JP2012059825A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程を簡略化することの可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】第２の層間絶縁膜１４に、配線の上面を露出するように、第１の開口径とされた第１の開口部１６、及び第１の開口径よりも小さい第２の開口径とされた第２の開口部１７を一括形成し、次いで、第１及び第２の開口部の内面を覆う高誘電率絶縁膜１９を成膜し、次いで、斜めイオン注入法により、第２の開口部の底面に形成された高誘電率絶縁膜にイオンが注入されないように、少なくとも第１の開口部の底面の外周に形成された高誘電率絶縁膜にイオンを注入し、その後、ウエットエッチングにより、イオンが注入された高誘電率絶縁膜を除去し、次いで、第１及び第２の開口部内を導電膜２１で埋め込むことで、第１の開口部内にコンタクトプラグ２２を形成すると共に、前記第２の開口部内に、第２の開口部に高誘電率絶縁膜及び導電膜よりなるアンチヒューズ素子２３を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の半導体装置においては、正常に動作しない不良セルを冗長セルに置換することによって不良アドレスの救済が行われる。不良アドレスの記憶には、通常、ヒューズ素子が用いられる。
初期状態のヒューズ素子は、電気的に導通状態であり、レーザービームの照射によってこれを切断することにより、不良アドレスを不揮発的に記憶することができる。
したがって、このようなヒューズ素子を複数設け、所望のヒューズ素子を切断すれば、所望のアドレスを記憶させることが可能となる。
このように、通常のヒューズ素子は、導通状態から絶縁状態に変化させることによって情報を不揮発的に記憶する素子である。

これに対し、近年、アンチヒューズ素子と呼ばれる素子が注目されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
アンチヒューズ素子とは、通常のヒューズ素子とは逆に、絶縁状態から導通状態に変化させることによって情報を記憶する素子である。アンチヒューズ素子への情報の書き込みは、高電圧の印加による絶縁破壊によって行う。
このため、通常のヒューズ素子とは異なり、書き込みに際してレーザービームの照射が不要である。これにより、不良アドレスの書き込みを高速に行うことができると共に、レーザートリマーなどの装置が不要となる。しかも、レーザービームの照射によるパッシベーション膜の破壊なども生じないことから、半導体装置の信頼性を高めることも可能となる。

特開平０６−１９６５６４号公報 特開平０７−０２２５１３号公報 特表２００８−５４５２７６号公報

ここで、従来のアンチヒューズ素子の製造方法について説明する。
始めに、配線上に、層間絶縁膜を成膜する。次いで、該層間絶縁膜に、配線の上面を露出する開口部を形成する。次いで、開口部の内面及び層間絶縁膜の上面を覆う絶縁膜を形成する。
次いで、ホトリソグラフィ技術により、絶縁膜上にパターニングされたホトレジストを形成する。次いで、該ホトレジストをマスクとするドライエッチングにより、絶縁膜をパターニングし、その後、ホトレジストを除去する。
次いで、絶縁膜が形成された開口部内を埋め込むように、絶縁膜上に導電膜を形成する。これにより、開口部内に、絶縁膜及び導電膜よりなるアンチヒューズ素子が形成される。

しかしながら、従来のアンチヒューズ素子の製造方法では、絶縁膜をエッチングする際のマスクとしてホトレジストを用いていた。そのため、上記ホトレジストを形成する工程と、該ホトレジストを除去する工程とが必ず必要となるため、半導体装置の製造工程が煩雑になってしまう。

本発明の一観点によれば、配線上に層間絶縁膜を成膜する工程と、前記層間絶縁膜に、前記配線の上面を露出し、かつ第１の開口径とされた第１の開口部と、前記配線の上面を露出し、かつ前記第１の開口径よりも小さい第２の開口径とされた第２の開口部と、を一括形成する工程と、前記第１及び第２の開口部の内面を覆う高誘電率絶縁膜を成膜する工程と、斜めイオン注入法により、前記第２の開口部の底面に形成された前記高誘電率絶縁膜にイオンが注入されないように、少なくとも前記第１の開口部の底面の外周に形成された前記高誘電率絶縁膜に前記イオンを注入してダメージを与える工程と、ウエットエッチング法により、前記第２の開口部の底面に形成された前記高誘電率絶縁膜が残存するように、前記イオンが注入された前記高誘電率絶縁膜をエッチングすることで、少なくとも前記第１の開口部の底面の外周を露出させる工程と、前記イオンが注入された前記高誘電率絶縁膜を除去後に、前記第１及び第２の開口部内を導電膜で埋め込むことで、前記第１の開口部内に前記導電膜よりなるコンタクトプラグを形成すると共に、前記第２の開口部内に、前記第２の開口部の底面に残存する前記高誘電率絶縁膜、及び前記導電膜よりなるアンチヒューズ素子を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、配線上に配置された層間絶縁膜に、配線の上面を露出し、かつ第１の開口径とされた第１の開口部と、配線の上面を露出し、かつ第１の開口径よりも小さい第２の開口径とされた第２の開口部と、を一括形成し、次いで、第１及び第２の開口部の内面を覆う高誘電率絶縁膜を成膜し、次いで、斜めイオン注入法により、第２の開口部の底面に形成された高誘電率絶縁膜にイオンが注入されないように、少なくとも第１の開口部の底面の外周に形成された高誘電率絶縁膜にイオンを注入してダメージを与える工程と、ウエットエッチング法により、第２の開口部の底面に形成された高誘電率絶縁膜が残存するように、イオンが注入された高誘電率絶縁膜をエッチングして、少なくとも第１の開口部の底面の外周を露出させることにより、ホトレジストを用いることなく、高誘電率絶縁膜をパターニングすることが可能となる。

これにより、ホトレジストを用いて、高誘電率絶縁膜をパターニングする場合と比較して、工程数が少なくなるため、半導体装置の製造工程を簡略化できる。
また、イオンが注入された高誘電率絶縁膜をエッチング後に、第１及び第２の開口部内を導電膜で埋め込むことで、コンタクトプラグ及びアンチヒューズ素子（具体的には、アンチヒューズ素子を構成する導電膜）を同時に形成することが可能となるので、コンタクトプラグ及びアンチヒューズ素子を別々の工程で形成した場合と比較して、半導体装置の製造工程を簡略化できる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の主要部を示す断面図である。 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（その１）である。 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（その２）である。 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（その３）である。 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（その４）である。 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（その５）である。 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（その６）である。 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（その７）である。 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（その８）である。 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（その９）である。 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（その１０）である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体装置の寸法関係とは異なる場合がある。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の主要部を示す断面図である。
図１を参照するに、本実施の形態の半導体装置１０は、半導体基板１１と、第１の層間絶縁膜１２と、配線１３と、第２の層間絶縁膜１４と、第１の開口部１６と、第２の開口部１７と、高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２と、コンタクトプラグ２２と、アンチヒューズ素子２３と、第１の上部配線２５と、第２の上部配線２６とを有する。

半導体基板１１としては、例えば、シリコン基板（具体的には、例えば、ｐ型のシリコン基板）を用いることができる。第１の層間絶縁膜１２は、半導体基板１１の表面１１ａを覆うように設けられている。第１の層間絶縁膜１２としては、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を用いることができる。

配線１３は、第１の層間絶縁膜１２の上面１２ａに形成されている。配線１３の母材としては、例えば、金属膜（第２の金属膜）を用いることができる。配線１３の母材となる金属膜としては、例えば、チタン（Ｔｉ）膜、窒化チタン（ＴｉＮ）膜、タングステン（Ｗ）膜等を用いることができる。また、配線１３の母材として、チタン膜、窒化チタン膜、タングステン膜等の金属膜を積層させた積層膜を用いてもよい。

第２の層間絶縁膜１４は、配線１３を覆うように、第１の層間絶縁膜１２の上面１２ａに設けられている。第２の層間絶縁膜１４としては、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等を用いることができる。第１の層間絶縁膜１２上に形成された第２の層間絶縁膜１４の厚さＭは、例えば、２００〜４００ｎｍの範囲内で適宜選択することができる。

第１の開口部１６は、配線１３の上面１３ａのうち、コンタクトプラグ２２の形成領域に対応する面を露出するように、第２の層間絶縁膜１４に形成されている。第１の開口部１６は、コンタクトプラグ２２を配置するための開口部である。第１の開口部１６の第１の開口径Ｒ_１は、例えば、１００〜３００nmの範囲内で適宜選択することができる。

第２の開口部１７は、配線１３の上面１３ａのうち、アンチヒューズ素子２３の形成領域に対応する面を露出するように、第２の層間絶縁膜１４に形成されている。第２の開口部１７は、アンチヒューズ素子２３を内設するための開口部である。第２の開口部１７の第２の開口径Ｒ_２は、第１の開口部１６の第１の開口径Ｒ_１よりも小さくなるように構成されている。第１の開口径Ｒ_１が１００〜３００ｎｍの場合、第２の開口径Ｒ_２は、例えば、５０〜１００ｎｍの範囲内で、かつ第１の開口径Ｒ_１よりも小さくなるように設定することができる。第２の開口部１７の深さは、第１の開口部１６の深さと等しく、例えば、１００〜３００ｎｍとすることができる。

高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２は、第１及び第２の開口部１６，１７の内面を覆うように成膜された後述する図６に示す高誘電率絶縁膜１９をパターニングした膜である（後述する図８参照）。つまり、高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２は、同じ種類で、かつ同じ厚さとされた高誘電率絶縁膜で構成されている。
高誘電率絶縁膜１９−１は、第１の開口部１６の底面１６ａの中央を構成する配線１３の上面１３ａに残存している。高誘電率絶縁膜１９−１は、半導体装置１０を構成するための必須の膜ではない。よって、高誘電率絶縁膜１９−１は、コンタクトプラグ２２の下端と配線１３との間の接触抵抗を小さくする観点から、できるだけ残存させないことが好ましい。つまり、図１では、高誘電率絶縁膜１９−１を図示しているが、高誘電率絶縁膜１９−１はなくてもよい。

高誘電率絶縁膜１９−２は、第２の開口部１７の底面１７ａを含む第２の開口部１７の下部１７Ａに残存している。高誘電率絶縁膜１９−２は、第２の開口部１７の底面１７ａ、及び下部１７Ａに対応する第２の開口部１７の側面１７ｂを覆っている。
高誘電率絶縁膜１９−２は、アンチヒューズ素子２３を構成する後述する導電部２８を介して、配線１３と第２の上部配線２６（導電部２８と接続され、かつ配線１３の上層に配置された配線）とを電気的に接続する際、絶縁破壊される絶縁膜である。

高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２の母材となる高誘電率絶縁膜１９としては、一般にゲート絶縁膜に用いられている二酸化ケイ素膜（ＳｉＯ_２膜）の比誘電率３．９よりも高い比誘電率を有する絶縁膜を用いる。
具体的には、高誘電率絶縁膜１９として、例えば、ＨｆＳｉＯＮ膜（窒化ハフニウムシリケート膜）を用いることができる。ＨｆＳｉＯＮ膜は、ＨＦ（フッ化水素）系のエッチング液でエッチング可能な膜である。高誘電率絶縁膜１９としてＨｆＳｉＯＮ膜を用いた場合、高誘電率絶縁膜１９の厚さは、例えば、２〜５ｎｍとすることができる。

また、高誘電率絶縁膜１９として、例えば、ハフニウムを含有する酸化物からなる膜、例えば、窒化ハフニウムシリケート、ハフニウムシリケート、ハフニア、及びハフニウムアルミネートから選ばれる少なくとも一種の材料からなる膜を用いてもよい。
さらに、高誘電率絶縁膜１９として、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化ハフニウムシリケート、ハフニウムシリケート、ハフニア、ジルコニウムシリケート、ジルコニア、ハフニウムアルミネート、ランタンオキサイド、アルミナ、セリア、イットリア、ガドリニア等の高誘電率材料、或いはこれらの混合物からなる膜を用いてもよい。

コンタクトプラグ２２は、高誘電率絶縁膜１９−１及び配線１３の上面１３ａを露出する第１の開口部１６を充填している。コンタクトプラグ２２の下端は、高誘電率絶縁膜１９−１及び配線１３と接触している。コンタクトプラグ２２は、配線１３と電気的に接続されている。
コンタクトプラグ２２の上端面２２ａは、平坦な面とされており、第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａに対して面一とされている。

コンタクトプラグ２２の母材となる導電膜２１としては、金属膜（第１の金属膜）を用いるとよい。コンタクトプラグ２２の母材となる金属膜としては、例えば、タングステン膜や、チタン膜、窒化チタン膜、及びアルミ（Ａｌ）膜とを順次積層させたＴｉ／ＴｉＮ／Ｗ積層膜、ＴｉＮ膜及びＣｕ膜を順次積層させたＴｉＮ／Ｃｕ積層膜等を用いることができる。
なお、導電膜２１は、アンチヒューズ素子２３を構成する後述する導電部２８の母材でもある。つまり、導電部２８は、上記金属膜により構成されている。

アンチヒューズ素子２３は、第２の開口部１７内に配置されており、先に説明した高誘電率絶縁膜１９−１と、先に説明した導電膜２１（具体的には、金属膜）よりなる導電部２８とを有する。
導電部２８は、第２の開口部１７の下部１７Ａを覆う高誘電率絶縁膜１９−１を介して、第２の開口部１７を充填している。
導電部２８の上端面２８ａは、第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａに対して面一とされている。導電部２８の上端は、第２の上部配線２６と接続されている。
導電部２８は、高誘電率絶縁膜１９−１を絶縁破壊させた際、配線１３と第２の上部配線２６とを電気的に接続する。

第１及び第２の上部配線２５，２６は、配線１３の上層に配置された配線である。第１の上部配線２５は、第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａに形成されており、コンタクトプラグ２２の上端と接続されている。これにより、第１の上部配線２５は、コンタクトプラグ２２を介して、配線１３と電気的に接続されている。
第２の上部配線２６は、第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａに形成されており、導電部２８の上端と接続されている。これにより、第２の上部配線２６は、アンチヒューズ素子２３を構成する導電部２８と電気的に接続されている。
第１及び第２の上部配線２５，２６の母材としては、金属膜（第３の金属膜）を用いることができる。

図２〜図１１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である。図２〜図１１は、図１に示す半導体装置１０の切断面に対応する図である。図２〜図１１において、図１に示す半導体装置１０と同一構成部分には同一符号を付す。

図２〜図１１を参照して、本実施の形態の半導体装置１０の製造方法について説明する。
始めに、図２に示す工程では、半導体基板１３の表面１３ａを覆う第１の層間絶縁膜１２を形成する。具体的には、半導体基板１３としてｐ型のシリコン基板を準備し、次いで、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、該シリコン基板の表面を覆うように、第１の層間絶縁膜１２としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を成膜する。

次いで、第１の層間絶縁膜１２の上面１２ａを覆う金属膜３１を成膜し、次いで、金属膜３１（第２の金属膜）上に配線１３の形成領域を覆うパターニングされたホトレジスト（図示せず）を形成する。次いで、該ホトレジストをマスクとする異方性エッチング（具体的には、ドライエッチング）により、ホトレジストから露出された金属膜３１を除去することで、配線３１を形成する。その後、ホトレジストを除去する。
金属膜３１は、例えば、ＣＶＤ法により、チタン（Ｔｉ）膜、窒化チタン（ＴｉＮ）膜、及びタングステン（Ｗ）膜のうち、少なくとも１種以上の膜を成膜することで形成する。

次いで、第１の層間絶縁膜１２の上面１２ａに、配線１３を覆う第２の層間絶縁膜１４を成膜する。具体的には、ＣＶＤ法により、配線１３を覆う第２の層間絶縁膜としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を成膜する。第２の層間絶縁膜１４としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を成膜する場合、第１の層間絶縁膜１２上に形成される第２の層間絶縁膜１４の厚さは、例えば、２００〜４００ｎｍとすることができる。
なお、本実施の形態では、第２の層間絶縁膜１４としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を形成した場合を例に挙げて、以下の説明を行う。

次いで、図３に示す工程では、第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａに、ホトリソグラフィ技術により、開口部３４，３５を有したホトレジスト３３を形成する。
このとき、開口部３４は、第１の開口部１６（図１参照）の形成領域に対応する第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａを露出するように形成し、開口部３５は、第２の開口部１７（図１参照）の形成領域に対応する第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａを露出するように形成する。
また、開口部３４は、開口部３４の開口径Ｒ_３が第１の開口部１６の第１の開口径Ｒ_１（図１参照）と略等しくなるように形成し、開口部３５は、開口部３５の開口径Ｒ_４が第２の開口部１７の第２の開口径Ｒ_２（図１参照）と略等しくなるように形成する。
具体的には、開口径Ｒ_３は、１００〜３００ｎｍの範囲内で設定し、この場合、開口部Ｒ_４は、５０〜１００ｎｍの範囲内で、開口径Ｒ_３よりも小さくなるように設定する。

次いで、図４に示す工程では、ホトレジスト３３をマスクとする異方性エッチング（具体的には、ドライエッチング）により、開口部３４，３５の下方に位置する第２の層間絶縁膜１４を除去する。
これにより、開口部３４の下方に、配線１３の上面１３ａを露出し、かつ第１の開口径Ｒ_１とされた第１の開口部１６が形成されると共に、開口部３５の下方に、配線１３の上面１３ａを露出し、かつ第１の開口径Ｒ_１よりも小さい第２の開口径Ｒ_２とされた第２の開口部１７とが一括形成される。
第１の開口部１６は、第１の開口部１６から露出された配線１３の上面１３ａで構成された底面１６ａを有しており、第２の開口部１７は、第２の開口部１７から露出された配線１３の上面１３ａで構成された底面１７ａを有する。

第１の開口径Ｒ_１は、例えば、１００〜３００ｎｍの範囲内で適宜選択することができる。また、第１の開口径Ｒ_１が１００〜３００ｎｍの場合、第２の開口径Ｒ_２は、例えば、５０〜１００ｎｍの範囲内で、かつ開口径Ｒ_１よりも小さくなるように設定することができる。また、第１及び第２の開口部１６，１７の深さは、例えば、１００〜３００ｎｍとすることができる。

次いで、図５に示す工程では、図４に示すホトレジスト３３を除去する。
次いで、図６に示す工程では、第１の開口部１６の内面（具体的には、第１の開口部１６の底面１６ａを及び側面１６ｂ）、第２の開口部１７の内面（具体的には、第２の開口部１７の底面１７ａを及び側面１７ｂ）、第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａを覆うように、高誘電率絶縁膜１９を成膜する。

具体的には、高誘電率絶縁膜１９として、ＨＦ（フッ化水素）系のエッチング液によりエッチング可能なＨｆＳｉＯＮ膜（窒化ハフニウムシリケート膜）を成膜する。
上記ＨｆＳｉＯＮ膜の成膜方法としては、例えば、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いるとよい。
このように、ＡＬＤ法を用いてＨｆＳｉＯＮ膜を成膜することにより、第１及び第２の開口部１６，１７の内面、及び第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａに、薄く、かつ均一な厚さとされた高誘電率絶縁膜１９（この場合、ＨｆＳｉＯＮ膜）を成膜することができる。
高誘電率絶縁膜１９としてＨｆＳｉＯＮ膜を用いる場合、高誘電率絶縁膜１９の厚さは、例えば、２〜５ｎｍとすることができる。

なお、第１及び第２の開口部１６，１７が形成される第２の層間絶縁膜１４の膜種は、高誘電率絶縁膜１９となる絶縁膜のエッチング特性（具体的には、どのようなエッチング液でエッチングされるか）に応じて、適宜選択するとよい。
具体的には、高誘電率絶縁膜１９としてＨＦ（フッ化水素）系のエッチング液によりエッチング可能なＨｆＳｉＯＮ膜（窒化ハフニウムシリケート膜）を用いる場合、第２の層間絶縁膜１４としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を用いるとよい。

このように、高誘電率絶縁膜１９としてＨｆＳｉＯＮ膜（窒化ハフニウムシリケート膜）を用いる場合、第２の層間絶縁膜１４としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を成膜することで、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）はＨＦ（フッ化水素）系のエッチング液でほとんどエッチングされないため、後述する図８に示す工程（ダメージを受けた高誘電率絶縁膜１９をウエットエッチングで除去する工程）において、第１の開口部１６の第１の開口径Ｒ_１、及び第２の開口部１７の第２の開口径Ｒ_２が大きくなることを防止できる。

また、例えば、アルカリ系のエッチング液（例えば、ＴＭＡＨ(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液）でエッチング可能な絶縁膜（例えば、ＡｌＯ膜）を高誘電率絶縁膜１９として成膜する場合、第２の層間絶縁膜１４としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を用いることができる。
この場合、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）がアルカリ系のエッチング液でほとんどエッチングされないため、第１の開口部１６の第１の開口径Ｒ_１、及び第２の開口部１７の第２の開口径Ｒ_２が大きくなることを防止できる。

また、本実施の形態では、高誘電率絶縁膜１９として、一般にゲート絶縁膜に用いられている二酸化ケイ素膜（ＳｉＯ_２膜）の比誘電率３．９よりも高い比誘電率を有する絶縁膜を形成すればよく、高誘電率絶縁膜１９となる絶縁膜は、上記説明したＨｆＳｉＯＮ膜及びＡｌＯ膜に限定されない。

次いで、図７に示す工程では、図７に示す構造体の上面側から、斜めイオン注入法により、右斜め下方向であるＡ方向、及び左斜め下方向であるＢ方向に向けてイオンを照射することで、第２の開口部１７の下部１７Ａ（第２の開口部１７の底面１７ａを含む）に形成された高誘電率絶縁膜１９−２にイオンが注入されないように、第１の開口部１６の底面１６ａの外周に形成された高誘電率絶縁膜１９−３にイオンを注入してダメージを与える。

図７に示す構造体の場合、上記斜めイオン注入により、高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２にはイオンが注入されないで、高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２以外の高誘電率絶縁膜１９にイオンが注入される。言い換えれば、高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２以外の高誘電率絶縁膜１９が、イオンの注入によるダメージを受けて、膜質が脆くなる。

ここで、上記斜めイオン注入を行なう際の処理条件について説明する。
第１の開口径Ｒ_１が１００〜３００ｎｍの範囲内で、第２の開口径Ｒ_２が５０〜１００ｎｍの範囲内で、かつ第１の開口径Ｒ_１よりも小さい場合、Ａ方向からイオン注入する際の注入角度α、及びＢ方向からイオン注入する際の注入角度βは、４０〜５０°の範囲内で適宜選択することができる。
また、高誘電率絶縁膜１９に注入するイオンとしては、例えば、ＣｌイオンやＡｒイオン等を用いることができる。この場合、イオン注入時のエネルギーは、５ＫｅＶ程度とすることができる。

図７に示す工程では、一例として、高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２以外の高誘電率絶縁膜１９にイオンを注入する場合を例に挙げて説明したが、高誘電率絶縁膜１９−２以外の高誘電率絶縁膜１９については、イオンを注入してもよいし（言い換えれば、イオンによるダメージを与えてもよいし）、イオンを注入しなくてもよい（言い換えれば、イオンによるダメージを与えなくてもよい）。

ただし、第１の開口部１６の側面１６ｂに形成された高誘電率絶縁膜１９にイオンを注入した場合、後述する図８に示す工程において、第１の開口部１６の側面１６ｂに形成された高誘電率絶縁膜１９を除去することが可能となるため、第１の開口部１６に形成されるコンタクトプラグ２２の直径を第１の開口部１６の第１の開口径Ｒ_１の値と等しくすることができる。つまり、コンタクトプラグ２２の抵抗値を小さくすることができる。

また、図７では、一例として、第１の開口部１６の底面１６ａの中央に配置された高誘電率絶縁膜１９−１にイオンが注入されなかった場合を例に挙げて図示したが、第１の開口部１６の第１の開口径Ｒ_１が第２の開口部１７の第２の開口径Ｒ_２よりもかなり大きい場合には、高誘電率絶縁膜１９−１にもイオンが注入され、高誘電率絶縁膜１９−１がイオン注入によるダメージを受け、膜質が脆くなる。

この場合、後述する図８に示す工程において、高誘電率絶縁膜１９−１が除去されるため、第１の開口部１６内に形成されるコンタクトプラグ２２（図１参照）と配線１３との間の接触面積が増加する。これにより、コンタクトプラグ２２と配線１３との間の抵抗値を低減できる。
なお、第１の開口部１６の底面１６ａの中央に高誘電率絶縁膜１９−１が残存した場合（図７の場合）でも、コンタクトプラグ２２と配線１３との間の電気的接続信頼性は十分に確保することができる。

また、第２の開口部１７の上部（第２の開口部１７のうち、第２の開口部１７の下部１７Ａよりも上方に位置する部分）に形成された高誘電率絶縁膜１９にイオンを注入することで、後述する図８に示す工程において、第２の開口部１７の上部に形成された高誘電率絶縁膜１９を除去することが可能となる。
これにより、第２の開口部１７の上部に配置される導電部２８（図１参照）の直径を第１の開口部１６の第１の開口径Ｒ_１の値と等しくすることが可能となるので、導電部２８の抵抗値を小さくすることができる。

なお、図７に示す工程では、第２の開口部１７の底面１７ａ、及び第２の開口部１７の側面１７ｂの一部よりなる第２の開口部１７の下部１７Ａに形成された高誘電率絶縁膜１９−２にイオンを注入しない場合を例に挙げて説明したが、図７に示す工程では、少なくとも第２の開口部１７の底面１７ａに形成された高誘電率絶縁膜１９にイオンが注入されなければよい。
ただし、第２の開口部１７の下部１７Ａに形成された高誘電率絶縁膜１９−２にイオンを注入しないように上記斜めイオン注入を行なうことで、図７に示す工程、及び後述する図８に示す工程におけるプロセスマージンを十分に確保することが可能となるので、半導体装置１０の歩留まりを向上させることができる。

次いで、図８に示す工程では、ウエットエッチング法により、第２の開口部１７の底面１７ａに形成された高誘電率絶縁膜１９（具体的には、ＨｆＳｉＯＮ膜）が残存するように、イオンが注入された高誘電率絶縁膜１９（具体的には、ダメージを受けたＨｆＳｉＯＮ膜）をエッチングすることで、第１の開口部１６の底面１６ａの外周を露出させる。
具体的には、ＨＦ（フッ化水素）系のエッチング液を用いたウエットエッチングにより、イオンが注入された高誘電率絶縁膜１９を除去する。
これにより、第１の開口部１６の底面１６ａに高誘電率絶縁膜１９−１が残存すると共に、第２の開口部１７の下部１７Ａに、アンチヒューズ素子２３の構成要素の１つである高誘電率絶縁膜１９−２が残存し、かつ高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２以外の高誘電率絶縁膜１９が除去される。
また、第１の開口部１６の底面１６ａの外周を露出させることで、第１の開口部１６内にコンタクトプラグ２２（後述する図１０参照）を形成した際、配線１３とコンタクトプラグ２２とを電気的に接続することができる。

また、図８に示す工程では、イオンが注入された高誘電率絶縁膜１９のエッチングが、イオンが注入されていない高誘電率絶縁膜１９−１，１９−２のエッチング速度の３〜５倍の速度で進むため、エッチング用マスク（具体的には、高誘電率絶縁膜１９をパターニングするためのパターニングされたホトレジスト）を用いることなく、イオンが注入された高誘電率絶縁膜１９のみを選択的に除去することができる。
これにより、高誘電率絶縁膜１９をパターニングするためのマスクとなるホトレジストが不要となるので、半導体装置１０の製造工程を簡略化することができる。

なお、本実施の形態では、図８に示すように、ウエットエッチング後に、高誘電率絶縁膜１９−１、及び第２の開口部１７の下部１７Ａに対応する側面１７ｂに形成された高誘電率絶縁膜１９−２を残存させる場合を例に挙げて説明したが、上記ウエットエッチング後において、少なくとも第２の開口部１７の底面１７ａに高誘電率絶縁膜１９−２が形成されておればよい。

次いで、図９に示す工程では、ＣＶＤ法により、第１及び第２の開口部１６，１７内を埋め込む導電膜２１を成膜する。このとき、第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａにも導電膜２１が成膜される。
導電膜２１は、コンタクトプラグ２２及び導電部２８（図１参照）の母材となる膜であり、導電膜２１としては、金属膜（第１の金属膜）を成膜するとよい。
該金属膜としては、例えば、タングステン膜や、チタン膜、窒化チタン膜、及びアルミ（Ａｌ）膜とを順次積層させたＴｉ／ＴｉＮ／Ｗ積層膜、或いはＴｉＮ膜及びＣｕ膜を順次積層させたＴｉＮ／Ｃｕ積層膜等を用いることができる。

次いで、図１０に示す工程では、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を用いた研磨により、第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａよりも上方に形成された不要な導電膜２１を除去することで、第１及び第２の開口部１６，１７に埋め込まれた導電膜２１の上端面２１ａ、及び第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａを面一にする。

これにより、第１の開口部１６内に埋め込まれた導電膜２１よりなり、配線１３の上面１３ａと接触し、かつ平坦な上端面２２ａ（第１の開口部１６内に埋め込まれた導電膜２１の上端面２１ａ）を有したコンタクトプラグ２２と、第２の開口部１７内に埋め込まれた導電膜２１よりなり、高誘電率絶縁膜１９−２及び第２の開口部１７の側面１７ｂと接触し、かつ平坦な上端面２８ａ（第２の開口部１７内に埋め込まれた導電膜２１の上端面２１ａ）を有した導電部２８（アンチヒューズ素子２３の構成要素の１つ）と、が一括形成される。言い換えれば、コンタクトプラグ２２とアンチヒューズ素子２３とが同時に形成（一括形成）される。

このように、コンタクトプラグ２２及びアンチヒューズ素子２３を同時に形成することにより、コンタクトプラグ２２及びアンチヒューズ素子２３を別々の工程で形成した場合と比較して、半導体装置１０の製造工程を簡略化することができる。

次いで、図１１に示す工程では、第２の層間絶縁膜１４の上面１４ａに、金属膜３７（第３の金属膜）を成膜し、次いで、金属膜３７上にパターニングされたホトレジスト（図示せず）を形成する。
次いで、該ホトレジストをマスクとする異方性エッチング（具体的には、ドライエッチング）により、金属膜３７をパターニングすることで、金属膜３７よりなり、かつコンタクトプラグ２２の上端と接続される第１の上部配線２５と、導電部２８の上端（アンチヒューズ素子２３を構成する導電膜２１の上端）と接続される第２の上部配線２６と、を一括形成する。その後、ホトレジスト（図示せず）を除去することで、本実施の形態の半導体装置１０が製造される。

本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、配線１３上に配置された第２の層間絶縁膜１４に、配線１３の上面１３ａを露出し、かつ第１の開口径Ｒ_１とされた第１の開口部１６と、配線１３の上面１３ａを露出し、かつ第１の開口径Ｒ_１よりも小さい第２の開口径Ｒ_２とされた第２の開口部１７と、を一括形成し、次いで、第１及び第２の開口部１６，１７の内面を覆う高誘電率絶縁膜１９を成膜し、次いで、斜めイオン注入法により、第２の開口部１７の下部１７Ａに形成された高誘電率絶縁膜１９−２にイオンが注入されないように、少なくとも第１の開口部１６の底面１６ａの外周に形成された高誘電率絶縁膜１９−３にイオンを注入してダメージを与え、次いで、ウエットエッチング法により、第２の開口部１７の底面１７ａに形成された高誘電率絶縁膜１９が残存するように、イオンが注入された高誘電率絶縁膜１９をエッチングすることで、少なくとも第１の開口部１６の底面１６ａの外周を露出させ、その後、イオンが注入された高誘電率絶縁膜１９を除去し、次いで、第１及び第２の開口部１６，１７内を導電膜２１で埋め込むことで、第１の開口部１６内に導電膜２１よりなるコンタクトプラグ２２を形成すると共に、第２の開口部１７内に、第２の開口部１７の底面１７ａに残存する高誘電率絶縁膜１９、及び導電膜よりなるアンチヒューズ素子２３を形成することにより、ホトレジストを用いることなく、高誘電率絶縁膜１９をパターニングすることが可能となる。

これにより、ホトレジストを用いて、高誘電率絶縁膜１９をパターニングする場合と比較して、半導体装置１０の製造工程を簡略化することができる。
また、イオンが注入された高誘電率絶縁膜１９を除去後に、第１及び第２の開口部１６，１７内を導電膜２１で埋め込むことで、コンタクトプラグ２２及びアンチヒューズ素子２３を同時に形成することが可能となるので、コンタクトプラグ２２及びアンチヒューズ素子２３を別々の工程で形成した場合と比較して、半導体装置１０の製造工程を簡略化することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明は、半導体装置の製造方法に適用可能である。

１０…半導体装置、１１…半導体基板、１１ａ…表面、１２…第１の層間絶縁膜、１２ａ，１３ａ，１４ａ…上面、１３…配線、１４…第２の層間絶縁膜、１６…第１の開口部、１６ａ，１７ａ…底面、１６ｂ，１７ｂ…側面、１７…第２の開口部、１７Ａ…下部、１９，１９−１，１９−２，１９−３…高誘電率絶縁膜、２１…導電膜、２１ａ，２２ａ，２８ａ…上端面、２２…コンタクトプラグ、２３…アンチヒューズ素子、２５…第１の上部配線、２６…第２の上部配線、２８…導電部、３１…金属膜、３３…ホトレジスト、３４，３５…開口部、３７…金属膜、Ａ，Ｂ…方向、Ｍ…厚さ、Ｒ_１…第１の開口径、Ｒ_２…第２の開口径、Ｒ_３，Ｒ_４…開口径、α，β…注入角度

Claims (9)

1. 配線上に層間絶縁膜を成膜する工程と、
   前記層間絶縁膜に、前記配線の上面を露出し、かつ第１の開口径とされた第１の開口部と、前記配線の上面を露出し、かつ前記第１の開口径よりも小さい第２の開口径とされた第２の開口部と、を一括形成する工程と、
   前記第１及び第２の開口部の内面を覆う高誘電率絶縁膜を成膜する工程と、
   斜めイオン注入法により、前記第２の開口部の底面に形成された前記高誘電率絶縁膜にイオンが注入されないように、少なくとも前記第１の開口部の底面の外周に形成された前記高誘電率絶縁膜に前記イオンを注入してダメージを与える工程と、
   ウエットエッチング法により、前記第２の開口部の底面に形成された前記高誘電率絶縁膜が残存するように、前記イオンが注入された前記高誘電率絶縁膜をエッチングすることで、少なくとも前記第１の開口部の底面の外周を露出させる工程と、
   前記イオンが注入された前記高誘電率絶縁膜を除去後に、前記第１及び第２の開口部内を導電膜で埋め込むことで、前記第１の開口部内に前記導電膜よりなるコンタクトプラグを形成すると共に、前記第２の開口部内に、前記第２の開口部の底面に残存する前記高誘電率絶縁膜、及び前記導電膜よりなるアンチヒューズ素子を形成する工程と、
   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２の開口部の底面及び側面の一部よりなる前記第２の開口部の下部に形成された前記高誘電率絶縁膜に、前記イオンを注入しないことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１の開口部の側面に形成された前記高誘電率絶縁膜に、前記イオンを注入することを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記高誘電率絶縁膜の比誘電率は、３．９よりも高いことを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記高誘電率絶縁膜として、ＨｆＳｉＯＮ膜を成膜し、
   前記ウエットエッチング法により、前記高誘電率絶縁膜をエッチングする際、ＨＦ（フッ化水素）系のエッチング液を用いることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記層間絶縁膜としてシリコン窒化膜を成膜することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記導電膜は、第１の金属膜であることを特徴とする請求項１ないし６のうち、いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記配線は、第２の金属膜よりなることを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記層間絶縁膜上に成膜した第３の金属膜をパターニングすることで、前記コンタクトプラグの上端と接続される第１の上部配線と、前記アンチヒューズ素子を構成する前記導電膜の上端と接続される第２の上部配線と、を一括形成する工程を含むことを特徴とする請求項１ないし８のうち、いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。

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