JP2013140871A

JP2013140871A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2013140871A
Application number: JP2012000397A
Authority: JP
Inventors: Takanobu Murakami; 貴宣村上
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2013-07-18

Abstract

【課題】ヒューズ素子上のシリコン酸化膜について、その残膜厚の制御性を向上できるようにした半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１上に層間絶縁膜３を介してヒューズ素子１０を形成する工程と、ヒューズ素子１０を覆うように層間絶縁膜３上にシリコン酸化膜２０を形成する工程と、シリコン酸化膜２０上にシリコン窒化膜３０を形成する工程と、シリコン窒化膜３０のみを部分的にエッチングして除去することにより、ヒューズ素子１０の上方にシリコン酸化膜２０を底面とするレーザートリミング用の開口部３５を形成する工程と、を含む。開口部３５を形成するためのエッチング処理は、エッチングガス又はエッチング液がシリコン酸化膜２０の表面に到達した時点でその進行が抑制される。従って、シリコン酸化膜２０の初期膜厚が、ほぼそのまま、開口部３５底面のシリコン酸化膜２０の残膜厚となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、ヒューズ素子を有する半導体装置の製造方法に関する。

図８は、従来例に係るヒューズ素子１１０と、その周辺構造の一例を示す断面図である。図８に示すように、半導体基板１０１上には第１層間絶縁膜１０３が形成されており、この第１層間絶縁膜１０３上にメタルからなるヒューズ素子１１０が形成されている。また、ヒューズ素子１１０上には第２層間絶縁膜１２０が形成されており、第２層間絶縁膜１２０上には保護膜（パシベーション膜）１３０が形成されている。

ヒューズ素子１１０のヒューズカット領域（即ち、図８において、断面で示されている部位）の上方では、保護膜１３０は除去されており、さらに、第２層間絶縁膜１２０が薄膜化されている。即ち、ヒューズカット領域の上方には、保護膜１３０を貫通し、且つ、第２層間絶縁膜１２０が周囲と比べて薄いレーザートリミング用の開口部１３５が設けられている。

レーザートリミングを行う工程では、この開口部１３５を通して、第２層間絶縁膜１２０及びヒューズ素子１１０にレーザー光を照射する。そして、レーザー光の照射により生じる熱で、ヒューズ素子１１０を溶断（即ち、カット）する。
ここで、ヒューズカット領域の上方に位置する第２層間絶縁膜１２０が薄すぎると、ヒューズ素子１１０の温度がその融点まで上がりきらないうちに第２層間絶縁膜１２０がなくなる。この場合は、ヒューズ素子１１０を構成しているメタル成分は十分に噴出せず、ヒューズ素子１１０のカットが不十分となる可能性がある。

一方、ヒューズ素子１１０上の第２層間絶縁膜１２０が厚すぎると、ヒューズカット領域及びその周辺にレーザー光が過剰に照射されて、ヒューズカット領域の周辺がダメージを受けてしまう可能性がある。
このため、例えば特許文献１に開示されているように、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の厚さを制御する必要がある。

特開２００１−１３５７９２号公報

特許文献１では、ヒューズ素子上に最下層の層間絶縁膜を形成した後、ヒューズ素子上に新たな層間絶縁膜を形成するたびに、この新たな層間絶縁膜に開口部を形成するようにしている。これにより、保護膜のエッチング処理時に、ヒューズ素子上の層間絶縁膜のエッチング除去量が少なくなり、ヒューズ素子上の層間絶縁膜の残膜厚の制御性を向上させることができる、と記載されている。

しかしながら、特許文献１において、最下層の層間絶縁膜はＢＰＳＧ膜であり、新たな層間絶縁膜はＴＥＯＳ膜、又はシリコン酸化膜であることが記載されている。このため、ヒューズ素子上の最下層の層間絶縁膜は、新たな層間絶縁膜がエッチングで除去されるたびに少しずつ削られ、その厚さは成膜時よりも確実に薄くなると考えられる。また、ヒューズ素子上の最下層の層間絶縁膜は、単に薄くなるだけではない。この最下層の層間絶縁膜には、成膜時のばらつきに加えて、エッチングによるばらつきが累積的に加わると考えられる。このため、特許文献１においても、ヒューズ素子上の層間絶縁膜について、その残膜厚の制御性には改善の余地があった。

そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、ヒューズ素子上のシリコン酸化膜について、その残膜厚の制御性を向上できるようにした半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を介してヒューズ素子を形成する工程と、前記ヒューズ素子を覆うように前記絶縁膜上にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜のみを部分的にエッチングして除去することにより、前記ヒューズ素子の上方に前記シリコン酸化膜を底面とするレーザートリミング用の開口部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

ここで、「シリコン窒化膜のみを部分的にエッチングして除去する」とは、シリコン酸化膜のエッチング速度よりもシリコン窒化膜のエッチング速度の方が大きいエッチング条件で、シリコン窒化膜の一部をシリコン酸化膜の表面が露出するまでエッチングする、という意味である。換言すると、シリコン窒化膜の一部をエッチングして下地のシリコン酸化膜を露出させ、その際に下地のシリコン酸化膜はできるだけエッチングしないようにする、という意味である。

このような製造方法であれば、開口部を形成するためのエッチング処理は、エッチングガス又はエッチング液がシリコン酸化膜の表面に到達した時点でその進行が抑制される。従って、シリコン酸化膜の形成時の厚さ（即ち、初期膜厚）が、ほぼそのまま、開口部の底面に残存するシリコン酸化膜の厚さ（即ち、残膜厚）となる。このため、シリコン酸化膜の初期膜厚を制御することで、開口部底面のシリコン酸化膜の残膜厚を精度高く制御することができる。これにより、ヒューズ素子上のシリコン酸化膜について、その残膜厚の制御性を高めることができる。なお、本発明の「絶縁膜」としては、例えば、後述する層間絶縁膜３が該当する。「開口部」としては、例えば、後述する開口部３５が該当する。

また、上記の半導体装置の製造方法において、前記開口部を形成する工程では、前記シリコン酸化膜のエッチング速度が前記シリコン窒化膜のエッチング速度の１０分の１以下であるエッチング条件で、前記シリコン窒化膜をエッチングすることを特徴とする。このような製造方法であれば、シリコン酸化膜の被エッチング量を十分に小さくすることができ、シリコン酸化膜の残膜厚の制御性を十分に高めることができる。

また、上記の半導体装置の製造方法において、前記シリコン酸化膜の厚さに関して、前記レーザートリミングを行う際の最適な厚さを予め求めておき、前記シリコン酸化膜を形成する工程では、前記シリコン酸化膜を前記最適な厚さと同じ厚さに形成することを特徴とする。ここで、「最適な厚さ」とは、レーザー光の照射に伴うヒューズ素子周辺へのダメージを抑えつつ、ヒューズ素子を再現性高くカットすることが可能な厚さのことである。

このような製造方法であれば、開口部底面のシリコン酸化膜の残膜厚は、上記の「最適な厚さ」若しくはそれに近い値となる。従って、ヒューズ素子周囲へのダメージを抑えつつ、ヒューズ素子を再現性高くカットすることができる。レーザートリミング工程の品質の向上と、歩留まりの向上に寄与することができる。

本発明によれば、レーザートリミング用の開口部の底面（即ち、ヒューズ素子上）のシリコン酸化膜の膜厚を所望の値に近づけることが容易であり、その膜厚制御性を高める（即ち、向上させる）ことができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）。本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）。本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）。本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その４）。複数本のヒューズ素子１０に対して形成される開口部３５の一例を示す断面図。図４（ｂ）に対応する平面図。複数本のヒューズ素子１０に対して形成される開口部３５の他の例を示す断面図。従来例を示す図。

以下、本発明による実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図１（ａ）〜図４（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。ここでは、半導体基板上に層間絶縁膜を介してヒューズ素子を形成し、その後必要に応じて、ヒューズ素子にレーザー光を照射して溶断する（即ち、レーザートリミングを行う）場合について説明する。

図１（ａ）に示すように、まず始めに、半導体基板１上に層間絶縁膜３を形成する。半導体基板１は、例えば単結晶のシリコン基板、又は、絶縁層上にシリコン層が形成された構造のＳＯＩ（silicon on insulator）基板である。この半導体基板１には、例えば、ＭＯＳ（metal oxide semiconductor）電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスター、キャパシタ、抵抗又はコイル等の各種素子が形成されている。これら各種素子を層間絶縁膜３で覆う。また、層間絶縁膜３は例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）であり、その形成方法は例えばプラズマＣＶＤ（plasma enhanced chemical vapor deposition：ＰＥＣＶＤ）法である。ここでは、層間絶縁膜３を例えば３μｍ以上の厚さに形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、層間絶縁膜３上にメタル膜１０´を形成する。ここでは、メタル膜１０´として、上から順に窒化チタン膜（ＴｉＮ）１１を６０ｎｍ、チタン膜（Ｔｉ）１２を１１．５ｎｍ、アルミニウム膜（Ａｌ）１３を３６２ｎｍ、窒化チタン膜１４を３３ｎｍ、チタン膜１５を１１．５ｎｍを積層する。即ち、メタル膜１０´として、例えば、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ＝１１．５／３３／３６２／１１．５／６０ｎｍの積層構造を有する膜を形成する。メタル膜１０´の形成方法は、例えばスパッタ法である。

次に、図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術により、メタル膜１０´上にレジストパターン１６を形成する。ここでは、レジストパターン１６を、配線が形成される領域とヒューズ素子が形成される領域とを覆い、それ以外の領域を露出する形状に形成する。そして、このレジストパターン１６をマスクに用いて、メタル膜１０´をエッチングする。これにより、図２（ａ）に示すように、メタル膜１０´からなるヒューズ素子１０と、メタル膜１０´からなる配線５０とを形成する。ヒューズ素子１０と配線５０とを形成した後で、レジストパターン１６を例えばアッシングして除去する。図２（ｂ）に示すように、レジストパターンを除去した後は、ヒューズ素子１０と配線５０とがそれぞれ露出した状態となる。

次に、図２（ｃ）に示すように、ヒューズ素子１０及び配線５０を覆うように層間絶縁膜３上にシリコン酸化膜２０を形成する。このシリコン酸化膜２０は、例えば、半導体基板１上に形成される複数の層間絶縁膜のうちの最上層の層間絶縁膜である。このシリコン酸化膜２０の形成方法は、例えばプラズマＣＶＤ法である。ここでは、シリコン酸化膜２０を例えば２００〜６００ｎｍの厚さに形成する。

次に、図３（ａ）に示すように、シリコン酸化膜２０上にシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）３０を形成する。シリコン窒化膜３０は例えば保護膜（即ち、パシベーション膜）であり、その形成方法は例えばプラズマＣＶＤである。ここでは、シリコン窒化膜３０を例えば６００〜１０００ｎｍの厚さに形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術により、シリコン窒化膜３０上にレジストパターン３１を形成する。このレジストパターン３１は、ヒューズ素子１０のうちの、レーザートリミングでカットされることが予定されている領域（即ち、ヒューズカット領域）の上方を露出し、それ以外の領域を覆う形状に形成する。

ここでは、例えば、ヒューズ素子１０のヒューズカット領域の幅をＬ１とし、レジストパターン３１の開口部３２の幅Ｌ２としたとき、幅Ｌ２を幅Ｌ１よりも大きくする（即ち、Ｌ２＞Ｌ１）にする。
次に、レジストパターン３１をマスクに用いてシリコン窒化膜３０をエッチングする。これにより、図３（ｃ）に示すように、ヒューズ素子１０のヒューズカット領域の上方からシリコン窒化膜３０を除去して、シリコン酸化膜２０を底面とする開口部３５を形成する。この開口部３５は、レーザートリミング用の開口部である。上述したように、レジストパターン３１の開口部３２は、ヒューズ素子１０のヒューズカット領域よりも幅広に形成されている（Ｌ２＞Ｌ１）。このため、開口部３５も、ヒューズカット領域よりも幅広に形成される。即ち、開口部３５の幅をＬ２´としたとき、Ｌ２≒Ｌ２´であり、Ｌ２´＞Ｌ１となる。

このような開口部３５を形成するためのエッチング処理は、ドライエッチングで行ってもよいし、ウェットエッチングで行ってもよいが、その処理条件としては、シリコン酸化膜２０のエッチング速度（即ち、エッチングレート）が、シリコン窒化膜３０のエッチング速度よりも十分に小さい条件を用いる。
このような処理条件について一例を挙げる。シリコン窒化膜３０のエッチング処理がドライエッチングの場合は、ガス種がテトラフルオロメタン（ＣＦ₄）と酸素（Ｏ₂）であり、ガスの混合比がＣＦ₄：Ｏ₂＝９：１である処理条件を用いる。また、シリコン窒化膜３０のエッチング処理がウェットエッチングの場合は、エッチング液に熱リン酸溶液（Ｈ₃ＰＯ₄：ＨＮＯ₃、１５０〜１６０℃）を用いる。このような処理条件により、下地のシリコン酸化膜２０をほとんどエッチングすることなく、ヒューズカット領域上方のシリコン窒化膜３０を取り除いて、開口部３５を形成することができる。

なお、上記の処理条件は、シリコン酸化膜２０のエッチング速度がシリコン窒化膜３０のエッチング速度の１０分の１以下の条件であることが好ましい。これにより、シリコン酸化膜２０の被エッチング量を十分に小さくすることができ、シリコン酸化膜２０の残膜厚の制御性を十分に高めることができる。
図３（ｃ）に示したように、開口部３５を形成した後で、レジストパターン３１を例えばアッシングして除去する。図４（ａ）に示すように、レジストパターンを除去した後は、シリコン窒化膜３０の表面が露出した状態となる。

次に、図４（ｂ）に示すように、必要に応じて、レーザートリミングを行う。例えば図５に示すように、層間絶縁膜３上には複数本のヒューズ素子１０が形成されている。これら複数本のヒューズ素子１０の各々の上方には、シリコン酸化膜２０を底面とする開口部３５がそれぞれ形成されている。レーザートリミングを行う工程では、これら複数本のヒューズ素子１０のうちの少なくとも一部に対して、レーザートリミングを行う。

例えば、半導体装置がアナログ回路を含み、そのアナログ特性（抵抗値、容量値など）の微調整が必要な場合は、複数本のヒューズ素子１０のうちの少なくとも一部にレーザー光を照射して、そのヒューズカット領域をカットする。これにより、アナログ特性を狙い値に近づけることができる。また、半導体装置がＤＲＡＭ、フラッシュメモリ等の記憶装置を含み、不良メモリセルを救済することが必要な場合は、複数本のヒューズ素子１０のうちの少なくとも一部にレーザー光を照射して、そのヒューズカット領域をカットする。これにより、不良メモリセルを予備の冗長セルに置き換えることができ、記憶容量を回復することができる。

図６は、図４（ｂ）に対応する平面図である。図６に示すように、この実施形態では、レーザー光の照射領域の径（即ち、ビーム径）Ｌ３よりも、開口部３５の幅Ｌ２´の方が大きいことが好ましい（即ち、Ｌ３＜Ｌ２´）。これにより、開口部３５の底面にのみ、レーザー光を照射することができる。開口部３５の周辺にレーザー光が照射されて、周辺がダメージを受けてしまうことを防ぐことができる。

また、この実施形態では、レーザー光のビーム径Ｌ３は、ヒューズ素子１０のヒューズカット領域の幅Ｌ１よりも大きいことが好ましい。これにより、複数本のヒューズ素子１０の各々に対して、レーザー光をスポット照射する（即ち、レーザー光を走査せずに、位置を固定して照射する）ことにより、それらを切断することができる。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、シリコン酸化膜よりもシリコン窒化膜の方がエッチングされ易い条件（即ち、選択性のある条件）で、シリコン窒化膜３０の一部をエッチングして、シリコン酸化膜２０を底面とする開口部３５を形成する。このエッチング処理は、エッチングガス又はエッチング液がシリコン酸化膜２０の表面に到達した時点でその進行が抑制される。従って、シリコン酸化膜２０の形成時の厚さ（即ち、初期膜厚）が、ほぼそのまま、開口部３５の底面に残存するシリコン酸化膜２０の厚さ（即ち、残膜厚）となる。

このため、シリコン酸化膜２０の初期膜厚を制御することで、開口部３５底面のシリコン酸化膜２０の残膜厚を精度高く制御することができる。これにより、ヒューズ素子１０上のシリコン酸化膜２０について、その残膜厚の制御性を高めることができる。
例えば、シリコン酸化膜２０の厚さに関して、レーザートリミングを行う際の「最適な値」を実験又はシミュレーション等により予め求めておく。そして、シリコン酸化膜２０を形成する工程では、シリコン酸化膜２０の初期膜厚を上記の「最適な厚さ」と同じ大きさにする。これにより、レーザートリミングを行う際に、開口部３５底面のシリコン酸化膜２０の残膜厚は、上記の「最適な厚さ」若しくはそれに近い値となる。従って、周囲へのダメージを抑えつつ、ヒューズ素子１０を再現性高くカットすることができる。レーザートリミング工程の品質の向上と、歩留まりの向上に寄与することができる。

なお、上記の実施形態では、図５に示したように、複数本のヒューズ素子１０の各々の上方に、開口部３５をそれぞれ設ける場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図７に示すように、複数のヒューズ素子１０の上方に、一つの大きな開口部３５を設けてもよい。即ち、複数のヒューズ素子１０の上方を一括して開口するように、開口部３５を設けてもよい。このような場合であっても、上記の実施形態と同様の効果を奏する。

１半導体基板
３層間絶縁膜
１０ヒューズ素子
１０´ メタル膜
１１、１４窒化チタン膜
１２、１５チタン膜
１３アルミニウム膜
１６、３１レジストパターン
２０シリコン酸化膜
３０シリコン窒化膜
３２（レジストパターンの）開口部
３５（シリコン窒化膜の）開口部
５０配線

Claims

半導体基板上に絶縁膜を介してヒューズ素子を形成する工程と、
前記ヒューズ素子を覆うように前記絶縁膜上にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記シリコン窒化膜のみを部分的にエッチングして除去することにより、前記ヒューズ素子の上方に前記シリコン酸化膜を底面とするレーザートリミング用の開口部を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記開口部を形成する工程では、
前記シリコン酸化膜のエッチング速度が前記シリコン窒化膜のエッチング速度の１０分の１以下であるエッチング条件で、前記シリコン窒化膜をエッチングすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン酸化膜の厚さに関して、前記レーザートリミングを行う際の最適な厚さを予め求めておき、
前記シリコン酸化膜を形成する工程では、
前記シリコン酸化膜を前記最適な厚さと同じ厚さに形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。