JP2011086863A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】半導体装置に配置されるヒューズ素子をレーザー光で溶断する際に、チップ面積を増大させずにヒューズ素子を確実に溶断でき、ヒューズ素子の周辺に配置される回路構成素子等の信頼性を向上できる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【解決手段】絶縁膜２上にヒューズ素子３を形成しヒューズ素子３上に第１の層間絶縁膜４を形成し、第１の層間絶縁膜４上に第１のメタル配線層５を形成し、第１のメタル配線層５と第１層間絶縁膜４上に第２の層間絶縁膜６を形成し、第２の層間絶縁膜６に第１のメタル配線層５に達するスルーホール１０を形成し、同時にヒューズ素子３上の第１の層間絶縁膜４に達する開口部１１を形成する。この開口部１１の形成でヒューズ素子４の溶断時の衝撃で周辺の第１の層間絶縁膜４にクラックが発生するのが防止されて、信頼性を確保することができる。
【選択図】 図１４

Description

この発明は、半導体装置に配置されるヒューズ素子をレーザー光で溶断する際に、チップ面積を増大させずにヒューズ素子を確実に溶断でき、ヒューズ素子の周辺に配置される回路構成素子等の信頼性を向上できる半導体装置およびその製造方法に関するものである。

半導体装置において、レーザートリミング技術が多用されており、ポリシリコンなどで形成されたヒューズ素子を、レーザー光によって溶断することにより、半導体製品の特性を調整することが知られている。

この場合、微細なヒューズ素子を正確に溶断する必要があることから、レーザー光のパワーを層間絶縁膜を介してヒューズ素子へ確実に到達させる必要がある。
図３８は、第１の従来例である半導体装置に配置されたヒューズ素子の要部平面図であり、図３９は図３８のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。

ここで、ヒューズ素子６３は、シリコン酸化膜からなる絶縁膜６２上に形成されており、ヒューズ素子６３上にはシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜６４とその上にシリコン窒化膜からなり開口部６６を有する保護膜６５が形成されている。図中の６１は半導体基板、６７はヒューズ素子６３を溶断するレーザー光である。

シリコン窒化膜（保護膜６５）は、レーザー光６７のパワーを吸収するために、ヒューズ素子６３上の保護膜６５は除去され開口部６６が形成されている。
一方、シリコン酸化膜（層間絶縁膜６４）は、レーザー光６７のパワーをほどんと吸収せず透過するので、ヒューズ素子６３上の層間絶縁膜６４はヒューズ素子６３を保護するために残存させている。但し、前記のレーザー光６７の波長は、例えば、１０４７ｎｍである。

しかし、この層間絶縁膜６４の厚みが厚くなると、図３９で示すように、瞬間的にヒューズ素子６３へ伝達されたレーザー光６７のパワーによる発熱が外部へ拡散できず蓄積される。この蓄積された熱により発生した内部応力によりヒューズ素子６３の回りの領域６９に応力が蓄積し、その応力が伝播し層間絶縁膜６４内にクラック７１が発生する。応力伝播方向７０はヒューズ素子６３を中心にして放射状になり、開口部６６方向は勿論のこと、横方向にも応力は伝播する。さらに、ヒューズ素子６３の上方が厚い層間絶縁膜６４で被覆されているので、ヒューズ素子６３を溶断したときの衝撃は層間絶縁膜６４で放射状に広がり（応力伝播方向７０と同じ）、この衝撃によってクラック７１が発生し伝播する。

そのため、このクラック７１はヒューズ素子６３の上方の層間絶縁膜６４だけでなく、溶断したヒューズ素子６３周辺の回路構成素子７３や隣接する溶断しないヒューズ素子６３ａを被覆する層間絶縁膜６４へも伝播する。このクラック７１から侵入した水分などでヒューズ素子６３に隣接する回路構成素子７３や隣接する溶断しないヒューズ素子６３ａの信頼性を低下させる。

このことは、メタル配線層数の増加に伴い、メタル配線層間を電気的に絶縁する層間絶縁膜が厚くなり内部応力の蓄積が増大し、横方向へのクラックが肥大化する傾向となる。これを解決する方策として第２の従来例を説明する。

第２の従来例である特許文献１では、第１の従来例による前記の課題を解決する製造方法が開示されている。
図４０は、第２の従来例における工程毎のヒューズ素子領域の要部断面図である。図示しない半導体基板上に形成された絶縁膜７６上に、ヒューズ素子７７が形成されており、更に、ヒューズ素子７７上には、最下層の第１の層間絶縁膜７８（例えば、ＢＰＳＧ膜）、第１のメタル配線層７９、第２の層間絶縁膜８０(例えば、ＴＥＯＳ膜)が形成されている（図４０（ａ））。

次に、第１のメタル配線層７９と電気的な接続を行うためのスルーホール８１を開口するのと同時に、ヒューズ素子領域の第２の層間絶縁膜８０(例えば、ＴＥＯＳ膜)にも開口部８２を形成する。このとき開口部８２下の第１の層間絶縁膜７８の表面層も除去される（図４０（ｂ））。

次に、第２のメタル配線層８３（例えば、パッド電極）を形成し、スルーホール８１を介して、第１のメタル配線層７９と電気的な接続を行い、全面に保護膜８４（詳細には２層の保護膜で、下方がシリコン酸化膜で上方がシリコン窒化膜からなる）を形成し、第２のメタル配線層８３（パッド電極）上とヒューズ素子７７上に開口部８５，８６を有するレジストパターン９２を形成する（図４０（ｃ））。

次に、レジストパターン９２をマスクとして、第２のメタル配線層８３（パッド電極）上とヒューズ素子７７上の保護膜８４に開口部９３，９４を形成する（図４０（ｄ））。
通常、メタル配線層数の増加に伴い、層間絶縁膜の層数も増加するが、この例では、層間絶縁膜が形成される都度、前記、スルーホール形成と同様に、ヒューズ素子７７上の層間絶縁膜も開口すること（特許文献１の請求項２に記載されている）で、ヒューズ素子７７上に形成される層間絶縁膜の残膜の厚さ（層間絶縁膜７８の厚さ）を一定に保持できるため、適正なレーザー光のパワーでクラックを発生させずにヒューズ素子７７を溶断できると説明されている。

この場合、ヒューズ素子７７上の層間絶縁膜が薄く形成されており、この薄い箇所がヒューズ素子の溶断の衝撃で飛び散ることで衝撃が他の箇所へ伝播するのを防止できるものと考えられる。また残膜が薄いことで発熱が拡散し易くなり、クラックの発生が回避されるものと考えられる。しかしこの従来例には、以下に示す課題がある。

第１に、適正なレーザー強度でクラックが発生しないようにヒューズ素子７７を溶断するために、ヒューズ素子７７上の層間絶縁膜をスルーホール形成の都度、除去し、層間絶縁膜の残膜の厚さを一定の厚みまで薄くしており、結果として、ヒューズ素子７７上の層間絶縁膜の凹み（くぼみ）の深さが大きくなる。

この凹みが大きくなると、凹みを形成した後の製造工程において、レジストがこの深くなった凹みに吸収され、ヒューズ素子７７に隣接した回路構成素子上のレジスト膜厚が局所的に薄くなる。そうすると加工寸法の変動が大きくなり、ヒューズ素子７７に隣接する回路構成素子の微細化ができない等、回路設計上の制約が生じる。

さらに、ヒューズ素子７７上の層間絶縁膜の凹みの深さが著しく大きい場合には、凹み周辺のレジスト膜厚が不十分となり、ドライエッチング時にレジストが無くなる結果、凹みの周辺に形成される回路構成素子が消失するといった不具合も発生する。

また、通常、メタル配線層等の段差軽減の平坦化には、平坦化材料としてＳＯＧ（スピンオングラス）などの塗布系の材料が用いられる。そうするとレジストと同様に、凹みに平坦化材料が吸収されてヒューズ素子７７に隣接した回路構成素子上の層間絶縁膜や保護膜の平坦化が悪化する。この現象は、とりわけメタル配線層の増加に伴い、メタル配線層間を電気的に絶縁分離する層間絶縁膜の厚みが増加する程顕著になる。そうすると、平坦化が悪化した領域（凹み領域）を避けてヒューズ素子周辺の回路構成素子を配置することになり、チップ面積が増加して好ましくない。

また、層間絶縁膜が厚くなると凹みの深さが大きくなる。スルーホール形成後に行われるメタル配線層となる金属膜の形成で凹みの底部の淵（外周部）に沿って、メタル残渣が残存する。そうすると、後工程で熱処理や薬品洗浄にメタル残渣が晒されて、工程途中で剥がれて異物となり、メタル配線層間の電気的な短絡等の不具合を発生させる懸念がある。

さらに本方法では、ヒューズ素子７７領域上のシリコン酸化膜である層間絶縁膜８０の開口部８２側壁が露出しているため、この側壁から水分等が浸入して、多層の層間絶縁膜間を剥離したり、ヒューズ素子７７に隣接した回路構成素子の長期信頼性における特性変動を発生させたりする。第３の従来例として特許文献２および特許文献３にそのれを解決する製造方法が開示されている。

図４１は、第３の従来例（特許文献２）における工程毎のヒューズ素子の要部断面図である。
この例では、第２の従来例において、全面に保護膜８４を形成し、その後、ヒューズ素子９７上が開口したレジストパターン８７を形成する（図４１（ａ））。この時、ヒューズ素子９７上の保護膜８４を開口するためのレジストパターン８７の開口部８８は、保護膜８４の凹みの開口部８９よりも内側に形成されている。

次に、ヒューズ素子９７上の保護膜８４をレジストパターン８７により開口し、ヒューズ素子９７上に保護膜８４の開口部８４ａを形成する（図４１（ｂ））。この時、ヒューズ素子９７上のシリコン窒化膜からなる保護膜８４の開口部８４ａは、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜９９の開口部９９ａよりも内側で開口することから、保護膜８４を構成するシリコン窒化膜がシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜９９の側壁に形成される。シリコン窒化膜でシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜をの開口部側壁を被覆しているので水分などの浸入を防止することができる。

しかしながら、この第３の従来例には、以下に示す課題がある。
第１に、ヒューズ素子９７の保護膜８４の開口部８４ａを層間絶縁膜９９の開口部９９ａよりも内側に形成し開口部９９ａが深い場合、保護膜８４の開口部８４ａを精度よく形成するためには、層間絶縁膜９９の開口部９９ａを余裕を持って大きくする必要がある。通常、ヒューズ素子９７は単独（一つ）で用いられることは少なく、多数の素子で構成されるため、この層間絶縁膜９９の開口部９９ａも多数形成されることになり、チップ面積が増加することになる。

第２に、ヒューズ素子９７上の保護膜８４の開口部８４ａの開口面積は、典型的には１０μｍ□程度と小さく、メタル配線層数の増加に伴う層間絶縁膜の厚みは厚膜化される。そのため、保護膜８４の開口部８４ａの深さを増加させ、この開口部のアスペクト比を増大させる。アスペクト比が増大することで、開口部（凹み）の底部を安定に加工することが一層困難となる。尚、図中の９５は絶縁膜、９６は下層の層間絶縁膜、９８は下層のメタル配線層、１００は上層のメタル配線層、１０１はストッパ膜である。

また、特許文献４において、ヒューズ素子上のシリコン酸化膜である層間絶縁膜の開口部の側壁から水分が浸入するのを防止するために側壁をシリコン窒化膜で被覆することが開示されている。
特開２００１−１３５７９２号公報 特開平８−４６０４８号公報 特開平８−２８８３９４号公報 特開平７−１３０８４５号公報

前記したように、第１の従来例では、メタル層数の増加に伴う層間絶縁膜（シリコン酸化膜）の厚膜化で、ヒューズ素子のレーザートリミング時（溶断時）に発生する熱エネルギーの発散が瞬時に行うことが困難となるために、内部応力が蓄積される。また、ヒューズ素子の溶断の衝撃が層間絶縁膜内で四方八方へ伝播する。この蓄積された内部応力と衝撃の伝播により上層の層間絶縁膜だけでなく、ヒューズ素子周辺の層間絶縁膜へのクラック伝播を引き起こす。このクラックの伝播により、隣接するヒューズ素子の破壊や回路構成素子の故障、そしてこのクラックから水分侵入等を引き起こし、半導体装置の信頼性の低下を招く。

第２の従来例では、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の残膜の厚みを薄くすることが可能であるものの、メタル配線層の層数が増えると、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の開口部の深さ（凹みの深さ）が著しく大きくなる結果、ヒューズ素子に隣接した回路パターン（回路構成素子の電極や配線などの回路パターン）の加工上の問題が発生することとなり、ヒューズ素子周辺の回路パターン配置に制約が生じてチップ面積の増加を招くこととなる。

また、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の凹みにおいて、その底部の淵に沿ってメタル配線の残渣が生じ易くなる。このメタル残渣が工程途中で剥がれて異物になると、メタル配線層間の電気的な短絡や回路パターンに欠陥が発生する。

さらに、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の開口部において、その開口部の側壁が露出しており、この露出した部分から水分等の侵入を招き、層間絶縁膜の剥離や、ヒューズ素子に隣接した回路構成素子の長期信頼性を低下させるといった問題を引き起こす。

第３の従来例では、前記の開口部の側壁にシリコン窒化膜からなる保護膜が形成されているため、水分等の侵入が防止され、層間絶縁膜の剥離やヒューズ素子に隣接した回路構成素子の長期信頼性が低下するという問題は回避される。しかし、保護膜の開口部がヒューズ素子上の層間絶縁膜の開口部の内側に配置されており、保護膜の開口部の大きさを必要な大きさに確保しようとすると、層間絶縁膜の開口部の大きさは必要以上に大きくなり、チップ面積の増加を引き起こす。

さらに、メタル配線層の層数が増加すると、層間絶縁膜が厚膜化し、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の開口部の深さが増し、アスペクト比が増大することから、開口部の底部を精密に加工するのが困難になる。

また、特許文献４では、ヒューズ素子上のシリコン酸化膜である層間絶縁膜の開口部の側壁を水分を吸収しにくいシリコン窒化膜である保護膜で被覆することで、水分の導入は阻止される。しかし、層間絶縁膜の開口部の側壁が保護膜で被覆されるため層間絶縁膜の開口部を保護膜の開口部より大きくする必要があり、特許文献３の場合と同じようにチップ面積が大きくなる。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、半導体装置に配置されるヒューズ素子をレーザー光で溶断する際に、チップ面積を増大させずにヒューズ素子を確実に溶断でき、ヒューズ素子の周辺に配置される回路構成素子等の信頼性を向上できる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１記載の発明によれば、半導体基板上に絶縁膜を介してヒューズ素子を形成する工程と、該ヒューズ素子上と前記絶縁膜上に最下層の層間絶縁膜を形成する工程と、該最下層の層間絶縁膜上に最下層の配線層を形成する工程と、前記最下層の層間絶縁膜上と前記最下層の配線層上に少なくとも次の層間絶縁膜と次の配線層を順次積層して形成する工程と、最上層の層間絶縁膜を挟んで上下に配置される最上層の配線層と一層下の配線層を接続する第１開口部を形成すると同時に、前記ヒューズ素子上の少なくとも最上層の層間絶縁膜に第２開口部を形成する工程と、前記一層下の配線層と前記第１開口部を介して電気的に接続する前記最上層の配線層を形成する工程と、前記最上層の層間絶縁膜上と前記最上層の配線層上と前記第２開口部上に亘って保護膜を被覆する工程と、該保護膜に前記最上層の配線層に達する第３開口部をドライエッチングで形成すると同時に、前記ヒューズ素子上の前記保護膜に前記第２開口部の底部および前記第２開口部に隣接ずる前記最上層の層間絶縁膜に達する前記第２開口部より大きい第４開口部を前記ドライエッチングで形成し、前記第２開口部の側壁に前記保護膜の一部を残存させる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法とする。

特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記第４開口部の大きさが、前記第２開口部を形成するためのマスクパターンの開口部の大きさより１μｍ以上大きいとよい。

特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記ヒューズ素子が、ポリシリコンで形成されるとよい。
特許請求の範囲の請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記最下層から前記最上層の層間絶縁膜が、シリコン酸化膜であるとよい。

特許請求の範囲の請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記保護膜が、シリコン窒化膜であるとよい。
特許請求の範囲の請求項６記載の発明によれば、半導体基板上の絶縁膜上に配置されるヒューズ素子と、該ヒューズ素子上と前記絶縁膜上に配置される最下層の層間絶縁膜と、該最下層の層間絶縁膜上に配置される最下層の配線層と、該最下層の配線層上と前記最下層の層間絶縁膜上に配置される最上層の層間絶縁膜と、該最上層の層間絶縁膜に配置され、該最上層の層間絶縁膜の一つ下に配置される下層の配線層に達する最上層の第１開口部と、前記ヒューズ素子上の前記最上層の層間絶縁膜に配置される第２開口部と、前記最上層の層間絶縁膜上に配置され前記第１開口部を介して前記下層の配線層と電気的に接続される最上層の配線層と、該最上層の配線層上と前記最上層の層間絶縁膜上に配置される保護膜とを有し、前記保護膜が前記最上層のメタル配線層に達する開口部と、前記ヒューズ素子上の前記第２開口部に達し該第２開口部に隣接する前記最上層の層間絶縁膜に達する開口部とを有し、前記第２開口部の側壁に前記保護膜の一部で前記最上層の層間絶縁膜上の前記保護膜と分離されたスペーサ状の保護膜を備えた構成の半導体装置とする。

この発明によれば、第１に、最上層の層間絶縁膜に開口部（スルーホール）を形成するのと同時に、ヒューズ素子上の最上層の層間絶縁膜を開口することで、ヒューズ素子上の層間絶縁膜に凹み構造が作られる。この結果、ヒューズ素子上の層間絶縁膜が部分的に薄くなるため、レーザートリミング時に発生する熱エネルギーがこの凹み領域を介して優先的に発散し、横方向の他領域への伝播が低減される。その結果、凹み周辺領域の横方向へのクラックの伝播が軽減される。

また、ヒューズ素子上の最上層の層間絶縁膜に開口部を形成することにより、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の厚さが薄くなり、トリミング時に発生するヒューズ素子の溶断による衝撃をこの薄くなった層間絶縁膜の箇所に集中させ、周辺領域へクラックが伝播する現象を抑制できる。これらにより、溶断されたヒューズ素子に隣接する溶断されていないヒューズ素子が破壊することなくなり、またヒューズ素子領域周辺の層間絶縁膜にクラックの伝播がなくなり、水分の侵入が防止しされることで、周辺領域の回路構成素子の信頼性を向上させることができる。

第２に、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の開口部の深さを最上層の層間絶縁膜の厚さ程度（１μｍ〜２μｍ）にすることで、ヒューズ素子領域に隣接した回路パターンを加工する製造上の不具合を軽減することが可能となる。

第３に、最上層の配線パターン形成時に、ヒューズ素子領域の層間絶縁膜が開口された凹み（開口部）の底部の淵（外周）に沿って残存するメタル残渣は、開口部の側壁にスペーサ状に残存した保護膜により被覆され、メタル残渣は保護膜で閉じ込められた構造となることから、後工程で剥がれて異物となる不具合が発生することは無い。また、スペーサ状の保護膜は、表面を被覆する保護膜の異方性エッチング時に残存するので、特別の追加工程は不要であり、従って製造コストの増大はない。

第４に、ヒューズ素子上の開口された層間絶縁膜の側壁には、シリコン窒化膜からなるスペーサ状の保護膜が残存しているため、水分等の侵入を防止できる。その結果、ヒューズ素子領域周辺の回路構成素子は長期信頼性を向上させることができる。

また、このスペーサ状の保護膜は薄く層間絶縁膜の側壁に残存するので、層間絶縁膜の開口部を広げる必要がなく、チップ面積の増大を引き起こすことはない。
第５に、ヒューズ素子上の保護膜の開口部を層間絶縁膜の開口部よりも大きくする（１μｍ以上が好ましい）ため、層間絶縁膜の平坦な箇所で保護膜を開口できるため、保護膜の開口は安定した加工が可能となる。

この発明の第１実施例の要部製造工程断面図である。 図１に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図３に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図４に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図５に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図６に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図７に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図８に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図９に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図１０に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図１１に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図１２に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図１３に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図１４に続く、この発明の第１実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図１６に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図１７に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図１８に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図１９に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２０に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２１に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２２に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２３に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２４に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２５に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２６に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２７に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２８に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図２９に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図３０に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図３１に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図３２に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 図３３に続く、この発明の第２実施例の半導体装置の要部製造工程断面図である。 スペーサ状の保護膜が形成される様子を示す要部断面図 本発明の効果を説明する図 ３層のメタル配線層が形成された別の箇所の要部断面図 第１の従来例である半導体装置に配置されたヒューズ素子の要部平面図である。 図３８のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図であり課題を説明する図である。 第２の従来例における工程毎のヒューズ素子領域の要部断面図である。 第３の従来例（特許文献２）における工程毎のヒューズ素子の要部断面図である。

実施の形態を以下の実施例で説明する。

図1〜図１５は、この発明の第１実施例の半導体装置の製造方法を工程順に示した要部製造工程断面図である。この実施例はメタル配線層が２層の場合であり、この図はヒューズ素子とパッド電極（ボンディングパッド）が形成された箇所の要部断面図である。

半導体基板１上に、例えば、シリコン酸化膜からなる絶縁膜２を形成し、更にその上に、例えば、ポリシリコンからなるヒューズ素子３を形成する（図１）。
次に、例えば、シリコン酸化膜からなる第１の層間絶縁膜４を全面にわたり形成する（図２）。

次に、第１の層間絶縁膜４の図示しない箇所に半導体基板１と電気的に接続するコンタクトホールを形成し、続いて、例えば、アルミニウム配線層からなる第１のメタル配線層５を形成する（図３）。

次に、例えば、シリコン酸化膜からなる第２の層間絶縁膜６を全面にわたり形成する（図４）。
次に、この第２の層間絶縁膜６上に第１のメタル配線層５上に開口部８、ヒューズ素子３上に開口部９を有するレジストパターン７を形成する（図５）。

次に、レジストパターン７をマスクとして、例えば、ドライエッチングを行うことにより、第１のメタル配線層５と電気的に接続するスルーホール１０を形成する。この時、スルーホール１０の形成と同時に、ヒューズ素子３上の第２の層間絶縁膜６にも開口部１１を形成する（図６）。これにより、開口部１１の層間絶縁膜が周辺部よりも薄くなることから、ヒューズ素子の溶断時に発生する熱エネルギーが開口部１１を介して優先的に発散し、ヒューズ素子３の周辺領域への熱エネルギーの伝播は抑制される。また、レーザー光のパワーでヒューズ素子３が溶断するときに発生する衝撃も、層間絶縁膜が薄く、脆い構造である開口部１１で優先的に開放されるため、周辺領域へのクラック伝播を抑えることができる。すなわち、開口部１１を形成することで、熱エネルギーや衝撃を開口部１１に集中させることができる。この開口部１１は第２の層間絶縁膜６を貫通して第１の層間絶縁膜４内に達し、第１の層間絶縁膜４と第２の層間絶縁膜６を合わせた層間絶縁膜６ａに凹み１２を形成する。第１の層間絶縁膜４内に凹み１２の底部１３が形成される。この底部１３は第１層間絶縁膜４と第２の層間絶縁膜６の界面１４に位置させても構わない。また、底部１３を第２の層間絶縁膜６の途中に位置させても構わない。

次に、レジストパターン７を除去する（図７）。
次に、例えば、アルミニウム膜などの金属膜１５をスパッタ法などにより全面に形成し、スルーホール１０を介し、下層の第１のメタル配線層５との電気的な接続を行う（図８）。この時、金属膜１５は下層の第１のメタル配線層５とスルーホール１０を介して電気的に接続しても良いし、図示しない箇所でスルーホールを介して第１のメタル配線層５と接続しても良い。

次に、金属膜１５上にレジストパターン１６を形成する（図９）。
次に、レジストパターン１６をマスクとして、例えば、ドライエッチングを行うことにより、金属膜１５を加工して第２のメタル配線層１７、１８を形成する（図１０）。この時、ヒューズ素子３上の開口部１１における金属膜１５は完全にエッチング除去されることが好ましいが、開口部１１の底部１３の淵２０（底部の外縁）に沿ってメタル残渣１９が残存することがある。

次に、レジストパターン１６を除去する（図１１）。
次に、例えば、シリコン窒化膜からなる保護膜２１を全面にわたり形成する（図１２）。これにより、前記メタル残渣１９は保護膜２１で被覆される。

次に、保護膜２１上にレジストパターン２２を形成し、第２のメタル配線層１７上とヒューズ素子３上のレジストパターン２２には開口部２３と開口部２４が形成されている。第２のメタル配線層１７上の保護膜２１の開口はレジストパターン２２の開口部２３で行い、ヒューズ素子３上の保護膜２１の開口はレジストパターン２２の開口部２４で行う（図１３）。この時、開口部２４の大きさＷ２を凹み１２の開口部の大きさＷ１（第２の層間絶縁膜６の開口部１１の大きさ）に対し大きくする。Ｗ１は、加工ばらつき等を考慮して、Ｗ２より１μｍ以上にすることが好ましい。

次に、レジストパターン２２をマスクとして、例えば、ドライエッチングを行い、保護膜２１に開口部２５、２６を形成する（図１４）。これにより、レジストパターン２２の開口部２５では、第２のメタル配線層１８が露出して、ボンディングパッド領域（パッド電極）が形成される。

一方、ヒューズ素子３上の保護膜２１についても、この過程で除去されるが、レジスト２２の開口部２４が開口部１１よりも大きく開口した状態でドライエッチングが行われる結果、凹み１２の側壁２７にはスペーサ状の保護膜２８が形成される（保護膜２１の一部がスペーサ状に残存する）。このドライエッチングは等方性エッチングよりも異方性エッチングの方がスペーサ状の保護膜２８を残存させるためには好ましい。ウェットエッチングではスペーサ状の保護膜２８を残存させるのが難しいので好ましくない。

尚、図３５にドライエッチングで凹みの側壁にスペーサー状の保護膜２８が形成される様子を示した。凹みの淵では保護膜の厚さは幾何学的形状から平坦部より膜厚が厚くなる。またドライエッチングではエッチングガスが凹みに入りにくいこともあって、凹みの側壁（特に凹みの淵）には保護膜２１が残留してスペーサー状の保護膜２８となる。このスペーサー状の保護膜２８の形成に当たってはレジストパターンは不要である。

最後にレジストパターン２２を除去して、ヒューズ素子３とメタル配線層５、１７、１８を有する半導体装置が完成する（図１５）。
このようにして製造された半導体装置について、発明のポイントを図３６を用いて説明する。

図３６は、本発明の半導体装置（図１５）のヒューズ素子３近傍を拡大した図である。
ヒューズ素子３上に形成された凹み１２の下側の層間絶縁膜４の厚みＴ１は、ヒューズ素子３周辺の領域で凹み１２が形成されない層間絶縁膜４の厚みＴ２（第１および第２の層間絶縁膜４、６を合わせた層間絶縁膜６ａの厚みＴ２）より薄くなることから、ヒューズ素子の溶断時に発生する熱エネルギーが開口部１１を介して優先的に発散し、ヒューズ素子３の周辺領域への熱エネルギーの伝播は抑制される。

また、ヒューズ素子３上の層間絶縁膜４は、開口部１１（凹み１２）の形成により、ヒューズ素子３の上部の層間絶縁膜４の厚さが薄くなる。レーザー光のパワーでヒューズ素子３が溶断するときに発生する衝撃２９が、この凹み１２部分で優先的に開放されることで、周辺領域へのクラック伝播が抑制される。つまり、開口部１１を形成することで、熱エネルギーや衝撃２９を開口部１１に集中させることができる。

この結果、層間絶縁膜４内に発生するクラック３０がヒューズ素子３の周辺領域へ伝播することが抑制され、図示しない隣接するヒューズ素子が破壊されたり、層間絶縁膜４のクラック３０から水分侵入等が発生することが防止される。その結果、溶断したヒューズ素子の周辺領域に形成される回路構成素子の信頼性の向上や隣接する溶断されないヒューズ素子の信頼性の向上を図ることができる。

また、凹み１２の側壁２７にスペーサ状の保護膜２８を形成することで、層間絶縁膜６の側壁２７から水分が浸入するのが防止され、ヒューズ素子３の周辺領域に形成される回路構成素子の信頼性の向上を図ることができる。

さらに、このスペーサー状の保護膜２８でメタル残渣１９を被覆するため、メタル残渣１９は、ドライエッチングの過程で露出することなく、保護膜２１により被覆されたままのため、エッチングガスや薬品等に晒されることはなく、剥がれ等による異物の発生を回避することができる。また、メタル残渣１９は、スペーサ状の保護膜２８により閉じ込められた状態のため、後の工程で熱処理が行われる場合でも、応力等により剥がれで、異物の発生につながる問題を回避することができる。

また、このスペーサー状の保護膜２８は、保護膜２１に開口部２６を形成するときに、同時に形成されて、追加の工程は不要であるので製造コストの上昇はない。
スペーサー状の保護膜２８の形成に当たって、レジストパターンを用いた場合、層間絶縁膜６の開口部１１底面で、段差に起因したレジスト膜厚変動が少なくなる箇所で開口を行う必要があり、かつ開口部１１底部のレジストパターンでスペーサー状の保護膜２８の位置が決定されるため、寸法精度が要求される。

しかし、本発明では、層間絶縁膜６の開口部１１よりも大きく保護膜２１を開口していれば、スペーサー状の保護膜２８は、レジストパターンの影響を受けることなく残存し、層間絶縁膜６の側壁２７を保護する。つまり、スペーサー状の保護膜２８を形成するためのレジストパターンは不要となるので、レジストパターンにおいてレイアウト的な制約を受けることはない。

また、本発明では、スペーサ状の保護膜２８の形成はレジストパターンを用いないので、側壁２７からの厚さはレジストパターンを用いた場合より薄くなり、スペーサー状の保護膜２８の開口部２８ａはレジストパターンを用いて形成した場合より大きくなる。

そのため、スペーサー状の保護膜２８の開口部２８ａを同じ大きさにした場合には、レジストパターンを用いてスペーサー状の保護膜２８を形成した場合に比べて、レジストパターンなしで形成する本発明の場合の方が層間絶縁膜６の開口部１１を小さくできる。

以上のことから、本発明の半導体装置においては、チップ面積を増大させずにヒューズ素子を確実に溶断でき、ヒューズ素子の周辺に配置される回路構成素子等の信頼性を向上させることができる。

尚、本発明は、ＣｒＳｉで形成された薄膜抵抗の高精度なトリミングにおいても適用できて、その効果もヒューズ素子３の場合と同様である。

図１６〜図３４は、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を工程順に示した要部製造工程断面図である。これはメタル配線層が３層の場合である。尚、ここでは、第１実施例の工程と同一工程（図１〜図４）の説明は省略し、図４に続く第１実施例と異なる工程について説明する。

図４の工程に続いて、第２の層間絶縁膜２４上に開口部８を有するレジストパターン７を形成する（図１６）。
次に、レジストパターン７をマスクとして、例えば、ドライエッチングを行うことにより、第１のメタル配線層５上にスルーホール１０を形成する（図１７）。

次に、レジストパターン７を除去する（図１８）。
次に、第２のメタル配線層１７となる金属膜１５を、例えば、スパッタ法により全面に形成し、スルーホール１０を介し、下層の第１のメタル配線層５との電気的な接続を行う（図１９）。この時、金属膜１５は図示しない箇所のスルーホールを介して、第１のメタル配線層５と接続しても良い。

次に、金属膜１５上にレジストパターン１６を形成する（図２０）。
次に、レジストパターン１６をマスクとして、例えば、ドライエッチングを行うことにより、第２のメタル配線層１７を形成する（図２１）。

次に、レジストパターン１６を除去する（図２２）。
次に、第３の層間絶縁膜３１を全面に亘り形成する（図２３）。
次に、第３の層間絶縁膜３１上に開口部３３および開口部３４を有するレジストパターン３２を形成する（図２４）。

次に、レジストパターン３２をマスクとして、ドライエッチングを行うことにより、第２のメタル配線層１７上の第２の層間絶縁膜３１にスルーホール３５を形成する。この時、スルーホール３５の形成と同時に、ヒューズ素子３上の第２の層間絶縁膜３１に開口部３６を形成する（図２５）。

次に、レジストパターン３２を除去する（図２６）。
次に、第３のメタル配線層となる金属膜４０を、例えば、スパッタ法により全面に形成し、スルーホール３５を介して下層の第２のメタル配線層１７との電気的な接続を行う（図２７）。

次に、金属膜４０上に、レジストパターン４１を形成する（図２８）。
次に、レジストパターン４１をマスクとして、例えば、ドライエッチングを行うことにより、金属膜４１を加工して第３のメタル配線層４２、４３（第２のメタル配線層４３はパッド電極となる）を形成し、ヒューズ素子３上の金属膜４１は除去する（図２９）。この時、ヒューズ素子３上の開口部３６における金属膜４１は完全にエッチング除去されることが好ましいが、凹み３７の底部の淵４５（外周部）に沿ってメタル残渣４４が残存することが多い。また、第３のメタル配線層４２は下層の第２のメタル配線層１７とスルーホール３５を介して電気的に接続する。

次に、レジストパターン４１を除去する（図３０）。
次に、主に、シリコン窒化膜からなる保護膜４６を全面にわたり形成する（図３１）。これにより、前記メタル残渣４４は保護膜４６で被覆される。

次に、保護膜４６上に開口部４８および開口部４９を有するレジストパターン４７を形成する（図３２）。この時、レジストパターン４７の開口部４９の大きさＷ２を、第３の層間絶縁膜３１（最上層の層間絶縁膜）の開口部３６の大きさＷ１に対し大きく加工する。その大きさＷ２は、加工ばらつき等を考慮してＷ１より１μｍ以上大きくするのが好ましい。

次に、レジストパターン４７をマスクとして、例えば、ドライエッチングを行い、保護膜４６に開口部５０および開口部５１を形成する（図３３）。これにより、レジストパターン４７の開口部４８下には第３のメタル配線層４３（パッド電極）の表面が露出し、ボンディングパッド領域が形成される。

一方、ヒューズ素子３上の保護膜４７も同時に除去されるが、レジストパターン４７の開口部４９が第３の層間絶縁膜３１の開口部３６よりも大きい状態でドライエッチングが行われる結果、開口部３６（凹み３７）の側壁３７ａにはスペーサ状の保護膜５２が形成されメタル残渣４４は被覆される。

次に、レジストパターン４７を除去して、ヒューズ素子３とメタル配線層５、１７、４２、４３を有する半導体装置が完成する（図３４）。
これは３層の場合であるが、さらに層数が増えた場合でも最上層の層間絶縁膜にスルーホールを形成する工程で、同時にヒューズ素子上の最上層の層間絶縁膜に開口部を形成することで、第１実施例と同様の効果が得られる。

前記の第１実施例および第２実施例において、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の開口部（凹み）の深さを最上層の層間絶縁膜の膜厚程度（通常、１μｍ〜２μｍである）にすることで、凹みの深さを浅くでき、ヒューズ素子に隣接した回路構成素子を形成する上での不具合を軽減することが可能となる。この不具合とはレジストが開口部に入り、開口部周辺のレジスト厚みが薄くなるなどである。

前記の最上層の層間絶縁膜は、第１実施例では第２の層間絶縁膜であり、第２実施例では第３の層間絶縁膜であり、さらに多層の場合には一番上の層間絶縁膜である。
つまり、ヒューズ素子２１上の層間絶縁膜の凹みが、本発明では、最上層の層間絶縁膜にスルーホールを形成する時にのみ行うため、凹みの段差が小さく、フォトリソグラフィー工程での加工性に与える影響は少ない。

これに対し、第２の従来例の特許文献１にあるように、層間絶縁膜が形成される都度、スルーホールの形成過程でヒューズ素子上の開口部を形成する場合には、スルーホール形成毎に、フォトリソグラフィー工程等の加工性に影響が及び、設計上の制約が生じる。更には、層間絶縁膜に対するスルーホールの開口が行われる度に、凹み段差が積算され段差が大きくなるために、最終工程におけるフォトリソグラフィー工程等の加工は非常に困難となる。

通常、層間絶縁膜を構成する材料としては、主に、シリコン酸化膜系の材料が用いられ、この材料は光学的に透明であるため、従来例のように、ヒューズ素子上の開口部をスルーホール形成毎に行うことで、層間絶縁膜を薄くする必要はない。

本発明によれば、層間絶縁膜としてシリコン酸化膜系の材料を用いると、光学的には透明なのでその厚みには制約がない。厚みの制約はむしろ放熱の観点と、ヒューズ素子の溶断時の衝撃を開放する観点からである。そのため、ヒューズ素子上の最上層の層間絶縁膜を周辺部の層間絶縁膜より多少薄くする程度で、衝撃を層間絶縁膜の上方の薄い箇所から開放し、横方向への伝播を抑制すればよい。

従がって、本発明のように、ヒューズ素子上の最上層の層間絶縁膜に開口部(凹み)を設けることで衝撃を層間絶縁膜の上方の薄い箇所から開放できる。
また、ヒューズ素子上の層間絶縁膜に１μｍ〜２μｍ程度の凹みを形成することで、ヒューズ素子の溶断による衝撃をこの凹みの箇所から開放できる。凹みから衝撃が開放されることで、ヒューズ素子の周辺の回路構成素子へクラックの伝播を阻止できて、信頼性を向上させることができる。

１ 半導体基板
２ 絶縁膜
３ ヒューズ素子
４ 第１の層間絶縁膜
５ 第１のメタル配線層
６ 第２の層間絶縁膜
７ レジストパターン
８、９、１１、２３、２４，２５，２６ 開口部
１０ スルーホール
１２ 凹み
１３ 底部
１４ 境界
１５ 金属膜
１６ レジストパターン
１７、１８ 第２のメタル配線層
１９ メタル残渣
２０ 底部の淵
２１ 保護膜
２２ レジストパターン
２７ 側壁
２８ スペーサ状の保護膜

Claims (6)

1. 半導体基板上に絶縁膜を介してヒューズ素子を形成する工程と、該ヒューズ素子上と前記絶縁膜上に最下層の層間絶縁膜を形成する工程と、該最下層の層間絶縁膜上に最下層の配線層を形成する工程と、前記最下層の層間絶縁膜上と前記最下層の配線層上に少なくとも次の層間絶縁膜と次の配線層を順次積層して形成する工程と、最上層の層間絶縁膜を挟んで上下に配置される最上層の配線層と一層下の配線層を接続する第１開口部を形成すると同時に、前記ヒューズ素子上の少なくとも最上層の層間絶縁膜に第２開口部を形成する工程と、前記一層下の配線層と前記第１開口部を介して電気的に接続する前記最上層の配線層を形成する工程と、前記最上層の層間絶縁膜上と前記最上層の配線層上と前記第２開口部上に亘って保護膜を被覆する工程と、該保護膜に前記最上層の配線層に達する第３開口部をドライエッチングで形成すると同時に、前記ヒューズ素子上の前記保護膜に前記第２開口部の底部および前記第２開口部に隣接ずる前記最上層の層間絶縁膜に達する前記第２開口部より大きい第４開口部を前記ドライエッチングで形成し、前記第２開口部の側壁に前記保護膜の一部を残存させる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第４開口部の大きさが、前記第２開口部を形成するためのマスクパターンの開口部の大きさより１μｍ以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記ヒューズ素子が、ポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記最下層から前記最上層の層間絶縁膜が、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記保護膜が、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
6. 半導体基板上の絶縁膜上に配置されるヒューズ素子と、該ヒューズ素子上と前記絶縁膜上に配置される最下層の層間絶縁膜と、該最下層の層間絶縁膜上に配置される最下層の配線層と、該最下層の配線層上と前記最下層の層間絶縁膜上に配置される最上層の層間絶縁膜と、該最上層の層間絶縁膜に配置され、該最上層の層間絶縁膜の一つ下に配置される下層の配線層に達する第１開口部と、前記ヒューズ素子上の前記最上層の層間絶縁膜に配置される第２開口部と、前記最上層の層間絶縁膜上に配置され前記第１開口部を介して前記下層の配線層と電気的に接続される最上層の配線層と、該最上層の配線層上と前記最上層の層間絶縁膜上に配置される保護膜とを有し、
   前記保護膜が前記最上層のメタル配線層に達する開口部と、前記ヒューズ素子上の前記第２開口部に達し該第２開口部に隣接する前記最上層の層間絶縁膜に達する開口部とを有し、前記第２開口部の側壁に前記保護膜の一部で前記最上層の層間絶縁膜上の前記保護膜と分離されたスペーサ状の保護膜を備えたことを特徴とする半導体装置。
   

Images