JP3584928B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒューズを含む半導体装置に関する。
【0002】
【背景技術】
現在、半導体装置においては、製造工程で発生する欠陥によって不良となった回路を代替するために、代用回路があらかじめ組み込まれている。例えば、半導体記憶装置においては、製造工程で発生する不良の多くがメモリセル部で発生するため、一般に、ワード線またはビット線を単位とした冗長メモリセルが複数個設置される。この冗長メモリセルを制御する回路を冗長回路という。この冗長回路は、半導体装置を構成する1チップ内に不良素子が発生した場合、この不良素子に対応するアドレスを有するヒューズにレーザ光を照射して、このヒューズを溶断することで、不良素子を正常な素子に切り替える機能を有する。
【0003】
ヒューズを溶断するためには、パッシベーション層を開口しなければならない。その場合、水分やその他の汚染物質がパッシベーション層の開口部から層間絶縁層内に侵入し、ヒューズや回路配線を腐食したり、半導体素子の特性を変化させたりする危険性がある。とくに、近年、微細化・高集積化に伴い層間絶縁層に低誘電率膜が用いられることがある。このような膜は、透湿性、吸湿性が高く、前記のような不具合が発生しやすい。そこで、ヒューズについては、少々の腐食が起きても断線や短絡しないように、配線を太くし、また隣接する配線との間隔を広くする必要がある。さらに、こうしたパッシベーション層の開口部の周囲には、金属配線層を用いたガードリングを形成して、半導体素子や回路配線の形成されている領域への水分や汚染物質等の侵入を防止する必要がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体装置の微細化・高集積化とともにヒューズの数が増加し、こうしたヒューズ領域がチップ面積中にしめる割合が大きくなっている。このことは、チップ面積の縮小を妨げ、レイアウト設計の自由度を減らす要因となる。
【0005】
本発明の目的は、微細化・高集積化に適した信頼性の高いヒューズを備えた半導体装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体基板の上方に形成された第1層間絶縁層と、前記第1層間絶縁層の上方に形成された、レーザ光により溶断可能なヒューズを含む配線層と、前記ヒューズを構成する配線層の上方に形成された第1保護層と、前記第1保護層の上方に形成された第2層間絶縁層と、を備える。
【0007】
本発明によれば、ヒューズを構成する配線層上に、第1保護層を形成することにより、水分や不純物などの汚染物質がヒューズを構成する配線層に侵入することを防ぎ、腐食を防止できる。レーザーで溶断するヒューズを形成する場合、その上方にあるパッシベーション層は、開口部を有しており、ヒューズを溶断する際の衝撃により、ヒューズの上の層間絶縁層が破壊されることから、水分や不純物などの汚染物質は、主にヒューズの上方から侵入する場合が多い。すなわち、ヒューズの、とくに、上方に第1保護層を形成することで、汚染物質の侵入防止の効果を高めることができる。また、通常のプロセスによりヒューズの上に第1保護層を形成すると、同時にヒューズの側面も第1保護層に覆われるため、さらに、汚染物質の侵入防止の効果を高めることができる。
【0008】
本発明は、下記の態様をとることができる。
【0009】
(A)本発明の半導体装置は、さらに、前記第1層間絶縁層と前記ヒューズを含む配線層との間に形成された第2保護層を備えることができる。
【0010】
この態様によれば、ヒューズを構成する配線層の下方に第2保護層を形成することにより、この第2保護層より下方に形成されている配線層や半導体素子に、水分や不純物などの汚染物質が侵入することを防ぐことができる。そして、ガードリング等が必ずしも必要ではない。また、ヒューズが第1保護層および第2保護層に覆われることによりヒューズを保護する効果も高くなる。
【0011】
(B)本発明の半導体装置において、前記第1保護層または前記第2保護層は、前記第2層間絶縁層に比して水分または不純物の拡散速度が低い層であることができる。
【0012】
この態様によれば、水分または不純物の拡散を抑えることができ、ヒューズを保護する効果を高めることができる。
【0013】
(C)本発明の半導体装置において、前記第1保護層または前記第2保護層は、窒化シリコン膜であることができる。
【0014】
(D)本発明の半導体装置において、前記第2保護層は、ヒューズを溶断する際に破壊されない厚さを有することができる。
【0015】
(E)本発明の半導体装置は、さらに、多層配線構造を有する回路部を備え、前記ヒューズは、前記多層配線のうち1つの配線層と同一の層に形成されることができる。
【0016】
(F)前記ヒューズを回路部の配線層の1つと同じ層に形成する場合、前記ヒューズは、前記多層配線のうちの最上の配線層と同一層に形成されることができる。
【0017】
(G)このような半導体装置において、さらに、前記第2層間絶縁層の上方に形成されたパッシベーション層と、前記ヒューズが形成された領域上の前記パッシベーション層に形成された開口部と、を備え、前記開口部の鉛直下方であって前記ヒューズよりも下層に、前記回路部を構成する少なくとも1層の配線層が形成されることができる。
【0018】
この態様によれば、前記ヒューズの形成される領域の下層を回路部を構成する領域として用いることができる。このため、本発明による半導体装置は、微細化を図りやすく、またレイアウト設計の自由度を高めることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図1を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態にかかる半導体装置を模式的に示す断面図である。
【0020】
本実施の形態にかかる半導体装置は、図1に示すように、多層配線構造を有する回路部120と、レーザ光の照射により溶断されるヒューズ20を複数個含むヒューズ部110とを含む。
【0021】
回路部120およびヒューズ部110はともに、シリコン基板10上に形成されている。なお、基板はシリコン基板に限らず半導体領域を含む基板であれば良く、例えば、GaAs基板、SiGe基板、絶縁体上に薄膜のシリコン層を有するSOI基板などが挙げられる。
【0022】
シリコン基板10の上には、シリコン基板10側から順に第1層目〜第4層目の層間絶縁層32,34,36,38が形成されている。第3層目の層間絶縁層(第1層間絶縁層)36と第4層目の層間絶縁層(第2層間絶縁層)38との間には、第1保護層40および第2保護層42が形成されている。第1層目〜第4層目の層間絶縁層32,34,36,38は、酸化シリコン、FSG(フッ素ドープされた酸化シリコン;fluorine doped silicate glass)、またはこれらを積層したものから形成されるのが好ましい。なお、本実施の形態では、第1保護層40および第2保護層42が第3層目の層間絶縁層36と第4層目の層間絶縁層38との間に形成したが、これに限定されず、第1保護層40と第2保護層42との間に、ヒューズ20が位置するように形成されればよい。
【0023】
第1層目〜第4層目の層間絶縁層32,34,36,38にはそれぞれ、所定の位置にスルーホール(図示せず)が形成されている。このスルーホール内には導電性材料が埋め込まれてコンタクト部(図示せず)が形成されている。このコンタクト部によって、各層間絶縁層の上下に形成された配線層同士が電気的に接続されている。さらに、第4層目の層間絶縁層38の上には、たとえば窒化シリコン膜からなるパッシベーション層80が形成されている。
【0024】
まず、回路部120について説明する。回路部120は、トランジスタ等の素子を含む回路を含む。かかる回路としては、記憶回路、液晶駆動回路、またはキャパシタや抵抗素子が形成されたアナログ回路等が挙げられる。また、前記記憶回路としては、たとえば、DRAM、SRAM、フラッシュメモリ等が挙げられる。
【0025】
回路部120には、回路部120に含まれるメモリ等を構成するトランジスタや他の素子(図示せず)と電気的に接続する複数の配線層(図1では配線層60,70のみを示す)が形成されている。図1に示す半導体装置においては、配線層60は第2層目の層間絶縁層34上に形成されており、配線層70は第2保護層42の上に形成されている。
【0026】
次にヒューズ部110について説明する。ヒューズ部110は、図1に示すように、シリコン基板10上に形成された、開口部16を含む領域である。開口部16は、半導体装置の所定の領域を、層間絶縁層38の途中までエッチングすることにより形成される。ヒューズ20は、第2保護層42の上方に形成されている。そして、ヒューズ20の上方には第1保護層40が形成されている。すなわち、ヒューズ20は、第1保護層40と第2保護層42との間に位置する構造になっており、その底面は第2保護層42に覆われ、上面および側面は第1保護層40に覆われている。
【0027】
本実施の形態にかかる半導体装置によれば、ヒューズ20が構成される配線層の上には、第1保護層40が形成されている。そのため、水分や不純物などの汚染物質がヒューズ20を構成する配線層に侵入することを防ぎ、腐食を防止できる。
【0028】
また、レーザーで溶断するヒューズ20を形成する場合、その上方にあるパッシベーション層80は、開口部を有する。そして、ヒューズ20を溶断する際の衝撃により、ヒューズ20の上の層間絶縁層38が破壊される。そのため、水分や不純物などの汚染物質は、主にヒューズ20の上方から侵入する場合が多いが、本実施の形態によれば、ヒューズ20の上方に第1保護層40が形成されているため、汚染物質の侵入を防止することができる。また、第2保護層42が、ヒューズ20が構成されている配線層の下方に形成されていることにより、下方に形成されている配線層や半導体素子に、水分や不純物などの汚染物質が侵入することを防ぐことができる。
【0029】
第1保護層40および第2保護層42の材質としては、前記第4層目の層間絶縁層38に比して水分または不純物の拡散速度が低い層で形成されていることが好ましく、たとえば、窒化シリコン膜を用いることができる。第1保護層40は、ヒューズ20を溶断する際に破壊されない程度の膜厚を有しており、また、ヒューズ20を溶断後においても、保護層として水分や不純物などの汚染物質の侵入を防ぐために十分な膜厚を有している。第1保護層40の膜厚は、具体的には、100nm〜200nmである。第2保護層42の膜厚は、ヒューズ20の溶断が困難にならない程度の膜厚を有し、具体的には、20nm〜50nmである。
【0030】
第1保護層40の上方には、第4層目の層間絶縁層38が形成されている。第1保護層40および第2保護層42に覆われたヒューズ20は、第4層目の層間絶縁層38によって埋め込まれており、隣接するヒューズ20同士は第4層目の層間絶縁層38によって絶縁されている。
【0031】
図1に示す半導体装置においては、ヒューズ20は、回路部120に形成された配線層70と同じレベルの層に形成されている。配線層70およびヒューズ20は同一のパターニング工程により形成することができる。したがって、配線層70およびヒューズ20はともに第2保護層42上に形成され、ほぼ等しい膜厚を有し、かつ、同一の材料によって形成される。たとえば、配線層70およびヒューズ20はアルミニウム、銅、ポリシリコン、タングステン、またはチタンから形成することができる。
【0032】
本実施の形態では、ヒューズ20の下方に、回路部120を構成する配線層の一つが形成されている。このような場合、第1保護層40および第2保護層42があるため、水分や汚染物質などの侵入を防ぐことができる。
【0033】
また、図1に示す半導体装置においては、ヒューズ20の上面および底面にはそれぞれ、高融点金属の窒化物層(図示せず)が形成されている。同様に、回路部120を構成する配線層60、70の上面および底面にもそれぞれ高融点金属の窒化物層(図示せず)が形成されている。
【0034】
配線層60、70の上面および底面に形成される高融点金属の窒化物層は、配線層60、70の信頼性(ストレスマイグレーション耐性およびエレクトロマイグレーション耐性など)を向上させるために形成される。さらに、上面に形成された窒化物層は、配線層60、70を加工する際のフォトリソグラフィ工程において反射防止膜として使用される。
【0035】
次に、図1に示す本実施の形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。
【0036】
まず、シリコン基板10に素子分離領域12を形成した後、所定のパターンのレジスト(図示せず)を基板上に形成してから、イオン注入により所定の位置にウエル(図示せず)を形成する。続いて、シリコン基板10上の回路部120において、トランジスタ(図示せず)を形成した後、公知のサリサイド技術によって、チタンまたはコバルト等の高融点金属を含むシリサイド層(図示せず)を形成する。つづいて、窒化シリコン膜を主成分とするストッパ層(図示せず)をプラズマCVD法等により形成する。
【0037】
次いで、ヒューズ部110において配線層50およびヒューズ20を形成し、回路部120において配線層60,70を含む配線層(配線層60,70のみ図示する)をそれぞれ形成する。それぞれの工程に合わせて第1層目〜第3層目の層間絶縁層32、34、36、窒化シリコン膜からなる第2保護層42、第1保護層40、および第4層目の層間絶縁層38を形成する。第1層目〜第4層目の層間絶縁層32,34,36,38は、HDP法、オゾンTEOS(tetraethylorthosilicate)法、プラズマCVD法、またはスピンコート法などの塗布方法(SOGを利用した方法)等によって形成し、必要に応じてCMP法で平坦化する。第1保護層40は、プラズマCVD法、熱CVD法などにより形成され、窒化シリコン膜以外にオキシナイトライド膜または窒化シリコン膜を含む積層膜などを用いることができる。
【0038】
ヒューズ20は、配線層70と同一の工程にて同一レベルの層に形成する。すなわち、ヒューズ20および配線層70はともに、第2保護層42上に形成され、同一の材料にて形成される。
【0039】
以下、ヒューズ20の形成工程について説明する。
【0040】
まず、第1層目から第3層目の層間絶縁層32、34、36を形成した後、第3層目の層間絶縁層36上に、第2保護層42となる窒化シリコン膜の層を形成する。第2保護層42の上に窒化チタン等の高融点金属の窒化物層、アルミニウムからなる金属層、およびチタン等の高融点金属層と窒化チタン等の高融点金属の窒化物層との積層(いずれも図示せず)をスパッタリングにより形成し、ついで、これらの層を所定の形状にパターニングする。この工程により、アルミニウムからなる金属層からヒューズ20および配線層70が形成される。また、ヒューズ20および配線層70の底面には、高融点金属の窒化物層が形成され、上面には、高融点金属の窒化物層と高融点金属層との積層からなる高融点金属の窒化物層が形成される。次に、ヒューズ20および配線層70の上方に第1保護層40となる窒化シリコン膜の層が形成される。形成方法や材質については、第2保護層42と同様である。
【0041】
また、各層間絶縁層には、配線層同士を電気的に接続するためにコンタクト部(図示せず)を形成する。コンタクト部は、各層間絶縁層を貫通するコンタクトホール(図示せず)を設け、このコンタクトホールに、たとえばスパッタリング等により導電性材料を埋め込むことにより形成される。さらに、第4層目の層間絶縁層38を形成した後、第4層目の層間絶縁層38の上に、パッシベーション層80を形成する。パッシベーション層80は、窒化シリコン膜などで構成される。
【0042】
次に、半導体装置の所定の領域を、パッシベーション層80側から第4層目の層間絶縁層38の途中までエッチングすることにより、図1に示すように、開口部16を形成する。この工程において、ヒューズ20が開口部16の底部16aの下方にくるように、開口部16が形成される。また、図1に示すようにヒューズ20上部が第4層目の層間絶縁層38で覆われるように、第4層目の層間絶縁層38をエッチングする。すなわち、少なくともヒューズ20が露出しないように、第4層目の層間絶縁層38をエッチングする。
【0043】
以上説明したように、本発明の半導体装置によれば、ヒューズ20の外周が窒化シリコン膜などの耐湿性に優れた第1保護層40、42に覆われているため水分の侵入などによる配線の腐食を防ぐことができる。また、第4層間絶縁層38をSOG膜で構成した場合、SOG膜は吸湿性が強くヒューズの信頼性に問題を起こすことがあるが、そのような問題を防ぐことができる。
【0044】
ヒューズ部110の下方に、たとえば、配線層50のような回路部を構成する配線層を設ける場合においては、第1保護層40が水分や汚染物質の侵入を防ぎ、配線層の信頼性を高めることができる。
【0045】
なお、本発明は、本実施の形態に限定されない。たとえば、ヒューズの開口部16を取り囲むようにガードリングを設けることができる。また、回路部120を構成する配線層のうち、最上の配線層と同じレベルの層にヒューズ20が形成されているについて説明したが、ヒューズ20を形成する位置はこの層に限定されるわけではなく、他の配線層と同じレベルの層に形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の断面を模式的に示した図である。
【符号の説明】
10 半導体装置
12 素子分離領域
16 開口部
16a 開口部の底部
20 ヒューズ
32、34、36、38 層間絶縁層
40 第1保護層
42 第2保護層
50、60、70 配線層
80 パッシベーション層
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成された層間絶縁層と、
前記層間絶縁層の上方に形成された第1窒化シリコン膜と、
前記第1窒化シリコン膜の上方に形成されたヒューズと、
前記ヒューズの上方に形成された保護層と、
前記保護層の上方に形成された絶縁層と、を含む、半導体装置。 - 請求項1において、
前記保護層は、第2窒化シリコン膜である、半導体装置。 - 請求項1または2において、
前記第1窒化シリコン膜は、前記ヒューズが溶断される際に、破壊されない厚さを有する、半導体装置。 - 請求項1〜3のいずれかにおいて、
さらに、多層配線を有する回路部を備え、
前記ヒューズは、前記多層配線のうち1つの配線層と同一の層に形成されている、半導体装置。 - 請求項4において、
前記ヒューズは、前記多層配線のうちの最上の配線層と同一の層に形成されている、半導体装置。 - 請求項4または5において、
さらに、前記絶縁層の上方に形成されたパッシベーション層と、を含み、
前記パッシベーション層は、前記ヒューズ上方に形成された開口部を有し、
前記開口部の鉛直下方であって、前記ヒューズよりも下層に、前記回路部を構成する少なくとも1層の配線層が形成されている、半導体装置。
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