JP4289798B2 - レーザ処理 - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の背景］
本発明は、集積回路又はメモリ・デバイスのシリコン基板上の近接して離間した金属リンク構造又は「ヒューズ」を高歩留まりで除去するシステム及び方法を含む、レーザ処理システム及び方法に関する。
【０００２】
レーザ・システムを用いて、欠陥素子を除去し且つそれらをこの目的（「冗長メモリ修理」）のため設けられている冗長素子と置換し、又は論理デバイスのプログラミングのような目的のため、ＡＳＩＣ、ＤＲＡＭ及びＳＲＡＭのような集積回路及びメモリ・デバイスにおけるヒューズ構造を除去する（「リンクを飛ばす」）ことができる。リンク処理レーザ・システムは、Ｇｅｎａｒａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｎｃ．により製造されているＭ３２０及びＭ３２５システムを含み、それらのシステムは、１．０４７μｍ、１．０６４μｍ及び１．３２μｍを含む種々の波長にわたりレーザ出力を生成する。
【０００３】
経済的要請は、より小さく、より複雑で、より高密度の半導体構造の開発に導いてきた。これらのより小さい構造は、比較的高速度で動作するという利点を持つことができる。また、半導体デバイスの素子はより小さくなることができるので、より多くの素子が単一のウェーハに含められることができる。半導体製造プラントにおいて単一のウェーハを処理するコストはウェーハ上の素子の数とは殆ど無関係であるので、より多くの数の素子は素子当たりのより低いコストに変換されることができる。
【０００４】
１９８０年代に、半導体デバイスの素子は、多くの場合ポリシリコン又はケイ化物の相互接続を含んでいた。ポリ・ベース（ｐｏｌｙ−ｂａｓｅｄ）の相互接続が比較的弱い導体であるにも拘わらず、それらは、その時に入手可能であるプロセスを用いて容易に製造され、そしてその時に通常入手可能なＮｄ：ＹＡＧレーザにより発生される波長に良く適していた。しかしながら、幾何学的形状が小さくなるにつれ、ポリシリコンの相互接続及びリンク構造の弱い導電率が問題となり、そして一部の半導体製造業者はアルミニウムに切り替えた。ある一定の従来のレーザはアルミニウム・リンクを切断しなく、並びにそれらはポリシリコン・リンクを切断してしまい、そして特にシリコン基板に対するその損傷が発生することがあることが分かった。この状況は、アルミニウムでの反射が非常に高く且つ吸収度が低いことにより説明され得る。従って、この低い吸収度を克服するためエネルギの増大を用いなければならない。より高いエネルギは、多すぎるエネルギを用いたとき基板を損傷しがちである場合がある。
【０００５】
Ｓｕｎ他の米国特許Ｎｏ．５，２６５，１１４は、アルミニウム、及び例えばニッケル、タングステン及びプラチナのような他の金属を切断するため適切なレーザ波長を選択するための「吸収度対比」モデルを促進させた。特に、この特許は、シリコンが殆ど透過的であり且つ金属リンク材料の光学的吸収挙動がリンクを処理するのに十分である波長範囲を選択することを記載する。その特許は、１．２から２．０μｍの波長範囲が、１．０６４μｍ及び０．５３２μｍのレーザ波長と比較して、シリコン基板と高導電率リンク構造との間の高い吸収度対比を与えることを述べている。
【０００６】
［発明の概要］
本発明は、基板上の目標構造を気化させるシステム及び方法を提供する。本発明に従って、単位エネルギを目標構造に沈積する（ｄｅｐｏｓｉｔ）に必要な入射ビーム・エネルギの計算が波長の関数として実行される。次いで、入射ビーム・エネルギに対して、基板に沈積されるのを期待されるエネルギが波長の関数として計算される。基板に沈積されるのを期待されるエネルギの比較的低い値に対応する波長が識別される。なお、その低い値は、より高い波長で基板に沈積されるのを期待されるエネルギの値より実質的に小さい。基板に沈積されるのを期待されるエネルギの比較的低い値に対応する波長でレーザ出力を生成するよう構成されたレーザ・システムが提供される。レーザ出力は、目標構造を気化させるため、基板に沈積されるのを期待されるエネルギの比較的低い値に対応する波長で基板上の目標構造にレーザ出力を指向する。
【０００７】
本発明のある応用は、シリコン基板に対して許容できない損傷を生成することなしに、金属リンクを切断するに適した波長の選択を包含し、そこにおいてその波長は、１．０４７μｍ及び１．０６４μｍの通常の波長より大きいのではなく、むしろそれらりより小さい。この波長選択の方法は、より短い波長の使用がより小さいレーザ・スポットをもたらすことができ、また他のことは等しく、従ってレーザ・スポットにより所望のリンクのみをヒットする（打つ）点で非常に容易であるので有利である。特に、他のことは等しく、レーザ・スポットのサイズが公式に従って波長に正比例し、即ち、スポット・サイズはλｆに比例し、ここでλはレーザ波長であり、ｆは光学系のＦ−ナンバである。
【０００８】
更に、本発明のある応用は、基板が低い吸収度を有するが、しかし相互接続材料は１．０４７μｍ及び１．０６４μｍの通常の波長又は通常の波長より高い波長におけるより高い吸収度を有する波長の選択を包含する。相互接続材料の反射率が低減するので、入射レーザ・エネルギを低減することができる一方、相互接続材料はそれにも拘わらず、複数のレーザ・パルス（それはスループットに衝撃を与えることができる。）を用いないで又はレーザ・ビームに起因する実質的な付随的（ｃｏｌｌａｔｅｒａｌ）損傷なしに、相互接続部を飛ばすに十分なエネルギを吸収する。
【０００９】
本発明は、近接して離間したパターンに配列された、例えば銅、金及び類似物のような高導電率リンク相互接続材料に関して高品質のレーザ・リンク切断を、単一のレーザ・パルスのみを用いて及びその構造に損傷を与えることなく、実行することができる。本発明は更に、依然許容できるリンク切断を与えながら、１．０４７μｍ、１．０６４μｍ又はそれより高い波長で得ることができるであろうものより小さいレーザ・スポット・サイズを可能にする。
【００１０】
［詳細な説明］
図１のブロック図に、半導体デバイスのリンクを除去するシステムが示されている。レーザ１０は、１．０４７μｍのような通常の波長で動作するよう構成されている。レーザ１０は、例えば周波数二倍器又は光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）のような、０．５５μｍより小さい波長へ、即ち波長スペクトルの「緑」領域の中にシフトさせるよう構成された波長シフタ１２を含むレーザ出力システムに対して一直線に並べられている。以下に一層詳細に説明されるように、従って、ビームは、レーザ出力システムの残りの部分を通され、その残りの部分は、制御された電気音響光減衰器１３、ビームを拡大するテレスコープ１４、及び２つのスキャナ・ガルバノメータ１８及び２０によりビームを集束レンズ１６を介して走査する走査ヘッド１５を含む。スポットは、コンピュータ３３の制御下で、リンク２４を除去するためウェーハ２２上に集束させられる。
【００１１】
レーザ１０は、ガルバノメータ及び被加工物に関連して安定なプラットフォーム１１上に取り付けられる。レーザ１０は、コンピュータ３３によりレーザそれ自身の外側から制御され、そのビームを、正確なＸ及びＹガルバノメータ１８及び２０を備えるスキャナ・ヘッドへ送る。ビームが１ミクロンの（３／１０）より小さい精度で位置決めされることがリンクの除去において非常に重要である。連続的に運動しているガルバノメータの位置と相関させるためのレーザ・パルスのタイミングは重要である。システム・コンピュータ３３は、請求に応じてレーザ・システムを要求する。
【００１２】
ステップ・アンド・リピート式テーブル３４は、ウェーハを各半導体デバイスを処理するための位置へ移動させる。
一実施形態において、レーザ１０は、約１５．２４ｃｍ（約６インチ）の全長及び短いキャビティ長を有するバナジン酸ネオジム・レーザである。
【００１３】
この好適な実施形態の波長シフタ１２は、キャビティの外にあり、そして約１０．１６ｃｍ（約４インチ）の別の長さである。代替実施形態においては、レーザ１０は、適切な波長を持つレーザ出力を生成し、それによりシフタが必要とされないように構成されることができる。
【００１４】
レーザは、コンピュータ３３により高精度でパルス・レートの外部制御を可能にするに十分な長さ及び構成を有するＱスイッチド・ダイオード・ポンプド・レーザである。
【００１５】
レーザのキャビティは部分透過ミラー７を含み、該部分透過ミラー７は、バナジン酸ネオジムのレイジング・ロッド６がダイオードによりポンピングされる波長に最適化される。部分透過出力ミラー９もこの波長に最適化される。
【００１６】
ポンピング・ダイオード４は、設計に応じて約１ワットと２ワットとの間の出力を生成する。それは、レーザ・ロッド６の背面上に集束する。前述のように、レーザ・ロッドは、そのポンピングされる端部上を、１．０６４μｍ又は１．０４７μｍの標準レーザ波長に適したミラー７により被覆されている。ロッドの他方の端部は、二色性コーティングにより被覆されている。レーザ・キャビティ内に、音響−光変調器（ａｃｏｕｓｔｉｃ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）の形式の光学的Ｑスイッチ８がある。それは、レーザの動作周波数を確立するためのシャッタとして用いられている。Ｑスイッチの向こうに出力ミラー９がある。２つのミラー、即ち、レーザ・ロッドのポンピングされる端部上のミラー７と音響−光Ｑスイッチの向こうにあるミラー９とは、レーザ・キャビティを構成する。
【００１７】
更に別の音響−光減衰器の形式のシステム光スイッチ１３は、レーザ出力ビームの中で、レーザ・キャビティを超えた所に位置決めされる。コンピュータ３３の制御下で、それは、ビームが望まれたとき以外にビームがガルバノメータに達するのを防止するよう、且つビームがガルバノメータにおいて望まれるとき、レーザ・ビームのパワーを所望のパワー・レベルまで制御可能に低減するよう作用する。気化手順中には、このパワー・レベルは、システム及びプロセスの動作パラメータに応じて、全レーザ出力の１０％程度の小さいものであり得る。パワー・レベルは、レーザ出力ビームを気化手順の前に目標構造と整列させる整列手順中に全レーザ出力の約０．１％であり得る。
【００１８】
動作において、Ｘ及びＹガルバノメータ１８及び２０の位置は、コンピュータ３３により且つガルバノメータ制御Ｇにより制御される。典型的には、ガルバノメータは、シリコン・ウェーハ上の半導体デバイスの上を一定速度で移動する。レーザは、ガルバノメータを制御するタイミング信号に基づいてタイミング信号により制御される。レーザは、一定反復速度で動作し、そしてシステム光スイッチ１３によりガルバノメータに対して同期化される。
【００１９】
図１のシステムブロック図において、レーザ・ビームは、ウェーハ上に集束されているよう示されている。図２の拡大図において、レーザ・ビームが半導体デバイスのリンク素子２５上に集束されていることが分かる。
【００２０】
金属リンクは、二酸化ケイ素絶縁層３２によりシリコン基板上に支持され、該二酸化ケイ素絶縁層３２は、例えば０．３−０．５ミクロンの厚さであり得る。リンクの上に二酸化ケイ素の別の層がある（図示せず）。リンク飛ばし技術（ｌｉｎｋ ｂｌｏｗｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）において、レーザ・ビームは、リンク上に当たり、そしてそれを融点まで加熱する。加熱中に、酸化物の重なり層の閉じこめ効果により金属が気化するのを防止する。短いパルスの持続時間中に、レーザ・ビームは、絶縁材料が破裂するほど金属が膨張するまで金属を累進的に加熱する。この時点で、溶融した金属は、それが直ちに気化し且つ破裂穴を通ってきれいに飛び出してしまうほど高圧下にある。
【００２１】
波長シフタ１２により生成された波長は、等しい立場で、リンクを切断するに必要であるリンク構造におけるエネルギ沈積（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）に対して、望ましくない基板におけるエネルギ沈積をトレード・オフするように、処理されるべき相互接続又はリンクと基板の両方の値を考慮することにより到達される。従って、波長を選択するための判定基準は、基板に非常に透過的であることを要求せず、それは、基板が非常に透過的である波長範囲（ｒｅｇｉｍｅ）がリンク構造におけるエネルギ沈積のための最適より非常に小さい場合特に重要である。
【００２２】
適切な波長の選択のための判定基準は次の通りである。
１）単位エネルギをリンク構造に沈積するに必要とされる相対的入射レーザ・ビーム・エネルギを計算する。この相対的入射レーザ・ビーム・エネルギは、リンク構造の吸収度の逆数に比例する。例えば、リンク構造が０．３３３の吸収度を持つ場合、それは、その構造が１の吸収度を持つ場合にリンク構造に沈積するであろうほどの入射レーザ・ビーム・エネルギの３倍を必要とするであろう。図３は、銅、金、アルミニウム及びシリコンの吸収度を波長の関数として図示する（銅、金及びアルミニウムはあり得るリンク構造材料であり、そしてシリコンは基板材料である。）。
【００２３】
２）ステップ（１）において計算された入射レーザ・ビーム・エネルギを用いて、基板に沈積されたエネルギを計算する。十分に整合されたレーザ・スポットに対して、このエネルギは、ステップ（１）において計算された入射エネルギからリンク構造により吸収されるエネルギを引いたものに基板の吸収度を乗算したものに比例するであろう。換言すると、基板に吸収されたエネルギは、（１／Ｌ−１）×Ｓ（本明細書において、「基板吸収関数」）に比例し、ここで、Ｌはリンクにおける吸収度であり、Ｓは基板における吸収度である。
【００２４】
３）ステップ（２）において定義された基板吸収関数の低い値をレーザ波長の関数として捜し求める。
図４は、シリコン基板上の銅、金及びアルミニウムのリンクに対する基板吸収関数を０．３から０．４μｍの範囲における波長の関数として図示する。基板吸収関数の値は、特異性のため０．５として任意に選定された比例定数（上記ステップ（２）を参照）を用いて（この定数は図４の垂直スケールを単に変え、それから引き出されるいずれの結論も変えない。）、図３に示されている吸収曲線から導出されることができる。
【００２５】
図４から、金及び銅の構造に対して（しかしアルミニウムの構造に対してではない）、基板吸収関数が１．２μｍより大きい波長領域における基板吸収関数と匹敵するおおよそ０．５５μｍより小さい波長領域が存在することが分かる。
【００２６】
この関数は、図５及び図６に与えられている関数とは全く異なることに注目されたい。なお、図５及び図６は、単純な吸収度対比を表す２つのあり得る関数を示す。詳細には、図５は、パーセントとして表された関数Ｌ−Ｓを示し、そして図６は、関数（Ｌ−Ｓ）／（Ｌ＋Ｓ）を示す。いずれのケースにおいても、０．５５μｍより小さい領域は、金又は銅のリンク構造に対してさえ、図５及び図６に従って望ましいものは見いだされない。それは、これらの図面に示される関数がこの領域においてゼロより小さいからである。この負の値は、基板がこの波長範囲においてリンク構造より吸収が高く、そこで、これらのモデルに従って、この波長範囲は選択されるべきでないことを表す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、銅又は金のような材料から製作された半導体デバイスのリンクを除去する本発明に従ったレーザ・システムのブロック図である。
【図２】 図２は、半導体デバイスの基板上のリンクの斜視図である。
【図３】 図３は、銅、金、アルミニウム及びシリコンの吸収度を波長の関数としてプロットした図である。
【図４】 図４は、シリコン基板上の銅、金及びアルミニウムのリンクに対する本発明に従った基板吸収関数を波長の関数としてプロットした図である。
【図５】 図５は、シリコン基板上の銅、金及びアルミニウムのリンクに対する関数Ｌ−Ｓのプロット図であり、Ｌはリンクにおける吸収度であり、Ｓは基板における吸収度である。
【図６】 図６は、シリコン基板上の銅、金及びアルミニウムのリンクに対する関数（Ｌ−Ｓ）／（Ｌ＋Ｓ）のプロット図であり、Ｌはリンクにおける吸収度であり、Ｓは基板における吸収度である。

Claims (22)

1. シリコン基板上の目標構造を気化させるシステムにおいて、
   レーザ・ポンピング源と、
   前記レーザ・ポンピング源によりポンピングされるよう構成されたレーザ共振器キャビティと、
   前記レーザ共振器キャビティに蓄積されたエネルギからパルス化されたレーザ出力ビームを生成し、前記目標構造を気化させるため、前記シリコン基板の吸収端より下で且つ０．３０μｍと０．５５μｍの間の低い波長の前記パルス化されたレーザ出力ビームを前記シリコン基板上の前記目標構造に指向させるよう構成されたレーザ出力装置であって、前記シリコン基板が前記レーザ出力に対して前記目標構造の下に位置し、前記レーザ出力装置が前記レーザ出力を或る入射ビーム・エネルギで生成するよう構成されている前記レーザ出力装置と、
   前記目標構造に対して前記のパルス化されたレーザ・ビームの位置と同期したコンピュータ制御されたタイミング信号を発生し、入射ビームエネルギーの選択的な低減を可能にするようプログラムされたコンピュータと、
   前記のパルス化されたレーザ・ビームの出力パルスを前記目標構造に送るように前記タイミング信号に基づいて制御可能にスイッチング可能である光学的スイッチと、
   光学的装置であって、１．０４７μｍから１．３２μｍの波長でＦナンバーを有する別の光学的装置により前記目標構造上へ集束されるであろうスポット・サイズより比例して小さいスポット・サイズでもって前記入射ビーム・エネルギを前記目標構造上へ集束させる少なくとも１つの集束構成要素を含む前記光学的装置と、を備え、
   前記目標構造を気化する前記入射ビーム・エネルギが、前記シリコン基板の吸収端より下の比較的高い波長を用いて与えられる比較的高いビーム・エネルギより小さいことによって、前記シリコン基板上の選択された目標構造が、シリコン基板上の近接して離間した構造の中から、高歩留まりで除去され得るようにする、
   システム。
2. 前記レーザ出力装置が波長シフタを備える請求項１記載のシステム。
3. 前記目標構造が銅又は金を備える請求項１記載のシステム。
4. 前記シリコン基板上の前記目標構造が集積回路のリンクを備える請求項１記載のシステム。
5. 前記シリコン基板に沈積されるのを期待されるエネルギが、エネルギを前記目標構造の中に沈積させるに必要な入射ビーム・エネルギから前記目標構造に沈積されるエネルギを減算したものに前記シリコン基板の吸収度を乗算したものに比例する請求項１記載のシステム。
6. 前記シリコン基板内で沈積（deposit）することが予想される比較的低いエネルギーの値に対応する、前記の識別された低い波長がスペクトルの緑領域内にある請求項１記載のシステム。
7. 前記入射ビーム・エネルギでの前記レーザ出力が短いパルスを備える請求項１記載のシステム。
8. シリコン基板上の目標構造を気化させる方法において、
   前記シリコン基板の吸収端より下で且つ０．３０μｍと０．５５μｍの間の低い波長のレーザ出力を生成するよう構成されたレーザ装置を設けるステップと、
   前記目標構造を気化させるため、前記レーザ出力を前記シリコン基板上の前記目標構造に前記波長及び或る入射ビーム・エネルギで指向させるステップであって、前記シリコン基板が前記レーザ出力に対して前記目標構造の下に位置される、前記指向させるステップと、
   前記目標構造に対して前記のパルス化されたレーザ・ビームの位置と同期したコンピュータ制御されたタイミング信号を発生するステップと、
   前記のパルス化されたレーザ・ビームの出力パルスを前記目標構造へ送ることによって、入射ビームエネルギーの選択的な低減を可能にするように、前記タイミング信号に基づいて光学的スイッチを制御可能にスイッチングするステップと、
   １．０４７μｍから１．３２μｍの波長でＦナンバーを有する光学的装置により前記目標構造上へ集束されるであろうスポット・サイズより比例して小さいスポット・サイズでもって前記入射ビーム・エネルギを前記目標構造上へ集束させるステップと、を備え、
   前記目標構造を気化する前記入射ビーム・エネルギが、前記シリコン基板の吸収端より下で比較的高い波長を用いて与えられる比較的高いビーム・エネルギより小さいことによって、前記シリコン基板上の選択された目標構造が、シリコン基板上の近接して離間した構造の中から、高歩留まりで除去され得るようにする、
   方法。
9. 前記の識別された低い波長がスペクトルの緑領域内にある請求項８記載の方法。
10. 前記入射ビーム・エネルギでの前記レーザ出力が短いパルスを備える請求項８記載の方法。
11. 前記レーザ共振器キャビティが、基板内に沈積することが予想される、比較的低い値のエネルギーに対応する波長においてレーザ放射を生成する、請求項１に記載のシステム。
12. 前記目標構造が、アルミニウムの導電率より大きい導電率を有する金属を備える、請求項１に記載のシステム。
13. 前記基板上の前記目標構造が、半導体素子のリンクを備える、請求項１に記載のシステム。
14. 前記基板上の前記目標構造が、メモリ素子を備える、請求項１に記載のシステム。
15. 前記シリコン基板内に沈積（deposit）することが予想される、比較的低いエネルギーの値に対応する、前記識別された波長が、スペクトラムの可視領域内にある、請求項１に記載のシステム。
16. 前記レーザ共振器キャビティが、バナジン酸ネオジムレーザ共振器キャビティである、請求項１に記載のシステム。
17. 前記識別された低い波長が、スペクトラムの可視領域内にある、請求項８に記載の方法。
18. 前記目標構造が、アルミニウムの導電率より大きい導電率を有する金属を備える、請求項８に記載の方法。
19. 前記金属が、銅又は金を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記シリコン基板が、半導体素子のリンクを備える、請求項８に記載の方法。
21. 前記シリコン基板が、集積回路を備える、請求項８に記載の方法。
22. 前記集積回路が、メモリ素子を備える、請求項２１に記載の方法。

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