JP2010251499A

JP2010251499A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2010251499A
Application number: JP2009098801A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Inohara; 正弘猪原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】少ない電流で精度よく切断することができる電気ヒューズを備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の一態様に係る半導体装置１は、半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁膜５と、絶縁膜５中に形成された電気ヒューズ３と、電気ヒューズ３の両端に形成された配線２ａ、２ｂと、絶縁膜５中に電気ヒューズ３の側面の一部である露出面３０に面して形成された空隙４と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、電流を印加することにより切断するタイプのヒューズである電気ヒューズが知られている（例えば、非特許文献１、２参照）。電気ヒューズを用いる場合、レーザ照射により切断するタイプのヒューズであるレーザトリミングヒューズを用いる場合と異なり、ヒューズの上下層に配線やパッド配置が可能であるため、デバイス面積を縮小することができる。また、電気的にプログラムを行うため、モールド樹脂封止後にもヒューズ切断が可能であり、歩留まりの飛躍的向上が期待できる。また、ヒューズ切断時にレーザトリマ装置を必要としないため、設備投資の抑制効果も期待できる。

しかし、従来の電気ヒューズによれば、ヒューズ全体のうちのいずれの箇所が実際に切断されるかを特定することが困難であるため、ヒューズに接続された配線に近い位置で切断が生じた場合に、配線中の金属が切断箇所に拡散し、切断箇所が再度接合してしまうという問題が発生するおそれがあった。

一方、エアギャップを用いた配線構造を有する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。エアギャップは低い誘電率を有するため、配線間容量を低減し、半導体素子の高速化を図ることができる。

特許第３５２６２８９号公報

河野和史、他６名、「高信頼性を実現した銅溶断電気ヒューズ技術の開発」、信学技報 IEICE Technical Report, SDM2006-249(2007-02), pp.25-30. T. Ueda et al., "A Novel Cu Electrical Fuse Structure and Blowing Scheme Utilizing Crack-Assisted Mode for 90-45nm-Node and Beyond", Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, 2006.

本発明の目的は、少ない電流で精度よく切断することができる電気ヒューズを備えた半導体装置を提供することにある。

本発明の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された空隙を含む絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成され、前記空隙に露出した露出面を側面の一部に有する電気ヒューズと、を有する半導体装置を提供する。

また、本発明の他の態様は、半導体基板上の第１の絶縁膜中に、電気ヒューズを形成する工程と、前記電気ヒューズの側面の一部を露出させるように、前記第１の絶縁膜中に溝を形成する工程と、前記溝中に犠牲膜を埋め込む工程と、前記第１の絶縁膜、前記電気ヒューズ、および前記犠牲膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、前記犠牲膜を気化して、前記第２の絶縁膜を通して除去する工程と、を含む半導体装置の製造方法を提供する。

本発明によれば、少ない電流で精度よく切断することができる電気ヒューズを備えた半導体装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の上面図。本発明の実施の形態に係る半導体装置の図１に示した鎖線II-IIにおける切断面を示した断面図。本発明の実施の形態に係る半導体装置の図１に示した鎖線II-IIにおける切断面を示した断面図。（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。（ｆ）〜（ｉ）は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。

〔実施の形態〕
（半導体装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置１の上面図である。また、図２は、半導体装置１の図１に示した鎖線II-IIにおける切断面を示した断面図である。

半導体装置１は、図示しない半導体基板上に形成された絶縁膜５と、絶縁膜５中に形成された電気ヒューズ３と、電気ヒューズ３の両端に形成された配線２ａ、２ｂと、配線２ａ、２ｂおよび電気ヒューズ３の側面および底面に形成されたバリア膜６と、絶縁膜５中に電気ヒューズ３の側面の一部である露出面３０に面して形成された空隙４と、絶縁膜５上に形成された拡散防止膜７と、拡散防止膜７上に形成された絶縁膜８と、を有する。なお、図１においては、拡散防止膜７および絶縁膜８の図示を省略する。

空隙４は、絶縁膜５よりも低い熱伝導率を有する気体で満たされた空間であり、例えば、空気で満たされたエアギャップである。

露出面３０は、電気ヒューズ３の側面の空隙４により露出した部分である。空隙４は、絶縁膜５よりも低い熱伝導率を有するため、電気ヒューズ３を切断するために電流を流す際に、電気ヒューズ３中の露出面３０近傍の領域からは熱が外部に逃げにくく、露出面３０近傍の領域の温度が局所的に高まる。これにより、電気ヒューズ３は露出面３０近傍の領域において切断される。このため、空隙４を形成することにより、電気ヒューズ３の切断位置を特定することができる。

なお、電気ヒューズ３の切断箇所が配線２ａまたは配線２ｂに近いと、配線２ａまたは配線２ｂ中の金属が切断箇所に拡散し、切断した電気ヒューズ３が再度接合してしまうおそれがある。このため、露出面３０（空隙４）は電気ヒューズ３の長さ方向の中心近くに形成されることが好ましい。具体的には、露出面３０（空隙４）は電気ヒューズ３の長さ方向の側面の中心を含む位置に形成されることが好ましい。

また、電気ヒューズ３に電流を流した際に局所的に高温になる領域を設けることにより、少ない電流で電気ヒューズ３を切断することができる。

電気ヒューズ３の長さ方向の露出面３０の幅３０ａは、電気ヒューズ３の長さ３ａ（例えば、数μｍ）の半分以下であることが好ましい。これは、切断箇所が配線２ａまたは配線２ｂに近くなることを防ぐためと、電気ヒューズ３に電流を流した際に高温になる領域を小さくして、より少ない電流で確実に電気ヒューズ３を切断するためである。

また、幅３０ａが短すぎた場合は、露出面３０近傍の領域から外部に容易に熱が逃げ、局所的に高温にすることができないため、例えば、幅３０ａは電気ヒューズ３の幅３ｂ（例えば、１００ｎｍ）以上であることが好ましい。なお、幅３ｂは、図１に示すように、水平面内の電気ヒューズ３の長さ方向に対して垂直な方向の電気ヒューズ３の一方の端部から他方の端部までの距離である。

なお、空隙４の幅４ａは、短くても（たとえリソグラフィの解像度限界のサイズであっても）電気ヒューズ３の切断に支障はない。

また、電気ヒューズ３を精度よく切断するために、図２に示されるように空隙４の電気ヒューズ３に隣接する領域の底部の高さがバリア膜６の最下部の高さに対してほぼ同じになるように空隙４を形成し、露出面３０の最下部の高さをバリア膜６の最下部の高さとほぼ同じにすることが好ましい。また、図３に示されるように空隙４の電気ヒューズ３に隣接する領域の底部の高さがバリア膜６の最下部の高さよりも低くなるように空隙４を形成し、露出面３０の最下部の高さをバリア膜６の最下部の高さとほぼ同じにしてもよい。

また、空隙４は、図１〜３に示されるように電気ヒューズ３の両側面に形成されることが好ましい。すなわち、露出面３０が電気ヒューズ３の両側面に形成されることが好ましい。なお、空隙４の形状は、図１〜３に示されるような直方体でなくてもよい。また、電気ヒューズ３の両側面の空隙４の形状は同一でなくてもよい。また、空隙４は電気ヒューズ３の片側の側面の一部のみを露出するように形成されてもよい。

配線２ａ、２ｂ、および電気ヒューズ３は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、またはＣｕを添加したＡｌ等の導電材料からなる。この場合、バリア膜６は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｒｕ等の金属、またはＴｉＮ等のこれらの金属を含む化合物から形成される。

なお、また、配線２ａ、２ｂ、および電気ヒューズ３がＣｕからなる場合は、エレクトロマイグレーションを抑制するために、ＣｕにＡｌ、Ｓｉ等を添加してもよい。

また、配線２ａ、２ｂ、および電気ヒューズ３の材料として、上面に金属シリサイドを有するＳｉを用いることができる。金属シリサイドとして、Ｎｉシリサイド、Ｃｏシリサイド、Ｔｉシリサイド、またはＰｔを添加したＮｉシリサイド等が用いられる。この場合、バリア膜６は形成されなくてもよい。

拡散防止膜７は、ＳｉＮ、ＳｉＣＯＮ等の絶縁膜からなり、配線２ａ、２ｂ、および電気ヒューズ３中の金属の拡散を抑える性質を有する。また、後述する犠牲膜１４を気化することにより発生するガスを透過する性質を有する。

絶縁膜５、８は、ＳｉＯ_２等の絶縁膜からなる。

以下に、本実施の形態に係る半導体装置１の製造方法の一例を示す。

（半導体装置の製造）
図４Ａ（ａ）〜（ｅ）、図４Ｂ（ｆ）〜（ｉ）は、本発明の実施の形態に係る半導体装置１の製造工程を示す断面図である。

まず、図４Ａ（ａ）に示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により、図示しない半導体基板上に絶縁膜５を形成し、例えば、リソグラフィ法とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法の組み合わせにより、絶縁膜５中に配線溝１０を形成する。配線溝１０は、配線２ａ、２ｂ、および電気ヒューズ３のパターンを有する。

次に、図４Ａ（ｂ）に示すように、配線溝１０内を埋めるようにバリア膜材料１１および配線材料１２を形成する。具体的には、例えば、スパッタ法によりバリア膜材料１１を形成し、続いて、スパッタ法等によりバリア膜材料１１上に配線材料１２のシード膜を形成した後、めっき法により配線材料１２を形成する。

次に、図４Ａ（ｃ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の平坦化処理により、バリア膜材料１１および配線材料１２の配線溝１０の外側の部分を除去して、配線２ａ、２ｂ、電気ヒューズ３、およびバリア膜６を形成する。

次に、図４Ａ（ｄ）に示すように、例えば、リソグラフィ法とＲＩＥ法の組み合わせにより、絶縁膜５中に溝１３を形成する。溝１３は空隙４のパターンを有する。

次に、図４Ａ（ｅ）に示すように、溝１３を埋めるように犠牲膜１４を形成する。犠牲膜１４は、カーボン膜のように、気化することにより拡散防止膜７を通して外部に排出することのできる性質を有する。

次に、図４Ｂ（ｆ）に示すように、ＣＭＰ等の平坦化処理により、犠牲膜１４の溝１３の外側の部分を除去する。

次に、図４Ｂ（ｇ）に示すように、ＣＶＤ法等により、絶縁膜５、配線２ａ、２ｂ、電気ヒューズ３、バリア膜６、および平坦化した犠牲膜１４上に拡散防止膜７を形成する。拡散防止膜７は例えばＳｉＮ、ＳｉＣＯＮ等の絶縁膜から形成される。

次に、図４Ｂ（ｈ）に示すように、犠牲膜１４を気化して拡散防止膜７を通して除去し、空隙４を形成する。具体的には、例えば、犠牲膜１４がカーボン膜である場合は、酸素雰囲気下での４００℃の熱処理により犠牲膜１４を燃焼させ、燃焼により発生したＣＯ_２ガスを拡散防止膜７を通して外部に排出する。

次に、図４Ｂ（ｉ）に示すように、ＣＶＤ法等により、拡散防止膜７上に絶縁膜８を形成する。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、空隙４を形成することにより、電気ヒューズ３の切断位置を特定することができる。このため、切断位置を配線２ａまたは配線２ｂから離れた位置に特定することにより、従来の電気ヒューズにおける、配線中の金属が切断箇所に拡散し、切断箇所が再度接合してしまうという問題を回避することができる。

また、空隙４を形成して、電気ヒューズ３に電流を流した際に局所的に高温になる領域を設けることにより、少ない電流で電気ヒューズ３を切断することができる。

〔他の実施の形態〕
本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

１半導体装置、２ａ、２ｂ配線、３電気ヒューズ、３ａ長さ、３ｂ幅、４空隙、４ａ幅、５絶縁膜、７拡散防止膜、１３溝、１４犠牲膜、３０露出面、３０ａ幅

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された空隙を含む絶縁膜と、
前記絶縁膜中に形成され、前記空隙に露出した露出面を側面の一部に有する電気ヒューズと、
を有する半導体装置。
前記露出面は、前記電気ヒューズの長さ方向の中心を含む位置に位置する、
請求項１に記載の半導体装置。
前記電気ヒューズの長さ方向の前記露出面の長さは、前記電気ヒューズの長さの半分以下、かつ水平面内の前記長さ方向に対して垂直な方向の前記電気ヒューズの一方の端部から他方の端部までの距離である前記電気ヒューズの幅以上である、
請求項１または２に記載の半導体装置。
半導体基板上の第１の絶縁膜中に、電気ヒューズを形成する工程と、
前記電気ヒューズの側面の一部を露出させるように、前記第１の絶縁膜中に溝を形成する工程と、
前記溝中に犠牲膜を埋め込む工程と、
前記第１の絶縁膜、前記電気ヒューズ、および前記犠牲膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記犠牲膜を気化して、前記第２の絶縁膜を通して除去する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
前記溝は、前記電気ヒューズの側面の、前記電気ヒューズの長さ方向の中心を含む一部を露出させるように形成される、
請求項４に記載の半導体装置の製造方法。