JP5906794B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
DRAMやSRAMなどのメモリデバイスやロジックデバイスなどの半導体装置は極めて多数の素子によって形成されるが、製造工程上の様々な要因によって一部の回路やメモリセルが正常動作しないことがある。この場合、一部の回路やメモリセルの不良により装置全体を不良として扱うとすれば製造歩留りを低下させ、ひいては製造コストの増加にも繋がる。このため、近年の半導体装置においては、不良回路や不良メモリセルを、予め準備しておいた冗長回路や冗長メモリセルに切り換えて良品とすることにより不良品を救済することが行われている。
また、異なる機能を有する複数の回路を一体として構成した後に装置機能を切り換える半導体装置や、所定の回路を構成した後に装置特性を調整する半導体装置も存在する。
このような半導体装置の再構築は、通常、半導体装置に予め複数のヒューズを備えたヒューズ回路を実装しておき、動作試験等の後、その結果切断することが必要となったヒューズを切断することにより行われている。
ヒューズの切断は、例えば、ヒューズに大電流を流すことにより生ずるジュール熱で、ヒューズを溶断させることにより行われる。
特開平10−189738号公報 国際公開第2009/104343号パンフレット
しかしながら、従来は、ヒューズの切断不良が生じてしまう場合があった。
本発明の目的は、信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
実施形態の一観点によれば、半導体基板上に形成された素子分離膜と素子分離領域に内包され、かつ、前記素子分離膜上に形成され、電流を流すことにより溶断されるヒューズと、前記半導体基板上に前記ヒューズを覆うように形成された第1の絶縁膜とを有し、前記ヒューズの被切断領域における前記第1の絶縁膜中の酸素濃度は、他の領域における前記第1の絶縁膜中の酸素濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置が提供される。
実施形態の他の観点によれば、半導体基板上に素子分離膜を形成する工程と、電流を流すことにより溶断されるヒューズを素子分離領域に内包されつつ前記素子分離膜上に形成する工程と、前記半導体基板上に、前記ヒューズを覆うように第1の絶縁膜を形成する工程と、前記ヒューズの被切断領域における前記第1の絶縁膜に酸素イオンを注入する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
開示の半導体装置及びその製造方法によれば、電流を流すことにより溶断されるヒューズの被切断領域における絶縁膜に酸素イオンを予め導入しておくため、被切断領域における絶縁膜において酸素が過剰な状態となっている。このため、ヒューズを溶断した際に生ずる溶融片に絶縁膜から十分に酸素が供給され、溶融片の表面に酸化膜が確実に形成される。このため、切断されたヒューズの溶融片によりヒューズが接続された状態となるのを防止することができ、ヒューズの切断不良を防止することができる。従って、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
図1は、一実施形態による半導体装置を示す断面図及び平面図である。 図2は、一実施形態による半導体装置の一部を示す回路図である。 図3は、ヒューズを溶断した後の状態を示す断面図及び平面図である。 図4は、一実施形態による半導体装置の回路の一部を概念的に示した図である。 図5は、一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。 図6は、一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。 図7は、一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
[一実施形態]
一実施形態による半導体装置及びその製造方法を図1乃至図7を用いて説明する。
(半導体装置)
まず、本実施形態による半導体装置について図1を用いて説明する。図1は、本実施形態による半導体装置を示す断面図及び平面図である。図1(a)は断面図であり、図1(b)は平面図である。図1(a)は、図1(b)のA−A′線断面に対応している。
なお、半導体基板10上には、後述するヒューズのみならず、トランジスタやメモリセル等も形成されているが、ここでは、説明を省略する。
図1に示すように、半導体基板10には、絶縁層(素子分離膜、フィールド酸化膜)12が形成されている。
絶縁層12上には、電流を流すことにより溶断することが可能なヒューズ14が形成されている。ヒューズ14は、導電膜により形成されている。かかる導電膜としては、例えば、不純物が導入されたポリシリコン膜、即ち、ドープドポリシリコン膜が用いられている。ヒューズ14は、比較的幅の狭い領域(幅狭領域)16aを含んでいる。かかる幅狭領域16aは、断面積が比較的小さいため、電気抵抗が比較的高くなっている。このため、かかる幅狭領域16aは、ヒューズ14を切断する際に、ヒューズ14に流される電流の大きさに応じて発熱し、溶断される。ヒューズ14の幅狭領域(被切断領域、被溶断領域)を除く領域は、比較的幅が広い領域(幅広領域)16b、16cとなっている。かかる幅広領域16b、16cは、後述する導体プラグ26が接続される領域、即ち、ヒューズ14の端子(接続領域)となっている。幅広領域16bは、幅狭領域16aの長手方向における一方の端部に接続されている。幅広領域16bは、幅狭領域16aの長手方向における他方の端部に接続されている。ヒューズ14の厚さは、例えば300nm程度とする。ヒューズ14の幅狭領域(被切断領域)16aの幅は、例えば1.5μm程度とする。ヒューズ14の幅広領域16b、16cの幅は、例えば6μm程度とする。
ヒューズ14が形成された半導体基板10上には、ヒューズ14を覆うように絶縁膜18が形成されている。かかる絶縁膜18としては、例えばシリコン酸化膜が用いられている。絶縁膜18の膜厚は、例えば150nm程度とする。
ヒューズ14の被切断領域16aを含む領域20における絶縁膜18には、酸素イオンが比較的高濃度に導入されている。このため、かかる領域20における絶縁膜18は、酸素が過剰な状態となっている。かかる領域20における絶縁膜18中への酸素イオンのドーズ量は、例えば、1×1018cm−2程度とする。
本実施形態において、被切断領域16aにおける絶縁膜18に酸素イオンを導入しているのは、以下のような理由によるものである。
即ち、ヒューズ14を溶断すると、溶断したヒューズ14の一部により溶断片(溶融生成物、生成物)が生成される。切断されたヒューズ14が、溶断片を介して電気的に接続されると、ヒューズ14の切断不良の要因となる。
本実施形態では、被切断領域16aにおける絶縁膜18に酸素イオンが比較的高濃度に導入されているため、被切断領域16aにおける絶縁膜18は酸素が過剰な状態となっている。このため、本実施形態によれば、ヒューズ14を溶断させた際に、溶断片の表面に絶縁膜(シリコン酸化膜)が確実に形成される。本実施形態によれば、溶断片の表面に絶縁膜が確実に形成されるため、溶断したヒューズ14が溶断片により接続状態となるのを確実に防止することが可能となる。
このような理由により、本実施形態では、被切断領域16aにおける絶縁膜18に酸素イオンを比較的高濃度に導入している。
本実施形態によれば、被切断領域16aにおける絶縁膜18に酸素イオンが導入されているため、被切断領域16aにおける絶縁膜18中の酸素濃度は、他の領域、即ち、被切断領域16aを除く領域における絶縁膜18中の酸素濃度より高くなっている。
酸素イオンが注入された絶縁膜18上には、絶縁膜22が形成されている。かかる絶縁膜22としては、例えば、シリコン窒化酸化膜(SiON膜)やシリコン酸化膜等が用いられている。絶縁膜22の膜厚は、例えば1μm程度とする。
絶縁膜18と絶縁膜22とにより層間絶縁膜23が形成されている。
層間絶縁膜23には、ヒューズ14の両端、より具体的には、ヒューズ14の端子16a,16bにそれぞれ達するコンタクトホール24が形成されている。
コンタクトホール24の底面及び側面に、バリアメタル膜(図示せず)が形成されている。バリアメタル膜は、例えば、膜厚30nm程度のチタン(Ti)膜と、膜厚50nm程度の窒化チタン(TiN)膜により形成されている。
バリアメタル膜が形成されたコンタクトホール24内には、導体プラグ26が埋め込まれている。導体プラグ26の材料としては、例えばタングステンが用いられている。
導体プラグ26が埋め込まれた層間絶縁膜23上には、導体プラグ26にそれぞれ接続された配線28が形成されている。配線28の材料としては、例えばアルミニウム(Al)や銅(Cu)等が用いられている。
なお、ヒューズ14は複数形成されるが、ここでは、複数のヒューズ14のうちの1つのヒューズ14を抜き出して示している。
こうして、本実施形態による半導体装置が形成されている。
図2は、本実施形態による半導体装置の一部を示す回路図である。
図2に示すように、ヒューズ14の一方の端子16bは、電源電位VDDに電気的に接続されている。
ヒューズ14の他方の端子16cは、トランジスタ30を介して接地電位VSSに電気的に接続されている。具体的には、ヒューズ14の端子16cは、トランジスタ30のドレインに接続されており、トランジスタ30のソースは、接地電位VSSに電気的に接続されている。
トランジスタ30のゲートには、ゲート電圧VGSが印加される信号線が接続されている。
ヒューズ14を切断する際には、トランジスタ30のゲートに接続された信号線に所定の電圧VGSを印加する。信号線に所定の電圧VGSを印加すると、トランジスタ30がオン状態となり、ヒューズ14に電流IDSが流れ、電流IDSに応じた発熱が幅狭領域16aにおいて生じる。これにより、ヒューズ14の被切断領域16aが溶断され、ヒューズ14は切断状態となる。
図3は、ヒューズを溶断した後の状態を示す断面図及び平面図である。図3(a)は断面図であり、図3(b)は平面図である。
図3に示すように、ヒューズ14の被切断領域16aが溶断されており、溶断片15が生じている。溶断片15の表面には、絶縁膜17、より具体的には、シリコン酸化膜17が形成されている。
本実施形態によれば、溶断片15の表面に絶縁膜17が確実に形成されるため、溶断されたヒューズ14が溶断片15を介して接続された状態になるのを防止することができる。
図2に示すように、トランジスタ30のドレイン及びヒューズの他方の端子16cには、判定回路32が接続されている。
ヒューズ14が切断されていない状態においては、トランジスタ30のドレインの電位はVDDとなっており、判定回路32にはHレベルの信号が入力される。判定回路32は、Hレベルの入力信号に応じた信号を出力する。即ち、ヒューズ14が切断されていない状態に対応する信号が、判定回路32から出力される。
一方、ヒューズ14が切断されると、トランジスタ30のドレインはLレベルとなり、判定回路32にはLレベルの信号が入力される。判定回路32は、Lレベルの入力信号に応じた信号を出力する。即ち、ヒューズ14が切断された状態に対応する信号が、判定回路32から出力される。
図4は、本実施形態による半導体装置の回路の一部を概念的に示した図である。
図4に示すように、通常用のメモリセルブロック34a〜34eと、冗長用のメモリセルブロック34fとが配列されている。
各々のメモリセルブロック34a〜34fには、センスアンプ36a〜36fがそれぞれ接続されている。
センスアンプ36a〜36fは、配線38a〜38fを介して冗長切り替え回路40に接続されている。
冗長切り替え回路40は、データバスライン42a〜42eの冗長切り替えを行うためのものである。
メモリセルブロック34dにおいて不良が生じている場合には、メモリセルブロック34dにセンスアンプ36dを介して接続された配線38dがデータバスライン42dから切り離される。配線38dのデータバスライン42dからの切り離しは、当該内容に対応したヒューズ14を切断することにより行われる。これにより、データバスライン42dが配線38dから切り離され、データバスライン42dが配線38eに接続される。また、データバスライン42eが配線38eから切り離され、データバスライン42eが配線38fに接続される。
こうして、冗長回路への切り替えが、当該切り替え内容に応じたヒューズ14の切断により行われる。
このように、本実施形態によれば、ヒューズ14の被切断領域16aにおける絶縁膜18に酸素イオンが導入されている。このため、本実施形態によれば、被切断領域16aにおける絶縁膜18は酸素が過剰な状態となっている。このため、本実施形態によれば、ヒューズ14を溶断した際に、溶融片15の表面に絶縁膜18から酸素を十分に供給することができ、溶融片15の表面に酸化膜17が確実に形成される。このため、本実施形態によれば、切断されたヒューズ14の溶融片15によりヒューズ14が接続された状態となるのを防止することができ、ヒューズ14の切断不良を防止することができる。従って、本実施形態によれば、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
(半導体装置の製造方法)
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図5乃至図7を用いて説明する。図5乃至図7は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
なお、半導体基板10上にトランジスタやメモリセル等も形成されるが、ここでは、説明を省略することとする。
まず、図5(a)に示すように、半導体基板10に、例えば、LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)法により、絶縁層(素子分離膜、フィールド酸化膜)12を形成する。
なお、絶縁層12の形成方法は、LOCOS法に限定されるものではなく、例えば、STI(Shallow Trench Isolation)法により形成してもよい。
次に、全面に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition、化学気相堆積)法により、例えば膜厚300nm程度の導電膜を形成する。かかる導電膜としては、例えば、不純物が導入されたポリシリコン膜、即ち、ドープドポリシリコン膜を形成する。
次に、フォトリソグラフィ技術を用い、導電膜をパターニングする。これにより、導電膜のヒューズ14が絶縁層12上に形成される(図5(b)参照)。ヒューズ14の幅狭領域(被切断領域)16aの幅は、例えば1.5μm程度とする。ヒューズの幅広領域(端子)16b、16cの幅は、例えば6μm程度とする。
次に、図5(c)に示すように、全面に、例えばCVD法により、膜厚150nm程度の絶縁膜18を形成する。かかる絶縁膜18としては、例えばシリコン酸化膜を形成する。
次に、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜44を形成する。
次に、図5(d)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜44に開口部46を形成する。かかる開口部46は、ヒューズ14の被切断領域16aを含む領域20における絶縁膜18に酸素イオンを注入するためのものである。
次に、図6(a)に示すように、フォトレジスト膜44をマスクとし、例えばイオン注入法により、ヒューズ14の被切断領域16aを含む領域20における絶縁膜18に、酸素イオンを注入する。加速エネルギーは、例えば100keV程度とする。こうして、ヒューズ14の被切断領域16aを含む領域20における絶縁膜18に比較的高い濃度で酸素が導入される。かかる領域20における絶縁膜18中への酸素イオンのドーズ量は、例えば1×1018cm−2程度とする。
この後、フォトレジスト膜44を剥離する。
次に、図6(b)に示すように、全面に、例えばCVD法により、膜厚1μm程度の絶縁膜22を形成する。かかる絶縁膜22としては、例えば、シリコン窒化酸化膜やシリコン酸化膜等を形成する。
次に、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing、化学的機械的研磨)法により、絶縁膜22の表面を平坦化する。絶縁膜18と絶縁膜22とにより層間絶縁膜23が形成される。
次に、図6(c)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用い、ヒューズ14の端子16b、16cにそれぞれ達するコンタクトホール24を、層間絶縁膜23に形成する。
次に、全面に、例えばスパッタリング法により、バリアメタル膜(図示せず)を形成する。バリアメタル膜としては、例えば膜厚30nm程度のTi膜と、膜厚50nm程度のTiN膜との積層膜を形成する。
次に、全面に、例えばCVD法により、膜厚400nm程度の導電膜26を形成する。かかる導電膜26としては、例えばタングステン膜を形成する。
次に、例えばCMP法により、層間絶縁膜23の表面が露出するまで、導電膜26及びバリアメタル膜を研磨する。これにより、コンタクトホール24内に、例えばタングステンの導体プラグ26が埋め込まれる(図7(a)参照)。
この後、導体プラグ26に電気的に接続された配線28を層間絶縁膜23上に形成する。配線28の材料としては、例えばAlやCu等を用いる。
こうして、本実施形態による半導体装置が形成される。
このように、本実施形態によれば、ヒューズ14の被切断領域16aにおける絶縁膜18に酸素イオンを予め導入する。このため、本実施形態によれば、被切断領域16aにおける絶縁膜18において酸素が過剰な状態となる。このため、本実施形態によれば、ヒューズ14を溶断した際に生成される溶融片15に酸素が十分に供給され、溶融片15の表面に酸化膜17が確実に形成される。このため、本実施形態によれば、切断されたヒューズ14の溶融片15によりヒューズ14が接続された状態となるのを防止することができ、ヒューズ14の切断不良を防止することができる。従って、本実施形態によれば、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
[変形実施形態]
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、ヒューズ14の材料としてポリシリコンを用いたが、ヒューズ14の材料はポリシリコンに限定されるものではない。ヒューズ14の材料として、例えば、チタンシリサイドやコバルトシリサイド等を用いることも可能である。
また、上記実施形態では、絶縁膜18としてシリコン酸化膜を形成する場合を例に説明したが、絶縁膜18はシリコン酸化膜に限定されるものではない。絶縁膜18として、例えばシリコン窒化酸化膜等を形成してもよい。
また、上記実施形態では、CVD法により形成されたシリコン酸化膜を絶縁膜18として用いたが、これに限定されるものではない。例えば、スピンコート法により形成されたシリコン酸化膜を絶縁膜18として用いてもよい。
また、上記実施形態では、ヒューズ14の被切断領域16aを含む領域20における絶縁膜18に酸素イオンを注入したが、これに限定されるものではない。例えば、ヒューズ14の被切断領域16aの一部における絶縁膜18に酸素イオンを注入してもよい。
上記実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
半導体基板上に形成され、電流を流すことにより溶断されるヒューズと、
前記半導体基板上に前記ヒューズを覆うように形成された第1の絶縁膜とを有し、
前記ヒューズの被切断領域における前記絶縁膜中の酸素濃度は、他の領域における前記絶縁膜中の酸素濃度よりも高い
ことを特徴とする半導体装置。
(付記2)
付記1記載の半導体装置において、
切断対象の前記ヒューズの前記被切断領域が溶断されている
ことを特徴とする半導体装置。
(付記3)
付記1又は2記載の半導体装置において、
前記第1の絶縁膜上に形成された第2の絶縁膜と、
前記ヒューズの両端にそれぞれ達するように前記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホール内に形成された導体プラグとを更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
(付記4)
付記1乃至3のいずれかに記載の半導体装置において、
前記ヒューズは、ポリシリコンにより形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
(付記5)
付記1乃至4のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第1の絶縁膜は、シリコン酸化膜である
ことを特徴とする半導体装置。
(付記6)
電流を流すことにより溶断されるヒューズを半導体基板上に形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記ヒューズを覆うように第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記ヒューズの被切断領域における前記第1の絶縁膜に酸素イオンを注入する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記7)
付記6記載の配線構造の製造方法において、
切断対象の前記ヒューズに電流を流すことにより、前記切断対象の前記ヒューズの前記被切断領域を溶断する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記8)
付記6又は7記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の絶縁膜に酸素イオンを注入する工程の後、前記ヒューズの前記被切断領域を溶断する工程の前に、前記第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を形成する工程と、前記ヒューズの両端にそれぞれ達するコンタクトホールを前記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜に形成する工程と、前記コンタクトホール内に導体プラグを形成する工程とを更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記9)
付記6乃至8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記ヒューズは、ポリシリコンにより形成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記10)
付記6乃至9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の絶縁膜は、シリコン酸化膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
10…半導体基板
12…絶縁層
14…ヒューズ
15…溶融片
16a…被切断領域
16b、16c…端子
17…絶縁膜
18…絶縁膜
20…領域
22…絶縁膜
23…層間絶縁膜
24…コンタクトホール
26…導体プラグ
28…配線
30…トランジスタ
32…判定回路
34a〜34f…メモリセルブロック
36a〜36f…センスアンプ
38a〜38f…配線
40…冗長切り替え回路
42a〜42e…データバスライン
44…フォトレジスト膜
46…開口部

Claims (8)

  1. 半導体基板上に形成された素子分離膜と
    素子分離領域に内包され、かつ、前記素子分離膜上に形成され、電流を流すことにより溶断されるヒューズと、
    前記半導体基板上に前記ヒューズを覆うように形成された第1の絶縁膜とを有し、
    前記ヒューズの被切断領域における前記第1の絶縁膜中の酸素濃度は、他の領域における前記第1の絶縁膜中の酸素濃度よりも高い
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記他の領域であって、かつ、素子分離領域外に形成されたトランジスタ、または、メモリセルを有する
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項1又は2記載の半導体装置において、
    前記ヒューズに接続される前記第1の絶縁膜に設けられた導体プラグを有し、
    前記被切断領域は、前記導体プラグから離間している
    ことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置において、
    前記第1の絶縁膜上に形成される第2の絶縁膜をさらに有し、
    前記導体プラグは、前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜に設けられている
    ことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
    切断対象の前記ヒューズの前記被切断領域が溶断されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置において、
    前記ヒューズは、ポリシリコンにより形成されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置において、
    前記第1の絶縁膜は、シリコン酸化膜である
    ことを特徴とする半導体装置。
  8. 半導体基板上に素子分離膜を形成する工程と、
    電流を流すことにより溶断されるヒューズを素子分離領域に内包されつつ前記素子分離膜上に形成する工程と、
    前記半導体基板上に、前記ヒューズを覆うように第1の絶縁膜を形成する工程と、
    前記ヒューズの被切断領域における前記第1の絶縁膜に酸素イオンを注入する工程と
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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