JP6620024B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、切断することにより回路構成の変更を可能とするヒューズ素子を有する半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体装置の製造において、前工程とも言われるウェハ製造工程が終了した後に、例えばレーザーを用いて、例えばポリシリコンや金属を用いたヒューズ素子を切断することで回路構成の変更を行なう工程があり、後工程の一部を占めている。本工程では、半導体装置の電気特性を測定した後に、抵抗の値を補正することで所望の特性を得ることができ、アナログ特性が重要視される半導体装置において特に有効な製造工程となっている。

この工程において、ヒューズ素子はレーザーにおいて安定的に切断ができること及び、耐腐食性が高いことが要求される。従来、半導体装置の上部には絶縁性の保護膜を形成しており、外部からの水分侵入等を防止する等の目的で例えばシリコン窒化膜が使用される。しかし、ヒューズ素子に関しては、後にレーザー照射により切断を行なうことを想定しているので、十分な厚さのシリコン窒化膜を配置することができない。これはシリコン窒化膜が機械的にも丈夫であり、レーザー照射により容易にはヒューズ素子と同時に破壊されないからである。そのため一般にはヒューズ素子上方の保護膜を除去するので、ヒューズ素子上では保護膜が開口された状態となる。さらに、保護膜の下の絶縁膜もヒューズ切断に適した所望の厚さとなるよう除去されるので、ヒューズ素子の上には配線を分離するための酸化膜を主とする絶縁膜が僅かに残っているだけである。ヒューズ素子は水分浸入による影響を受けやすい状態となり、耐腐食性を向上させることが必要となる。

特許文献１では、ヒューズ素子上に少なくとも側面、もしくは側面および側面よりも薄く上部にシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜などの耐湿性絶縁膜を形成し、耐腐食性を向上させる方法が提示されている。

しかし、上述の従来の技術においては、以下の課題が挙げられる。基本的に水分はヒューズ素子上の保護膜が除去されている部分から進入するのに対し、耐湿性絶縁膜はヒューズ素子上部に配置しないもしくは薄く形成する方法となっている。その為、上部の保護が不十分となる。さらに耐湿性絶縁膜として、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜を使用する為、照射されたレーザー光を吸収しヒューズ切断のための条件が厳しくなる。この方法では、耐湿性向上とレーザーによるヒューズ素子切断の安定性がトレードオフの関係にあり、両者を満たす条件を得るのが難しい。本技術は未切断のヒューズ素子を念頭に置いており、レーザーによる切断を行なったヒューズ素子に関しては、効果が少ない構成となるからである。切断されたヒューズ素子は断面にヒューズ素子が露出することになり、腐食が発生してしまう。切断面からヒューズ素子の腐食が発生し、ヒューズ素子が膨張することによって、ヒューズ素子上の絶縁膜に亀裂が入ることになる。さらに亀裂が水分の進入経路となり、腐食が半導体装置の内部へ進行するという問題が出てしまう。

特開２０１１−４９２５２号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、ヒューズ素子の上部には切断に適した厚さの絶縁膜があることで、均一な切断を可能とし、最上部には一様な厚さのシリコン窒化膜があることで、ヒューズ素子を切断した部分からの腐食の進行を抑制することを可能とするヒューズ素子を有する半導体装置を提供する。

課題を解決するために、本発明の半導体装置の表面は一様な厚さのシリコン窒化膜で覆われ、シリコン窒化膜とヒューズ素子との間には金属の格子からなるネットがありヒューズ素子の破壊を容易にする構造となっている。レーザー光を半導体装置の裏面から照射し、半導体装置の表面に設けられた酸化膜上に形成されたヒューズにおいてレーザー光を集光し、ヒューズを切断することが可能な半導体装置とした。

本発明によれば、ヒューズ素子のレーザーによる切断後に、切断面からヒューズ素子が露出しないので、ヒューズ素子が腐食される可能性は極めて小さくなる。新たな水分浸入の経路の発生を抑制し、半導体装置内部への水分侵入による腐食の進行が発生しにくいヒューズ素子を提供することが可能となる。

本発明の半導体装置の第一の実施形態を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）における切断面Ａ−Ａに沿った断面図である。 本発明の半導体装置の第二の実施形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第三の実施形態を示す平面図である。 本発明の半導体装置の第四の実施形態を示す平面図である。

以下、本発明の様々な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明における半導体装置の第一の実施形態を表す図である。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の切断面Ａ−Ａに沿った断面図である。
図１（ａ）に示すように、複数のヒューズ素子３がフィールド酸化膜２の上に並列に配置され、ヒューズ素子３の両端は端子３ａ、３ｂとなっている。この端子から各々のヒューズ素子は回路に接続される。回路は端子３ａと３ｂの間に電流が流れるか流れないかを判断する。ヒューズ素子３に流れる電流の向きに垂直な方向のヒューズ素子の寸法をヒューズ素子の幅と称する。図１（ａ）では端子３ａ、３ｂを結ぶ方向に垂直な方向がヒューズ素子の幅となる。本実施例ではヒューズ素子はポリシコンを例として説明する。ヒューズ素子の材料として金属を用いる場合もまったく同様に本発明を実施できることは言うまでも無い。

ヒューズ素子３の中心を含む領域はレーザーによる切断に適した膜厚とするために、開口領域９が配置されている。開口領域は層間膜に設けられた凹部であり、層間膜が除去され薄くなっている領域である。ヒューズ素子３の両端の端子を除く部分は開口領域９の底部の下に配置された形となる。開口領域９には半導体装置の表面を保護するための一様な厚さのシリコン窒化膜６が層間膜の表面に全面に渡って形成されている。ヒューズ素子３の周囲にはシリコン窒化膜６が開口されている領域はない。後で説明するように、ヒューズ素子３を切断するためのレーザー光は半導体装置の裏面から照射されるので、シリコン窒化膜６を開口領域全面に形成することができる。

開口領域９を覆うシリコン窒化膜６の下には金属からなる格子５が配置されている。格子５は、例えば、最下層の配線を構成する金属を用いて形成することが可能である。もちろん、他の層の配線を構成する金属を用いても良い。本実施例では格子は正方格子であり一辺の長さがＬの正方形の窓１０を有している。ここで、窓の一辺の長さＬはヒューズ素子３の切断に用いるレーザー光の波長より短くする。これは、裏面からヒューズ素子３に向けて照射されるレーザー光を閉じ込め、他の領域にレーザー光が侵入するのを防ぐためである。全面を覆わずに格子としたのは、レーザーにより切断されるヒューズ素子の部分が急激に膨張できる余地を残すためである。さらに、格子５はネットとして切断箇所の膨張、破裂を可塑変形することで受け止める。

さらに、図１（ｂ）に示すように、複数のヒューズ素子３が形成されたフィールド酸化膜２は半導体基板１の表面に設けられている。ヒューズ素子３は中間絶縁膜４により側面と上面とを覆われている。本図からわかるように、開口領域９は、層間膜７に設けられた凹部であり、層間膜７に設けられた側面９ａおよび層間膜７が除去され薄くなっている領域である底部９ｂを有している。半導体装置の表面に配置された、例えばシリコン酸化膜のような金属配線を絶縁分離するための層間膜７がほとんど除去された領域となっている。そして、シリコン窒化膜６は開口領域９の表面に全面に渡って形成されている。シリコン窒化膜６は厚い層間膜７の上においても開口領域９の側面および底部においても一様な厚さを有している。

格子５は、レーザー光を閉じ込めるだけではなく、層間膜７をエッチングにより除去して、所望の量を残すときのモニターとなっている。開口領域９をエッチングにより形成するときには、格子５を形成している金属をモニターすれば、格子５とその間を埋めている層間膜７ａを残すことができる。こうすることで、ヒューズ素子３の上に形成される層間膜の厚さを均一性に制御することができ、レーザーによる切断条件を均一に保つことが可能となる。この結果、格子の窓１０は層間膜７ａによりほぼ埋められている。格子５の上部表面５ａは層間膜７が除去されているので、開口領域９の底部９ｂに露出している。そのために格子の上面５ａは、シリコン窒化膜６と接している。

次にレーザー光によりヒューズ素子３を切断する方法について説明する。
ヒューズ素子３を切断するには、半導体装置が形成されている半導体基板の裏面からヒューズ素子３を切断するためのレーザー光１１を照射し、レーザー光１１を集光して、ヒューズ素子に集光点がくるようにレーザー光１１を制御する。レーザー光の周波数をνとすると、半導体基板のバンドギャップよりも光子のエネルギーｈνが小さいとその光は吸収されないので、レーザー光は半導体基板中を通過できる。しかし、レーザー光の強度が強いと光子のエネルギーはｈνの整数倍となり、半導体基板に吸収を生じさせることができる。これが集光の作用である。集光点でレーザー光の強度は強くなり、この場合はヒューズ素子３に吸収されることになる。レーザー光１１を吸収したヒューズ素子３の切断部分は発熱し、急速に膨張し、破裂する。これにより、ヒューズ素子３は切断される。

この場合、前述したように、格子５がネットとして変形し、ヒューズ素子の膨張、破壊による体積変化を吸収する。半導体基板がシリコンの場合、レーザー光の波長が１１００ｎｍ前後であれば５００μｍ程度の厚みのシリコン基板を通過できる。なお、半導体基板１とヒューズ素子３との間にはフィールド酸化膜２があるが、一般に酸化膜は赤外光から可視光に対し透明であり、レーザー光を僅かしか吸収しないので、問題とならない。
また、光子５は窓が正方形の正方格子としたが、窓の形は正方形に限られる物ではなく、縦横の長さがそれぞれレーザー光の波長と同じか短い矩形であってもよい。

以上の構成において、裏面からレーザー光を照射してヒューズ素子を切断することで、ヒューズ素子のレーザーによる切断後に、ヒューズ素子の露出部分が腐食される可能性は極めて小さくなる。新たな水分浸入の経路の発生を抑制し、半導体装置内部への水分侵入による腐食の進行が発生しにくいヒューズ素子を提供することが可能となる。

次に、本発明の半導体装置の第二の実施形態について、図面を参照して説明する。
図２は、本発明の第二の実施形態にかかる半導体装置の断面図である。図１（ｂ）の断面図と共通する部分は同じ符号で表してある。異なっているのは格子５の周囲を多孔質の絶縁膜８で覆っている点である。多孔質の絶縁膜８で格子５の周囲を覆うのは、ヒューズ素子３を切断するときに、レーザー光１１により、ヒューズ素子３の切断部分は周囲の中間絶縁膜４と共に発熱し、急速に膨張し、破裂するので、破裂を格子５および多孔質の絶縁膜８により吸収し、内部に閉じ込めるためである。こうすることでシリコン窒化膜６にまで、ヒューズ素子３の切断の影響が及ぶのを避けることが可能となる。

多孔質の絶縁膜８を格子５の周囲に堆積するには、ヒューズ素子３を含む領域に開口領域９をエッチングにより形成するときに、格子５を構成している金属をモニターし、適切なオーバーエッチを施すことで、格子５の周囲の層間膜７を除去し、その後、多孔質の絶縁膜８を堆積すればよい。多孔質の絶縁膜８は、たとえばｌｏｗ−ｋの材料であり、層間膜７あるいは他の配線金属との親和性は良いので、半導体装置の全面に堆積しても構わない。そして、水分の浸入を防ぐために、多孔質の絶縁膜８の上をシリコン窒化膜で覆う。

図３は、本発明に係る半導体装置の第三の実施形態の平面図を示すものである。本実施形態においては再び格子５を用いている。実施例１の格子と比べると、本実施例の格子５は窓１０が各々のヒューズ素子３の上に集中して配置されている点が異なっている。こうすることで隣り合う窓１０と窓１０との間の距離である窓間隔Ｍを相対的に小さくする。窓は矩形であり、一辺の長さＬはヒューズ素子３の切断に用いるレーザー光の波長より短くなっている。窓間隔Ｍの長さを、窓の一辺の長さＬの１/２から１/１０とすることで、窓間隔Ｍは相対的に小さくなり、ヒューズ素子を切断するときに、ヒューズ素子のレーザー照射部の膨張と破裂を制限あるいは抑制せずに、格子５は可塑変形することが可能となる。
窓間隔Ｍを保ったまま、窓１０を格子５の全面に配置することも可能である。可塑変形がさらに起こりやすくなる。

図４は、本発明に係る半導体装置の第四の実施形態の平面図を示すものである。本実施形態においては、格子は一体化されておらず、配列１５となっている。他の構成は実施例１と同様である。配列１５は格子と同じ材質により構成されている。配列１５は、独立した複数の遮光部１０Ａが平面的に配置されたものである。本実施例では遮光部１０Ａは一辺の長さがＰの矩形であり、隣り合う遮光部１０Ａと間隔Ｑを有して縦横に配列されている。間隔Ｑの大きさはヒューズ素子３の切断に用いるレーザー光の波長より短くなっている。従って、裏面から照射されたレーザー光は透過することができず、半導体装置の表面に存在する配線等に影響を及ぼすことは無い。

さらに、各遮光部１０Ａは、それぞれ独立しているので、ヒューズ素子を切断するときのヒューズ素子のレーザー照射部の膨張と破裂により、容易に可塑変形することが可能である。

なお、本実施例では同一形状の遮光部１０Ａを配置したが、スリット状の隙間を作らないためには、遮光部を三角形あるいは六角形としたり、異なる形状の遮光部を組み合わせて、平面的に繰り返し配置することが可能な形状としたりすることが可能であり、一層効果的である。
以上の手段により、ヒューズ素子３の開口領域９がシリコン窒化膜により全て覆われた半導体素子を提供することが可能となる。

１ 半導体基板
２ フィールド酸化膜
３ ヒューズ素子
３Ａ、３Ｂ ヒューズ素子の端子
４ 中間絶縁膜
５ 格子
５ａ 格子の上部表面
６ シリコン窒化膜
７、７ａ 層間絶縁膜
８ 多孔質の絶縁膜
９ 開口領域
１０ 格子の窓
１０Ａ 配列の遮光部
１１ レーザー光
１５ 配列

Claims (10)

1. レーザー光により切断されるヒューズ素子を備えた半導体装置であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に設けられたフィールド絶縁膜と、
   前記フィールド絶縁膜の上に設けられたヒューズ素子と、
   前記ヒューズ素子の側面と上面とを覆う中間絶縁膜と、
   前記中間絶縁膜の上に設けられた前記ヒューズ素子を覆う金属の格子と、
   前記格子の周囲に設けられた層間膜と、
   前記ヒューズ素子および前記格子の上方に位置する前記層間膜に設けられた側面および底部を有する開口領域と、
   前記開口領域の前記側面および底部とともに前記開口領域の周囲に存在する前記層間膜の表面を覆うシリコン窒化膜と、
   を有する半導体装置。
2. 前記シリコン窒化膜は、前記格子の上面と接していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記シリコン窒化膜と前記中間絶縁膜の間に、前記格子を取り囲んで設けられた多孔質の絶縁膜を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記シリコン窒化膜は前記層間膜の上、前記開口領域の前記側面および前記底部において一様な厚さを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記格子は矩形の窓を有しており、前記矩形の窓の縦の辺および横の辺の長さは、前記レーザー光の波長より短いことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記窓は前記ヒューズ素子の上に集中して配置されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
7. レーザー光により切断されるヒューズ素子を備えた半導体装置であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に設けられたフィールド絶縁膜と、
   前記フィールド絶縁膜の上に設けられたヒューズ素子と、
   前記ヒューズ素子の側面と上面とを覆う中間絶縁膜と、
   前記中間絶縁膜の上に設けられた、前記ヒューズ素子を覆う、互いに間隔を有して縦横に配置された金属の配列と、
   前記配列の周囲に設けられた層間膜と、
   前記ヒューズ素子および前記配列の上方に位置する前記層間膜に設けられた側面および底部を有する開口領域と、
   前記開口領域の前記側面および底部とともに前記開口領域の周囲に存在する前記層間膜の表面を覆うシリコン窒化膜と、
   を有する半導体装置。
8. 前記配列は独立した複数の遮光部が平面的に配置されたものであり、前記複数の遮光部は、各々前記レーザー光の波長より短い間隔をあけて、それぞれ配置されていることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
9. 前記複数の遮光部は、それぞれが平面的に繰り返し配置することが可能な形状であることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
10. 前記複数の遮光部は、定まった数の遮光部を組合わせることで平面的に繰り返し配置することが可能な形状を構成していることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。

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