果が得られる。したがって、第２高調波はＶＩＳビーム、第３及び第４高調波はＵＶビームとなる。
レーザ媒体５４としてＮｄ：ＹＡＧレーザロッド以外のものを用いる場合で、レーザ発振の基本波の波長がＶＩＳに属し、第２、第３等の高調波がＵＶに属する場合は、基本波の波長をＶＩＳパルスレーザとして用い、それらの高調波のいずれかをＵＶパルスレーザとすればよい。
共振器外に放出されたビーム８３は、さらに短波長となる第２高調波と基本波との混合波成分である第３高調波（波長λ／３）、又は第２高調波の高調波として基本波の第４高調波（波長λ／４）に変換するための非線形結晶５８に導かれる。非線形光学結晶による更なる高調波への変換効率を向上させるため、非線形結晶内の入射ビームのパワー密度を増加させるために集光レンズ５７を用いて集光し、その集光点近傍に非線形光学結晶５８を設置し、波長λ／３又は波長λ／４のＵＶビームを含む重畳ビーム８５に変換する。
ＶＩＳビームとＵＶビームの重畳ビーム８５を再度平行にコリメートするためにレンズ５９、６０を設けて平行ビーム８７にビーム特性を変換する。平行ビーム８７はビーム分岐素子６１でＶＩＳパルスレーザビーム６５とＵＶパルスレーザビーム６６に分岐し、ＵＶパルスレーザビーム６６は距離的に短い光路でビーム合成素子６４に導き、ＶＩＳパルスレーザビーム６５は全反射ミラー６２，６３から成る迂回光路を経由させて時間遅延を与える。ビーム合成素子６４にて、ＵＶパルスレーザビーム６６とＶＩＳパルスレーザビーム６５を同軸上に再度重畳させ、導電性リンク７６を切断するための加工用多波長レーザビーム６７を得る。ビーム分岐素子６１及びビーム合成素子６４は、ＶＩＳパルスレーザビーム６５に時間遅延を与える必要がない場合は省略できる。加工用多波長レーザビーム６７は全反射ミラー６８及び集光レンズ６９を経由して導電性リンク７６に導き、不活性層と導電性リンクを蒸発除去する。
ＶＩＳパルスレーザビーム６５に時間遅延を与える場合は、まず保護用の不活性層５に集光レンズ６９の焦点を合わせてＵＶパルスレーザビーム６６を照射し、遅延時間のうちに導電性リンク３に集光レンズ６９の焦点をあわせてからＶＩＳパルスレーザビーム６５を照射することが可能である。
図５の導電性リンク切断の断面図に示されるように、この２波長成分のＶＩＳパルスレーザビーム６５とＵＶパルスレーザビーム６６は加工用多波長レーザビーム６７としてシリコンなどの半導体基板１上に形成された多層構造の導電性リンク３を含む表面の不活性層５に照射される。不活性層が通常は可視光に対しては透過性が大きく、ＵＶビームには不透明で吸収性であるので不活性層では主としてＵＶビームが吸収され、照射部位を加熱軟化させる、一方、ＵＶビームと同時又は時間的に遅延して同一場所に照射するＶＩＳビームは、表面における光吸収割合は小さく、内部に置かれた導電性リンク３に達し、加熱し蒸発させる。ここで導電性リンク３のＶＩＳビームが照射された領域は急激に高温度になり爆発的に圧力が高くなる。このＵＶビームとＶＩＳビームの２波長重畳照射のために、表面上層に置かれた不活性層５がＵＶビームで溶融又は軟化を起こし、層内部で爆発的な圧力増大を起こすことにより、周囲に圧力を及ぼすが、軟化を起こしている上方のＵＶ照射された不活性層を吹き飛ばすことで圧力の排出を起こす。従って、内部の導電リンク３部の高温化による周辺への過度の応力衝撃は軽減されるので、導電リンク３の下層の不活性層２や半導体基板１におけるクラック、それらの構成層間での剥離などによるリンク切断周辺領域での損傷の発生を回避できる。
このように、上層で爆発的な衝撃を吸収することによる孔生成がＵＶビーム照射で形成された軟化層により防止され、同時的に内部の導電性リンク３の蒸発除去により切断が実行され、図６に示すような加工部断面７２が形成される。
以上本発明の実施例を説明した。特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想から逸脱することなく、これらに変更を施すことができることは明らかである。
本発明の活用例として、半導体メモリのシリコンウエハ冗長性回路の導電性リンクの回路素子の切断、その他、多層構造電子素子の層内部における除去切断に有効である。表面保護層として不活性層を表面に形成されたコンデンサ、抵抗、インダクタンスなどのトリミング、ＬＣＤ表示パネル修正加工、ＰＤＰ表示装置の修正加工、回路基板の機能トリミングその他半導体基板のレーザ精密加工に適用できる。高集積回路製造において、加工幅の微小化、加工除去物の減少などにより製品歩留まり向上により電子部品の製造コストの低減が可能になる。
この発明に関する従来例のレーザビーム照射による加工方法の説明図。 図１の従来の装置構成の説明用導電性リンク切断後の断面図。 図１の従来の導電性リンクの平面図と問題点の説明図。 この発明を実施する装置構成図。 この発明の動作説明用の導電性リンク切断の説明用断面図。 本発明による切断後の導電性リンク説明用断面図。
符号の説明
１：半導体基板
２：半導体基板上の不活性層
３：導電性リンク
４：導電性リンク電極
５：保護用の不活性層
６：ＩＲパルスレーザ
７：導電性リンク切断除去部
８：ＶＩＳレーザビーム照射でリンク切断部周辺に発生するクラック
１０：ＩＲパルスレーザ集光スポット
１１：導電性リンクの配列間隔
１２：導電性リンクの電極間隔
１３：導電性リンクの幅
５０：励起用半導体レーザダイオード
５１：集光レンズ
５２：レーザ共振器ミラー
５３：超音波Ｑスイッチ
５４：レーザ媒体（レーザロッド）
５５、５８：非線形光学結晶
５６：レーザ共振器ミラー
５７：集光レンズ
５９、６０ビームコリメート用レンズ
６１：ビーム分岐素子
６４：ビーム合成素子
６５：ＶＩＳパルスレーザビーム
６６：ＵＶパルスレーザビーム
６７：加工用多波長レーザビーム
６２、６３、６８：全反射ミラー
６９：集光レンズ
７０：半導体集積回路の作成された半導体基板
７１：位置決めテーブル
７２：紫外レーザと可視レーザの重畳ビームによる加工部断面
７６：導電性リンク
８０：光励起ビーム
８１：収束性ビーム
８２：発振光路
８３：ビーム
８５：重畳ビーム
８７：平行ビーム

Claims (9)

  1. 半導体基板上に形成された半導体集積回路内に少なくとも導電性リンクを覆う保護層で埋め込まれた複数の導電性リンクを選択的にレーザ照射することによって切断するレーザによる集積回路の修正方法において、
    目標とする導電性リンクにレーザを位置決めするステップ、
    レーザの波長が400nm以下の紫外ビームである第１のパルスレーザと波長が400nmより長い可視ビームである第２のパルスレーザを発生するステップ、
    第１と第２のパルスレーザを重畳するステップ、及び
    前記保護層の上から重畳された第１と第２のパルスレーザを前記導電性リンクに向けて照射することにより切断するステップ
    を有することを特徴とするレーザによる集積回路の修正方法。
  2. 前記切断するステップにおいて
    第１のパルスレーザより第２のパルスレーザを時間的に遅延させて前記導電性リンクに向けて照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザによる集積回路の修正方法。
  3. さらに、第１のパルスレーザを前記保護層に焦点を合わせて照射し、第２のパルスレーザを前記導電性リンクに焦点を合わせて照射することを特徴とする請求項２に記載のレーザによる集積回路の修正方法。
  4. 第１と第２のパルスレーザを発生するステップが、１つのレーザ媒体から基本波を発生させるステップ、前記基本波から高調波を生成するステップ、及び、第２のパルスレーザの波長として前記基本波を、第１のパルスレーザの波長として前記高調波を選択するステップまたは第２のパルスレーザの波長として前記高調波を、第１のパルスレーザの波長としてより高次の前記高調波を選択するステップを有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザによる集積回路の修正方法。
  5. 半導体基板上に形成された半導体集積回路内に少なくとも導電性リンクを覆う保護層で埋め込まれた複数の導電性リンクを選択的にレーザ照射することによって切断するレーザによる集積回路の修正装置において、
    目標とする導電性リンクにレーザを位置決めする手段
    レーザの波長が400nm以下の紫外ビームである第１のパルスレーザと波長が400nmより長い可視ビームである第２のパルスレーザを発生する手段、及び
    第１と第２のパルスレーザを重畳する手段、
    を有することを特徴とする
    レーザによる集積回路の修正装置。
  6. 第２のパルスレーザを前記導電性リンクに照射する時間を第１のパルスレーザより遅延させる手段をさらに有することを特徴とする請求項５に記載のレーザによる集積回路の修正装置。
  7. 前記遅延させる手段が第１のパルスレーザより第２のパルスレーザの光路長を長くする手段であることを特徴とする請求項６に記載のレーザによる集積回路の修正装置。
  8. さらに、第１のパルスレーザを前記保護層に焦点を合わせて照射した後第２のパルスレーザを前記導電性リンクに焦点を合わせて照射する手段を有することを特徴とした請求項６または７のいずれか１項に記載のレーザによる集積回路の修正装置。
  9. 第１と第２のパルスレーザを発生する手段が、
    基本波を発生させる１つのレーザ媒体、前記基本波から高調波を生成する手段、及び、第２のパルスレーザの波長として前記基本波を、第１のパルスレーザの波長として前記高調波を選択する手段または第２のパルスレーザの波長として前記高調波を、第１のパルスレーザの波長としてより高次の前記高調波を選択する手段からなることを特徴とする、請求項５ないし８のいずれか１項に記載のレーザによる集積回路の修正装置。
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