半導体装置
【課題】銅ヒューズに起因する故障または特性悪化を抑制または防止できる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体基板１と、銅ヒューズ４と、半導体基板１と銅ヒューズ４との間に配置された銅膜からなるシール膜７，８と、銅ヒューズ４よりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなり、銅ヒューズ４の両端にそれぞれに接続された最上層配線５０１，５０２と、シール膜７，８に結合され、銅ヒューズ４の周囲を取り囲む筒状に形成された銅シールリング６とを含む。
【解決手段】半導体装置は、半導体基板１と、銅ヒューズ４と、半導体基板１と銅ヒューズ４との間に配置された銅膜からなるシール膜７，８と、銅ヒューズ４よりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなり、銅ヒューズ４の両端にそれぞれに接続された最上層配線５０１，５０２と、シール膜７，８に結合され、銅ヒューズ４の周囲を取り囲む筒状に形成された銅シールリング６とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、多層配線構造内にヒューズが形成された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体メモリ等の半導体装置は、金属配線層にヒューズを備える場合がある。ヒューズは、レーザ光の照射や閾値以上の電流の通電によって切断できるように構成されている。ヒューズの切断／非切断を選択することによって、半導体装置に組み込まれた電子回路の特性を調整（トリミング）したり、半導体装置内の不良箇所を切り離したりすることができる。ヒューズは、金属配線層に設けられ、金属配線と同じ材料で構成されるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許３９７４０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
配線の材料には、Ａｌ（アルミニウム）が広く用いられてきたが、最近では、とくに大電力を消費するパワー半導体装置において、配線抵抗の低減が望まれている。そこで、配線材料としてＡｌよりも導電性の高いＣｕ（銅）を用いた半導体装置の構造が提案されている。この場合、一般的な先行技術に倣ってヒューズを形成するとすれば、銅配線層に銅からなるヒューズが形成されることになる。
【０００５】
しかし、レーザ光等でヒューズを切断すると、ヒューズを構成する銅の砕片が配線構造内に飛び散る。銅は、層間絶縁膜の典型的な材料である酸化シリコン中に容易に拡散するから、半導体基板に形成された素子領域に達し、素子動作に悪影響を与えるおそれがある。また、ヒューズが銅で構成されている場合、ヒューズは、切断によって露出した表面から容易に腐食する。この腐食は、ヒューズに接続された電流経路を通って、半導体基板の近傍にまで至るおそれがある。
【０００６】
これらの課題に対処するために、本願発明者は、銅ヒューズを取り囲むように筒状のシールリングを多層配線構造中に形成する構造を検討した。この構造では、複数層の銅配線層およびそれらの間のプラグ層（ビア層）によって、銅ヒューズを取り囲む筒状シールリングが構成される。これにより、銅砕片をシールリングで食い止めて、銅の拡散を抑制することができる。さらに、銅ヒューズを銅配線層のうちの最上層に形成することにより、シリコン基板から銅ヒューズまでの距離を遠くすることで、基板表面付近に形成された素子に到達することを抑制できる。さらにまた、銅ヒューズから基板表面付近の配線層までの配線長を長くできるので、銅ヒューズを起点とする腐食が基板表面付近の配線層に到達しにくくすることができる。
【０００７】
しかしながら、銅は多層配線構造を形成する絶縁層内を容易に拡散するので、上記のような構造をとっても、銅砕片からの銅原子は、多層配線構造の積層方向へと拡散して基板表面に至る。また、銅ヒューズの切断面を起点とする腐食は、基板表面付近の配線層に容易に到達してしまう。
そこで、この発明は、銅ヒューズに起因する故障または特性悪化を抑制または防止できる半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の半導体装置は、半導体基板と、銅ヒューズと、前記半導体基板と銅ヒューズとの間に配置された銅膜からなるシール膜と、前記銅ヒューズよりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなり、前記銅ヒューズの第１の部分および第２の部分にそれぞれに接続された第１接続部および第２接続部を有する配線膜と、前記シール膜に結合され、前記銅ヒューズの周囲を取り囲む筒状に形成された銅シールリングとを含む、半導体装置である（請求項１）。
【０００９】
この構成によれば、半導体基板と銅ヒューズとの間にシール膜が形成されており、さらに、シール膜に結合された筒状の銅シールリングによって銅ヒューズの周囲が取り囲まれている。つまり、銅ヒューズは、下方（半導体基板側）および側方から取り囲まれている。そのため、銅ヒューズが切断されたときに銅砕片が飛び散っても、銅原子の拡散をシール膜または銅シールリングで停止させることができる。これにより、銅原子の横方向および下方向の拡散をいずれも阻止できるので、銅原子が基板表面付近に到達することを抑制または防止できるから、半導体基板に形成された機能素子が故障したりその動作特性が悪化したりすることを抑制または防止できる。
【００１０】
銅ヒューズと半導体装置内の回路との接続は、銅ヒューズよりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなる配線膜を介して行える。つまり、配線膜の第１および第２接続部が、銅ヒューズの第１および第２の部分にそれぞれ接続されている。銅ヒューズを切断しなければ、第１および第２接続部間が電気的に接続された状態となり、銅ヒューズを切断すれば、第１および第２接続部間の電気的接続が遮断される。銅ヒューズは、それよりも上の配線層を介して半導体装置内の回路に接続できるので、銅ヒューズと半導体基板との間に、銅ヒューズを回路に接続するための配線部を形成する必要がない。そのため、銅ヒューズの直下（半導体基板との間）をシール膜で覆うことができ、かつ、シール膜と銅シールリングとを切れ目なく結合することができる。これにより、基板表面に向かう銅原子拡散の抑制または防止と、銅ヒューズの内部回路への接続とを両立できる。銅ヒューズよりも下層の配線層だけで内部回路への接続を達成しようとすると、銅ヒューズの下方および側方を完全に覆うことができないから、基板表面に向かう銅原子拡散を回避できない。
【００１１】
さらに、この発明では、銅ヒューズが接続される配線層は、銅以外の金属材料膜からなっている。そのため、銅ヒューズ切断面からの腐食の進行は、当該配線層で停止する。これにより、腐食が基板表面近傍に達することがないので、基板に形成された機能素子の故障または動作特性悪化を抑制または防止できる。
銅配線を用いる多層配線構造では、たとえば、基板表面に最も近い配線層がポリシリコン層で形成され、それよりも上層の配線層は銅配線層で形成される。この場合、いわゆるデュアルダマシン構造によって、隣接する銅配線層間の相互接続が達成される。つまり、銅配線層は、その直下の配線層に接続する銅プラグ部（ビア）を有している。そのため、銅ヒューズを、それよりも下方の配線層を介して内部回路に接続する構造をとると、銅ヒューズ切断面からの腐食は、最下層のポリシリコン層に至ってようやく停止する。そのため、半導体基板に形成された機能素子の故障または動作特性悪化を容易に招いてしまう。この問題は、銅配線層の層数を多くして銅ヒューズ切断面からの腐食経路を長くすることによって緩和されるかもしれないが、多数の銅配線層を積み上げる製造工程が必要になるから、大幅なコスト増加が避けられない。この発明の構造では、このような問題をいずれも回避できる。
【００１２】
また、たとえば、銅ヒューズをレーザ光で切断するときに、レーザ光をシール膜で反射させて銅ヒューズに向かわせることができる。これにより、レーザ光のエネルギーを効率的に利用して銅ヒューズを切断できる。そのため、銅ヒューズの切断（溶断）のためのレーザエネルギーが少なくてよいので、低出力、短時間のレーザ出力で銅ヒューズを切断できる。銅ヒューズを下方から覆うシール膜は銅ヒューズよりも大面積に形成されるので、レーザ光を照射しても容易には昇温しない。したがって、シール膜を破壊することなく、銅ヒューズを切断できる。
【００１３】
なお、複数枚のシール膜が、銅ヒューズと半導体基板との間に、半導体基板表面の法線方向に沿って間隔を開けて配置されていてもよい。この複数枚のシール膜は、少なくとも一つ（好ましくは全部）が、銅シールリングに結合されていることが好ましい。
請求項２記載の発明は、前記配線膜と同じ層（レイヤ）に当該配線膜と同材料で形成された外部接続層をさらに含む、請求項１記載の半導体装置である。
【００１４】
この構成によれば、外部接続層と同じ配線層を用いて、銅ヒューズを内部回路に接続するための経路を形成できる。したがって、少ない製造工程数で銅ヒューズを含む半導体装置を作製できる。
請求項３記載の発明は、複数の銅配線層を備えており、前記銅ヒューズは、前記複数の銅配線層のうち最上層の銅配線層と同じ層（レイヤ）に形成されている、請求項１または２記載の半導体装置である。銅ヒューズは、当該最上層の銅配線層と同じ材料で形成されていることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、複数の銅配線層のうちの最上層に銅ヒューズが形成されるので、たとえば、レーザ光によって銅ヒューズを切断するときのエネルギーが少なくてよい。しかも、半導体基板から銅ヒューズまでの距離を大きくできるから、半導体基板に形成された素子への影響を一層抑制できる。
前述の構造の半導体装置を製造するための方法は、たとえば、第１層間絶縁膜上に銅シール膜を形成する工程と、前記銅シール膜を覆う第２層間絶縁膜を形成する工程と、この第２層間絶縁膜上に銅ヒューズを形成する工程と、前記第２層間絶縁膜を貫通して前記シールリングに結合され、前記銅ヒューズを取り囲む筒状の銅シールリングを形成する工程と、前記銅ヒューズを覆う第３層間絶縁膜を形成する工程と、前記第３層間絶縁膜に形成された第１および第２コンタクト孔を介して前記銅ヒューズの第１の部分および第２の部分にそれぞれ電気的に接続された第１接続部および第２接続部を有し、銅以外の金属材料膜からなる配線膜を形成する工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、この発明の第１の実施形態に係る半導体装置の部分断面図である。
【図２】図２は、図１に示された構成の部分平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１に示された半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ｂの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ｃの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図３Ｄの次の工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の部分断面図であり、図２は、図１に示された構成の部分平面図である。この半導体装置は、半導体基板１と、半導体基板１の表面上に形成された多層配線構造２と、多層配線構造２を覆うパッシベーション膜（表面保護膜）３とを有している。半導体基板１は、シリコン基板であってもよく、その表層部には、図示は省略するが、トランジスタ等の能動素子に代表される機能素子（半導体素子）が形成されている。多層配線構造２は、層間絶縁膜１１〜２３、エッチングストップ層３１〜４２、銅配線層５１〜５６、ヒューズ膜４（銅ヒューズ）、最上層配線５（配線膜、外部接続層）等を含む。パッシベーション膜３は、たとえば窒化膜（窒化シリコン膜）からなっていてもよく、最上層配線５の表面を覆っている。図２では、パッシベーション膜３の図示を省略してある。
【００１８】
多層配線構造２は、この実施形態では、平面視においてヒューズ膜４を取り囲む筒状（たとえば四角筒状）に形成された銅シールリング６と、銅シールリング６の底部および高さ方向途中部にそれぞれ配置された平板状のシール膜７，８（銅シール膜）とを含む。
多層配線構造２においては、層間絶縁膜１１、エッチングストップ層３１、層間絶縁膜１２、エッチングストップ層３２、層間絶縁膜１３、エッチングストップ層３３、層間絶縁膜１４、エッチングストップ層３４、層間絶縁膜１５、エッチングストップ層３５、層間絶縁膜１６、エッチングストップ層３６、層間絶縁膜１７、エッチングストップ層３７、層間絶縁膜１８、エッチングストップ層３８、層間絶縁膜１９、エッチングストップ層３９、層間絶縁膜２０、エッチングストップ層４０、層間絶縁膜２１、エッチングストップ層４１、層間絶縁膜２２、エッチングストップ層４２、および層間絶縁膜２３が、半導体基板１の表面からこの順に積層されている。層間絶縁膜１１〜２３は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。また、エッチングストップ層３１，３３，３５，３７，３９，４１は、たとえば、ＳｉＣＮからなる。エッチングストップ層３２，３４，３６，３８，４０，４２は、たとえば、ＳｉＣとＳｉＣＮとの積層膜からなる。
【００１９】
銅配線層５１（５１ｓ，５１ｉ，５１ｅ）は層間絶縁膜１２に形成されており、銅配線層５２（５２ｓ，５２ｉ，５２ｅ）は層間絶縁膜１４に形成されており、銅配線層５３（５３ｓ，５３ｉ，５３ｅ）は層間絶縁膜１６に形成されており、銅配線層５４（５４ｓ，５４ｉ，５４ｅ）は層間絶縁膜１８に形成されており、銅配線層５５（５５ｓ，５５ｉ，５５ｅ）は層間絶縁膜２０に形成されており、銅配線層５６（５６ｓ，５６ｉ，５６ｅ）は層間絶縁膜２２に形成されている。銅配線層５１〜５６は、銅を主成分とする導電性材料からなる配線（銅配線）である。これらの銅配線層５１〜５６は、層間絶縁膜１２，１４，１６，１８，２０，２２にそれぞれ形成された配線溝に埋め込まれている。より具体的には、銅配線層５１は、ダマシンプロセスによって層間絶縁膜１２に形成された配線溝に埋め込まれている。また、銅配線層５２〜５６は、デュアルダマシンプロセスによって、層間絶縁膜１４，１６，１８，２０，２２にそれぞれ形成された配線溝に埋め込まれ、かつ、層間絶縁膜１３，１５，１７，１９，２１にそれぞれ形成されたビア（孔）に埋め込まれている。これにより、銅配線層５２〜５６は、各直下の銅配線層５１〜５５に電気的に接続されている。
【００２０】
配線溝およびビアの内壁面には、銅の拡散を防ぐためのバリアメタル層５８が形成されている。このバリアメタル層５８およびエッチングストップ層３２，３４，３６，３８，４０，４２に囲まれた領域に、銅を主成分とする銅配線層５１〜５６が配置されている。エッチングストップ層３１，３３，３５，３７，３９，４１は、配線溝を形成するために層間絶縁膜１２，１４，１６，１８に対して行うエッチングを停止させるための層である。また、エッチングストップ層３２，３４，３６，３７，３８，４０は、ビアを形成するために層間絶縁膜１３，１５，１７，１９，２１に対して行うエッチングを停止させるための層である。バリアメタル層５８は、たとえば、Ｔａ層とＴａＮ層との積層膜からなり、Ｔａ層が銅配線層に接している。
【００２１】
ヒューズ膜４は、この実施形態では、平面視において直線状（帯状）に形成されている。このヒューズ膜４は、最上層配線５０１，５０２（５）の間を電気的に接続している。具体的には、ヒューズ膜４の一端（第１の部分）に最上層配線５０１（第１接続部）が接続されており、ヒューズ膜４の他端（第２の部分）に最上層配線５０２（第２接続部）が接続されている。
【００２２】
ヒューズ膜４の両端は、最上層配線５（上配線層）をその下の銅配線層５６（下配線層）に接続するためのプラグ９を介して最上層配線５０１，５０２（５）にそれぞれ電気的に接続されている。プラグ９は、最上層の層間絶縁膜２３に形成された開口に埋め込まれた金属からなる。より具体的には、層間絶縁膜２３には、プラグ９に対応した開口（貫通孔）が形成されている。この開口の内面（底面および側壁面）は、バリアメタル層２４によって覆われている。そして、バリアメタル層２４によって囲まれた開口内にプラグ９が埋め込まれている。プラグ９は、たとえば、銅以外の金属材料を主成分とする導電性材料、たとえばＷ（タングステン）からなる。バリアメタル層２４は、プラグ９の材料およびヒューズ膜４の材料に対する拡散を防止する性質の導電層であり、たとえば、ヒューズ膜４側から順に、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、およびＴｉＮを積層した積層膜からなる。
【００２３】
ヒューズ膜４は、銅配線層５１〜５６のうちの最も上層に形成された銅配線層５６の一部によって形成されている。より具体的には、銅配線層５６に対応した層間絶縁膜２２には、ヒューズ膜４の形状に対応した溝が形成されている。この溝の内壁面（底面および側壁）は、バリアメタル層５８によって覆われており、このバリアメタル層５８によって囲まれた溝内に銅配線層５６を構成する金属材料（銅を主成分とする金属材料）が埋め込まれ、ヒューズ膜４を構成している。ヒューズ膜４に接しているバリアメタル層５８も最上層配線５０１，５０２間の電気的接続に寄与しているので、このバリアメタル層５８もヒューズ膜の一部と見なすこともできる。
【００２４】
最上層配線５は、たとえば、本体部５ａと、本体部５ａの下側に積層されたバリア層５ｂと、本体部５ａの上側に積層された表面金属膜５ｃとを含む配線膜である。本体部５ａは、銅以外の金属（たとえばアルミニウム）を主成分とする導電性材料、たとえばＡｌＣｕからなり、バリア層５ｂはたとえば下側から順に積層したＴｉおよびＴｉＮの積層膜からなり、表面金属膜５ｃはたとえばＴｉＮからなる。
【００２５】
銅シールリング６は、図２に示すとおり、平面視においてヒューズ膜４を取り囲む筒状（この実施形態では四角筒状）に形成されており、銅配線層５１〜５６によって構成されている。以下、銅シールリング６を構成する銅配線層５１〜５６を銅配線層５１ｓ〜５６ｓなどということにする。
銅シールリング６を構成する銅配線層のうち、銅配線層５２ｓ，５３ｓ，５５ｓ，５６ｓは、それぞれ環状（この実施形態では四角環状）に形成されており、平面視において互いに重なり合っている。また、銅シールリング６を構成する銅配線層のうち、最下層の銅配線層５１ｓと、この最下層銅配線５１ｓから間隔を開けて（この実施形態では銅配線層２層分の間隔）を挟んで上方に位置する銅配線層５４ｓとは、平面視において、銅シールリング６の筒形状に対応する輪郭を有する中実形状（この実施形態では四角形状）に形成されている。これらの銅配線層５１ｓ，５４ｓの周縁の環状部分（この実施形態では四角環状部分）は、銅シールリング６の一部を構成している。そして、それらの銅配線層５１ｓ，５４ｓにおいて、前記環状部分の内方に連続している中央部は、ヒューズ膜４と半導体基板１との間に介在するシール膜７，８を構成している。すなわち、この実施形態では、銅シールリング６とシール膜７，８とが一体化されており、これらは隙間なく結合している。
【００２６】
上側のシール膜８は、ヒューズ膜４の下方に位置し、ヒューズ膜４から間隔（銅配線層５５の配線層分の間隔）を開けて配置されている。そして、シール膜７，８は、平面視において、ヒューズ膜４がそれらの外縁の内方に収まるように形成されている。
銅シールリング６を構成する銅配線層５２ｓ〜５６ｓの下部には、銅シールリング６の平面形状に対応する環状に形成された環状ビア６２〜６６が形成されている。銅配線層５２ｓ〜５６ｓは、それらの直下の環状ビア６２〜６６を埋め込むように形成されている。したがって、銅シールリング６の内側には、銅配線層５１ｓ〜５４ｓによって囲まれた密閉空間と、銅配線層５４ｓ〜５６ｓによって囲まれた半密閉空間とが形成されている。この半密閉空間内（この実施形態では当該空間の上端位置）に、ヒューズ膜４が配置されている。
【００２７】
一方、ヒューズ膜４の一端に電気的に接続された最上層配線５０２は、平面視において銅シールリング６の外方へと延びている。そして、銅シールリング６外において内部接続回路７１を構成する銅配線層５１〜５６（以下、銅配線層５１ｉ〜５６ｉなどという。）を介して、半導体基板１に形成された素子（たとえばトランジスタ素子）２５に電気的に接続されている。より詳細には、最上層配線５０２は、銅シールリング６外に形成されたプラグ９を介して銅配線層５６ｉに接続されている。この銅配線層５６ｉは、その下層の銅配線層５５ｉに接続され、さらに、その銅配線層５５ｉがその下層の銅配線層５４ｉに接続されている。同様の構造により、銅配線層５６ｉは、最下層の銅配線層５１ｉまで接続されている。そして、この銅配線層５１ｉは、層間絶縁膜１１に形成されたビア２６内に埋め込まれた金属プラグ２７に接合されている。金属プラグ２７は、この実施形態では、半導体基板１上に形成されたポリシリコン配線層２８に接続されている。ポリシリコン配線層２８は、たとえば、半導体基板１上に形成された素子２５のゲート電極を構成していてもよい。金属プラグ２７は、たとえば、Ｗ（タングステン）からなる。この金属プラグ２７と層間絶縁膜１１との間には、バリアメタル層２９（たとえばＴａからなる）が介在されている。
【００２８】
多層配線構造２には、銅シールリング６外において、当該半導体装置の外部との接続のための外部接続回路７２（たとえば、銅配線層５５ｅ，５６ｅを含む）が形成されている。この外部接続回路７２の一部を構成する銅配線層５６ｅ（５６）は、プラグ９を介して、外部接続層としての最上層配線５０３（５）に接続されている。
パッシベーション膜３には、最上層配線５０３（５）の表面に対する電気的接続（たとえばワイヤボンディングによる接続）のための開口４６が形成されている。最上層配線５において開口４６から露出した部分は、外部との電気的接続のためのパッド４７である。さらに、パッシベーション膜３には、ヒューズ膜４の中間部の直上を含む領域（この実施形態ではヒューズ膜４の中間領域を跨ぐ矩形領域）には、パッシベーション膜３を薄膜化して形成された凹部４９が形成されている。この凹部４９は、開口４６を形成するためのエッチング工程において同時に形成されてもよい。凹部４９は、たとえば、ヒューズ膜４をレーザ加工で切断（溶断）するときの切断加工窓として利用される。
【００２９】
このように、この半導体装置では、半導体基板１と銅膜からなるヒューズ膜４との間に銅膜からなるシール膜７，８が形成されており、さらに、シール膜７，８に結合された筒状の銅シールリング６によってヒューズ膜４の周囲が取り囲まれている。したがって、ヒューズ膜４は、下方（半導体基板１側）および側方から取り囲まれている。そのため、ヒューズ膜４が切断されたときに銅砕片が飛び散っても、銅原子の拡散をシール膜７，８および／または銅シールリング６で停止させることができる。これにより、銅原子の横方向および下方向の拡散をいずれも阻止できるので、銅原子が半導体基板１の表面付近に到達することを抑制または防止できるから、半導体基板１に形成された機能素子（トランジスタに代表される能動素子等）が故障したりその動作特性（たとえば耐圧）が悪化したりすることを抑制または防止できる。
【００３０】
また、ヒューズ膜４は、ヒューズ膜４よりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなる最上層配線５０１，５０２に接続されている。ヒューズ膜４を切断しなければ、最上層配線５０１，５０２間が電気的に接続された状態となり、ヒューズ膜４を切断すれば、最上層配線５０１，５０２間の電気的接続が遮断される。こうして、半導体装置に組み込まれた電子回路の特性を調整したり、半導体装置内の不良箇所を切り離したりすることができる。
【００３１】
ヒューズ膜４、最上層配線５０２を介して内部接続回路７１に接続されている。このように、ヒューズ膜４は、それよりも上の配線層を介して半導体装置の内部回路に接続できるので、ヒューズ膜４と半導体基板１との間に、ヒューズ膜４を回路に接続するための配線部を形成する必要がない。そのため、ヒューズ膜４の直下（半導体基板１との間）をシール膜７，８で覆うことができ、かつ、シール膜７，８と銅シールリング６とを切れ目なく結合することができる。これにより、半導体基板１の表面に向かう銅原子拡散の抑制または防止と、ヒューズ膜４の内部回路への接続とを両立できる。ヒューズ膜４よりも下層の配線層だけで内部回路への接続を達成しようとすると、ヒューズ膜４の下方および側方を完全に覆うことができないから、半導体基板１の表面に向かう銅原子拡散を回避できない。
【００３２】
さらに、この実施形態では、ヒューズ膜４が接続される最上層配線５およびそれの間のプラグ９は、銅以外の金属材料膜からなっている。そのため、ヒューズ膜４の切断面からの腐食の進行は、当該プラグ９および／または最上層配線５で停止する。これにより、腐食が半導体基板１の表面近傍に達することがないので、半導体基板１に形成された機能素子の故障または動作特性悪化を抑制または防止できる。
【００３３】
さらにまた、たとえば、ヒューズ膜４をレーザ光で切断するときに、レーザ光をシール膜８で反射させてヒューズ膜４に向かわせることができる。これにより、レーザ光のエネルギーを効率的に利用してヒューズ膜４を切断できる。そのため、ヒューズ膜４の切断（溶断）のためのレーザエネルギーが少なくてよいので、低出力、短時間のレーザ出力でヒューズ膜４を切断できる。ヒューズ膜４を下方から覆うシール膜８はヒューズ膜４よりも大面積に形成されるので、レーザ光を照射しても容易には昇温しない。したがって、シール膜８を破壊することなく、ヒューズ膜４を切断できる。
【００３４】
さらに、この実施形態では、ヒューズ膜４は、外部接続のための最上層配線５０３と同一レイヤに形成された最上層配線５０２を介して内部接続回路７１に接続されている。そのため、少ない製造工程数で、銅膜からなるヒューズ膜４を含む半導体装置を作製できる。
さらにまた、ヒューズ膜４は、最上層の銅配線層５６と同一のレイヤに形成されている。そのため、たとえば、レーザ光によってヒューズ膜４を切断するときのエネルギーが少なくてよい。しかも、半導体基板１からヒューズ膜４までの距離を大きくできるから、半導体基板１に形成された素子への影響を一層抑制できる。
【００３５】
図３Ａ〜３Ｅは、前記第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図であり、銅配線層５４の形成以後の工程が示されている。
図３Ａに示すように、デュアルダマシンプロセスによって、層間絶縁膜１７（第１層間絶縁膜）上にシール膜８を有する銅配線層５４が形成される。より具体的には、層間絶縁膜１７、エッチングストップ層３７および層間絶縁膜１８が積層される。その後、銅配線層５４（シール膜８を含む）の配置に従って、層間絶縁膜１８およびエッチングストップ層３７を貫通する配線溝が形成される。さらに、銅配線層５４の直下のビア（環状ビア６４を含む）の配置に従って、層間絶縁膜１７およびエッチングストップ層３６を貫通するビアが形成される。層間絶縁膜１８に配線溝を形成するときのエッチングは、エッチングストップ層３７で停止する。その後、当該配線溝の底面のエッチングストップ層３７が開口される。さらに、配線溝の直下の層間絶縁膜１７をエッチングすることによってビアが形成される。このビアの形成のためのエッチングは、エッチングストップ層３６で停止する。その後、ビア底面のエッチングストップ層３６を開口するためのエッチングが行われる。次いで、配線溝およびビアの内壁面ならびに層間絶縁膜１８の表面にバリアメタル層５８が形成され、このバリアメタル層５８を覆うように銅膜が形成される。そして、銅膜およびバリアメタル層５８をＣＭＰ（化学的機械的研磨）法で層間絶縁膜１８の表面が露出するまで平坦化することにより、それらが配線溝およびビア内にのみ残された状態とされる。こうして、図３Ａに示す構造が得られる。図示は省略するが、銅配線層５１〜５３（シール膜７を含む）も同様のプロセスによって形成される。
【００３６】
この後、同様のデュアルダマシンプロセスを繰り返すことによって、図３Ｂに示すように、シール膜８上に層間絶縁膜１９〜２１（第２層間絶縁膜）が積層され、その上にヒューズ膜４が形成される。また、同時に、平面視においてヒューズ膜４を取り囲み、層間絶縁膜１９〜２１を貫通してシール膜８に結合された筒状の銅シールリング６が形成される。
【００３７】
次に、図３Ｃに示すように、層間絶縁膜２３が形成される。層間絶縁膜２３は、たとえば、ＳｉＯ２からなり、プラズマＣＶＤ法によって形成されてもよい。そして、プラグ９のためのコンタクト孔７５に対応する開口を有するパターンのレジスト８１が形成される。このレジスト８１をマスクとするエッチングによって、層間絶縁膜２３がエッチングされ、これにより、層間絶縁膜２３を貫通するコンタクト孔７５が形成される。コンタクト孔７５を形成するためのエッチングは、配線層５６（ヒューズ膜４を含む）で停止する。コンタクト孔７５を形成した後、レジスト８１が除去される。
【００３８】
次に、図３Ｄに示すように、バリアメタル層２４および電極膜８２が形成される。バリアメタル層２４は、層間絶縁膜２３の表面（上面）、コンタクト孔７５の内側壁、ならびにコンタクト孔７５の底面において露出する銅配線層５６の表面を覆うように形成される。このバリアメタル層２４の形成後に、電極膜８２が形成される。電極膜８２は、プラグ９を構成すべき金属材料からなり、コンタクト孔７５を埋め尽くすように全面に堆積される。バリアメタル層２４は、たとえば、下側から順にＴａ膜、ＴａＮ膜、Ｔｉ膜およびＴｉＮ膜を積層して構成された積層膜からなり、それらの構成膜をスパッタ法によって順に堆積して形成されてもよい。電極膜８２は、たとえばＷ（タングステン）からなり、ＣＶＤ法によって形成されてもよい。
【００３９】
次に、図３Ｅに示すように、たとえばＣＭＰ法によって、表面が平坦化され、コンタクト孔７５外の電極膜８２が除去される。こうして、各コンタクト孔７５内にプラグ９が配置される。
その後は、図１に示すように、最上層配線５が所定のパターンに形成され、この最上層配線５を覆うパッシベーション膜３が形成される。そして、パッシベーション膜３に対する選択的エッチングによって、パッド用の開口４６、およびヒューズ加工用窓としての凹部４９が形成される。こうして、図１に示す構造の半導体装置が得られる。
【００４０】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、ヒューズ膜４と半導体基板１との間に、２枚のシール膜７，８が形成されている例について説明したが、下側のシール膜７を省いたり、上側のシール膜８を省いたりして、一枚のシール膜が半導体基板１とヒューズ膜４との間に配置された構造としてもよい。下側のシール膜７を省くときには、銅シールリング６において、シール膜８よりも下層の部分は省いてもよい。このことは、ヒューズ膜４と半導体基板１との間に必ずしも多くの配線層を要しないことを意味する。したがって、層数の少ない多層配線構造を有する半導体装置であっても、半導体基板に形成された素子の特性に対する懸念を回避しながら、銅ヒューズを設けることができる。また、下側のシール膜７を省く場合には、シール膜７の下方の領域に回路を形成する配線を設けてもよい。むろん、また、シール膜７，８に加えて別のシール膜を追加し、３枚以上のシール膜がヒューズ膜４と半導体基板１と間に配置された構造としてもよい。
【００４１】
また、前述の実施形態では、平面視において銅シールリング６の外方に素子２５が形成された例を示したが、銅シールリング６の内方の領域に素子が形成されていてもよい。ヒューズ膜４と半導体基板１との間に介在されたシール膜７，８は、銅シールリング６の内方の領域に形成された素子への銅原子の拡散をも抑制または防止できる。このように、銅シールリング６の内方領域にも素子を配置することによって、素子集積度を高めることができる。
【００４２】
さらに、前述の実施形態では、銅シールリング６が四角筒状に形成された例を示したが、銅シールリングの形状は、四角形以外の多角形を底面とする筒状であってもよく、円柱状、楕円柱状等の他の筒形状であってもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 半導体基板
２ 多層配線構造
３ パッシベーション膜
４ ヒューズ膜
５，５０１，５０２，５０３ 最上層配線
６ 銅シールリング
７，８ シール膜
９ プラグ
１１〜２３ 層間絶縁膜
２５ 素子
２８ ポリシリコン配線層
４７ パッド
４９ 凹部
５１〜５６，５１ｉ〜５６ｉ，５１ｓ〜５６ｓ，５５ｅ，５６ｅ 銅配線層
５８ バリアメタル層
６２〜６６ 環状ビア
７１ 内部接続回路
７２ 外部接続回路
７５ コンタクト孔
【技術分野】
【０００１】
この発明は、多層配線構造内にヒューズが形成された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体メモリ等の半導体装置は、金属配線層にヒューズを備える場合がある。ヒューズは、レーザ光の照射や閾値以上の電流の通電によって切断できるように構成されている。ヒューズの切断／非切断を選択することによって、半導体装置に組み込まれた電子回路の特性を調整（トリミング）したり、半導体装置内の不良箇所を切り離したりすることができる。ヒューズは、金属配線層に設けられ、金属配線と同じ材料で構成されるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許３９７４０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
配線の材料には、Ａｌ（アルミニウム）が広く用いられてきたが、最近では、とくに大電力を消費するパワー半導体装置において、配線抵抗の低減が望まれている。そこで、配線材料としてＡｌよりも導電性の高いＣｕ（銅）を用いた半導体装置の構造が提案されている。この場合、一般的な先行技術に倣ってヒューズを形成するとすれば、銅配線層に銅からなるヒューズが形成されることになる。
【０００５】
しかし、レーザ光等でヒューズを切断すると、ヒューズを構成する銅の砕片が配線構造内に飛び散る。銅は、層間絶縁膜の典型的な材料である酸化シリコン中に容易に拡散するから、半導体基板に形成された素子領域に達し、素子動作に悪影響を与えるおそれがある。また、ヒューズが銅で構成されている場合、ヒューズは、切断によって露出した表面から容易に腐食する。この腐食は、ヒューズに接続された電流経路を通って、半導体基板の近傍にまで至るおそれがある。
【０００６】
これらの課題に対処するために、本願発明者は、銅ヒューズを取り囲むように筒状のシールリングを多層配線構造中に形成する構造を検討した。この構造では、複数層の銅配線層およびそれらの間のプラグ層（ビア層）によって、銅ヒューズを取り囲む筒状シールリングが構成される。これにより、銅砕片をシールリングで食い止めて、銅の拡散を抑制することができる。さらに、銅ヒューズを銅配線層のうちの最上層に形成することにより、シリコン基板から銅ヒューズまでの距離を遠くすることで、基板表面付近に形成された素子に到達することを抑制できる。さらにまた、銅ヒューズから基板表面付近の配線層までの配線長を長くできるので、銅ヒューズを起点とする腐食が基板表面付近の配線層に到達しにくくすることができる。
【０００７】
しかしながら、銅は多層配線構造を形成する絶縁層内を容易に拡散するので、上記のような構造をとっても、銅砕片からの銅原子は、多層配線構造の積層方向へと拡散して基板表面に至る。また、銅ヒューズの切断面を起点とする腐食は、基板表面付近の配線層に容易に到達してしまう。
そこで、この発明は、銅ヒューズに起因する故障または特性悪化を抑制または防止できる半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の半導体装置は、半導体基板と、銅ヒューズと、前記半導体基板と銅ヒューズとの間に配置された銅膜からなるシール膜と、前記銅ヒューズよりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなり、前記銅ヒューズの第１の部分および第２の部分にそれぞれに接続された第１接続部および第２接続部を有する配線膜と、前記シール膜に結合され、前記銅ヒューズの周囲を取り囲む筒状に形成された銅シールリングとを含む、半導体装置である（請求項１）。
【０００９】
この構成によれば、半導体基板と銅ヒューズとの間にシール膜が形成されており、さらに、シール膜に結合された筒状の銅シールリングによって銅ヒューズの周囲が取り囲まれている。つまり、銅ヒューズは、下方（半導体基板側）および側方から取り囲まれている。そのため、銅ヒューズが切断されたときに銅砕片が飛び散っても、銅原子の拡散をシール膜または銅シールリングで停止させることができる。これにより、銅原子の横方向および下方向の拡散をいずれも阻止できるので、銅原子が基板表面付近に到達することを抑制または防止できるから、半導体基板に形成された機能素子が故障したりその動作特性が悪化したりすることを抑制または防止できる。
【００１０】
銅ヒューズと半導体装置内の回路との接続は、銅ヒューズよりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなる配線膜を介して行える。つまり、配線膜の第１および第２接続部が、銅ヒューズの第１および第２の部分にそれぞれ接続されている。銅ヒューズを切断しなければ、第１および第２接続部間が電気的に接続された状態となり、銅ヒューズを切断すれば、第１および第２接続部間の電気的接続が遮断される。銅ヒューズは、それよりも上の配線層を介して半導体装置内の回路に接続できるので、銅ヒューズと半導体基板との間に、銅ヒューズを回路に接続するための配線部を形成する必要がない。そのため、銅ヒューズの直下（半導体基板との間）をシール膜で覆うことができ、かつ、シール膜と銅シールリングとを切れ目なく結合することができる。これにより、基板表面に向かう銅原子拡散の抑制または防止と、銅ヒューズの内部回路への接続とを両立できる。銅ヒューズよりも下層の配線層だけで内部回路への接続を達成しようとすると、銅ヒューズの下方および側方を完全に覆うことができないから、基板表面に向かう銅原子拡散を回避できない。
【００１１】
さらに、この発明では、銅ヒューズが接続される配線層は、銅以外の金属材料膜からなっている。そのため、銅ヒューズ切断面からの腐食の進行は、当該配線層で停止する。これにより、腐食が基板表面近傍に達することがないので、基板に形成された機能素子の故障または動作特性悪化を抑制または防止できる。
銅配線を用いる多層配線構造では、たとえば、基板表面に最も近い配線層がポリシリコン層で形成され、それよりも上層の配線層は銅配線層で形成される。この場合、いわゆるデュアルダマシン構造によって、隣接する銅配線層間の相互接続が達成される。つまり、銅配線層は、その直下の配線層に接続する銅プラグ部（ビア）を有している。そのため、銅ヒューズを、それよりも下方の配線層を介して内部回路に接続する構造をとると、銅ヒューズ切断面からの腐食は、最下層のポリシリコン層に至ってようやく停止する。そのため、半導体基板に形成された機能素子の故障または動作特性悪化を容易に招いてしまう。この問題は、銅配線層の層数を多くして銅ヒューズ切断面からの腐食経路を長くすることによって緩和されるかもしれないが、多数の銅配線層を積み上げる製造工程が必要になるから、大幅なコスト増加が避けられない。この発明の構造では、このような問題をいずれも回避できる。
【００１２】
また、たとえば、銅ヒューズをレーザ光で切断するときに、レーザ光をシール膜で反射させて銅ヒューズに向かわせることができる。これにより、レーザ光のエネルギーを効率的に利用して銅ヒューズを切断できる。そのため、銅ヒューズの切断（溶断）のためのレーザエネルギーが少なくてよいので、低出力、短時間のレーザ出力で銅ヒューズを切断できる。銅ヒューズを下方から覆うシール膜は銅ヒューズよりも大面積に形成されるので、レーザ光を照射しても容易には昇温しない。したがって、シール膜を破壊することなく、銅ヒューズを切断できる。
【００１３】
なお、複数枚のシール膜が、銅ヒューズと半導体基板との間に、半導体基板表面の法線方向に沿って間隔を開けて配置されていてもよい。この複数枚のシール膜は、少なくとも一つ（好ましくは全部）が、銅シールリングに結合されていることが好ましい。
請求項２記載の発明は、前記配線膜と同じ層（レイヤ）に当該配線膜と同材料で形成された外部接続層をさらに含む、請求項１記載の半導体装置である。
【００１４】
この構成によれば、外部接続層と同じ配線層を用いて、銅ヒューズを内部回路に接続するための経路を形成できる。したがって、少ない製造工程数で銅ヒューズを含む半導体装置を作製できる。
請求項３記載の発明は、複数の銅配線層を備えており、前記銅ヒューズは、前記複数の銅配線層のうち最上層の銅配線層と同じ層（レイヤ）に形成されている、請求項１または２記載の半導体装置である。銅ヒューズは、当該最上層の銅配線層と同じ材料で形成されていることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、複数の銅配線層のうちの最上層に銅ヒューズが形成されるので、たとえば、レーザ光によって銅ヒューズを切断するときのエネルギーが少なくてよい。しかも、半導体基板から銅ヒューズまでの距離を大きくできるから、半導体基板に形成された素子への影響を一層抑制できる。
前述の構造の半導体装置を製造するための方法は、たとえば、第１層間絶縁膜上に銅シール膜を形成する工程と、前記銅シール膜を覆う第２層間絶縁膜を形成する工程と、この第２層間絶縁膜上に銅ヒューズを形成する工程と、前記第２層間絶縁膜を貫通して前記シールリングに結合され、前記銅ヒューズを取り囲む筒状の銅シールリングを形成する工程と、前記銅ヒューズを覆う第３層間絶縁膜を形成する工程と、前記第３層間絶縁膜に形成された第１および第２コンタクト孔を介して前記銅ヒューズの第１の部分および第２の部分にそれぞれ電気的に接続された第１接続部および第２接続部を有し、銅以外の金属材料膜からなる配線膜を形成する工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、この発明の第１の実施形態に係る半導体装置の部分断面図である。
【図２】図２は、図１に示された構成の部分平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１に示された半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ｂの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ｃの次の工程を示す断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図３Ｄの次の工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の部分断面図であり、図２は、図１に示された構成の部分平面図である。この半導体装置は、半導体基板１と、半導体基板１の表面上に形成された多層配線構造２と、多層配線構造２を覆うパッシベーション膜（表面保護膜）３とを有している。半導体基板１は、シリコン基板であってもよく、その表層部には、図示は省略するが、トランジスタ等の能動素子に代表される機能素子（半導体素子）が形成されている。多層配線構造２は、層間絶縁膜１１〜２３、エッチングストップ層３１〜４２、銅配線層５１〜５６、ヒューズ膜４（銅ヒューズ）、最上層配線５（配線膜、外部接続層）等を含む。パッシベーション膜３は、たとえば窒化膜（窒化シリコン膜）からなっていてもよく、最上層配線５の表面を覆っている。図２では、パッシベーション膜３の図示を省略してある。
【００１８】
多層配線構造２は、この実施形態では、平面視においてヒューズ膜４を取り囲む筒状（たとえば四角筒状）に形成された銅シールリング６と、銅シールリング６の底部および高さ方向途中部にそれぞれ配置された平板状のシール膜７，８（銅シール膜）とを含む。
多層配線構造２においては、層間絶縁膜１１、エッチングストップ層３１、層間絶縁膜１２、エッチングストップ層３２、層間絶縁膜１３、エッチングストップ層３３、層間絶縁膜１４、エッチングストップ層３４、層間絶縁膜１５、エッチングストップ層３５、層間絶縁膜１６、エッチングストップ層３６、層間絶縁膜１７、エッチングストップ層３７、層間絶縁膜１８、エッチングストップ層３８、層間絶縁膜１９、エッチングストップ層３９、層間絶縁膜２０、エッチングストップ層４０、層間絶縁膜２１、エッチングストップ層４１、層間絶縁膜２２、エッチングストップ層４２、および層間絶縁膜２３が、半導体基板１の表面からこの順に積層されている。層間絶縁膜１１〜２３は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。また、エッチングストップ層３１，３３，３５，３７，３９，４１は、たとえば、ＳｉＣＮからなる。エッチングストップ層３２，３４，３６，３８，４０，４２は、たとえば、ＳｉＣとＳｉＣＮとの積層膜からなる。
【００１９】
銅配線層５１（５１ｓ，５１ｉ，５１ｅ）は層間絶縁膜１２に形成されており、銅配線層５２（５２ｓ，５２ｉ，５２ｅ）は層間絶縁膜１４に形成されており、銅配線層５３（５３ｓ，５３ｉ，５３ｅ）は層間絶縁膜１６に形成されており、銅配線層５４（５４ｓ，５４ｉ，５４ｅ）は層間絶縁膜１８に形成されており、銅配線層５５（５５ｓ，５５ｉ，５５ｅ）は層間絶縁膜２０に形成されており、銅配線層５６（５６ｓ，５６ｉ，５６ｅ）は層間絶縁膜２２に形成されている。銅配線層５１〜５６は、銅を主成分とする導電性材料からなる配線（銅配線）である。これらの銅配線層５１〜５６は、層間絶縁膜１２，１４，１６，１８，２０，２２にそれぞれ形成された配線溝に埋め込まれている。より具体的には、銅配線層５１は、ダマシンプロセスによって層間絶縁膜１２に形成された配線溝に埋め込まれている。また、銅配線層５２〜５６は、デュアルダマシンプロセスによって、層間絶縁膜１４，１６，１８，２０，２２にそれぞれ形成された配線溝に埋め込まれ、かつ、層間絶縁膜１３，１５，１７，１９，２１にそれぞれ形成されたビア（孔）に埋め込まれている。これにより、銅配線層５２〜５６は、各直下の銅配線層５１〜５５に電気的に接続されている。
【００２０】
配線溝およびビアの内壁面には、銅の拡散を防ぐためのバリアメタル層５８が形成されている。このバリアメタル層５８およびエッチングストップ層３２，３４，３６，３８，４０，４２に囲まれた領域に、銅を主成分とする銅配線層５１〜５６が配置されている。エッチングストップ層３１，３３，３５，３７，３９，４１は、配線溝を形成するために層間絶縁膜１２，１４，１６，１８に対して行うエッチングを停止させるための層である。また、エッチングストップ層３２，３４，３６，３７，３８，４０は、ビアを形成するために層間絶縁膜１３，１５，１７，１９，２１に対して行うエッチングを停止させるための層である。バリアメタル層５８は、たとえば、Ｔａ層とＴａＮ層との積層膜からなり、Ｔａ層が銅配線層に接している。
【００２１】
ヒューズ膜４は、この実施形態では、平面視において直線状（帯状）に形成されている。このヒューズ膜４は、最上層配線５０１，５０２（５）の間を電気的に接続している。具体的には、ヒューズ膜４の一端（第１の部分）に最上層配線５０１（第１接続部）が接続されており、ヒューズ膜４の他端（第２の部分）に最上層配線５０２（第２接続部）が接続されている。
【００２２】
ヒューズ膜４の両端は、最上層配線５（上配線層）をその下の銅配線層５６（下配線層）に接続するためのプラグ９を介して最上層配線５０１，５０２（５）にそれぞれ電気的に接続されている。プラグ９は、最上層の層間絶縁膜２３に形成された開口に埋め込まれた金属からなる。より具体的には、層間絶縁膜２３には、プラグ９に対応した開口（貫通孔）が形成されている。この開口の内面（底面および側壁面）は、バリアメタル層２４によって覆われている。そして、バリアメタル層２４によって囲まれた開口内にプラグ９が埋め込まれている。プラグ９は、たとえば、銅以外の金属材料を主成分とする導電性材料、たとえばＷ（タングステン）からなる。バリアメタル層２４は、プラグ９の材料およびヒューズ膜４の材料に対する拡散を防止する性質の導電層であり、たとえば、ヒューズ膜４側から順に、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、およびＴｉＮを積層した積層膜からなる。
【００２３】
ヒューズ膜４は、銅配線層５１〜５６のうちの最も上層に形成された銅配線層５６の一部によって形成されている。より具体的には、銅配線層５６に対応した層間絶縁膜２２には、ヒューズ膜４の形状に対応した溝が形成されている。この溝の内壁面（底面および側壁）は、バリアメタル層５８によって覆われており、このバリアメタル層５８によって囲まれた溝内に銅配線層５６を構成する金属材料（銅を主成分とする金属材料）が埋め込まれ、ヒューズ膜４を構成している。ヒューズ膜４に接しているバリアメタル層５８も最上層配線５０１，５０２間の電気的接続に寄与しているので、このバリアメタル層５８もヒューズ膜の一部と見なすこともできる。
【００２４】
最上層配線５は、たとえば、本体部５ａと、本体部５ａの下側に積層されたバリア層５ｂと、本体部５ａの上側に積層された表面金属膜５ｃとを含む配線膜である。本体部５ａは、銅以外の金属（たとえばアルミニウム）を主成分とする導電性材料、たとえばＡｌＣｕからなり、バリア層５ｂはたとえば下側から順に積層したＴｉおよびＴｉＮの積層膜からなり、表面金属膜５ｃはたとえばＴｉＮからなる。
【００２５】
銅シールリング６は、図２に示すとおり、平面視においてヒューズ膜４を取り囲む筒状（この実施形態では四角筒状）に形成されており、銅配線層５１〜５６によって構成されている。以下、銅シールリング６を構成する銅配線層５１〜５６を銅配線層５１ｓ〜５６ｓなどということにする。
銅シールリング６を構成する銅配線層のうち、銅配線層５２ｓ，５３ｓ，５５ｓ，５６ｓは、それぞれ環状（この実施形態では四角環状）に形成されており、平面視において互いに重なり合っている。また、銅シールリング６を構成する銅配線層のうち、最下層の銅配線層５１ｓと、この最下層銅配線５１ｓから間隔を開けて（この実施形態では銅配線層２層分の間隔）を挟んで上方に位置する銅配線層５４ｓとは、平面視において、銅シールリング６の筒形状に対応する輪郭を有する中実形状（この実施形態では四角形状）に形成されている。これらの銅配線層５１ｓ，５４ｓの周縁の環状部分（この実施形態では四角環状部分）は、銅シールリング６の一部を構成している。そして、それらの銅配線層５１ｓ，５４ｓにおいて、前記環状部分の内方に連続している中央部は、ヒューズ膜４と半導体基板１との間に介在するシール膜７，８を構成している。すなわち、この実施形態では、銅シールリング６とシール膜７，８とが一体化されており、これらは隙間なく結合している。
【００２６】
上側のシール膜８は、ヒューズ膜４の下方に位置し、ヒューズ膜４から間隔（銅配線層５５の配線層分の間隔）を開けて配置されている。そして、シール膜７，８は、平面視において、ヒューズ膜４がそれらの外縁の内方に収まるように形成されている。
銅シールリング６を構成する銅配線層５２ｓ〜５６ｓの下部には、銅シールリング６の平面形状に対応する環状に形成された環状ビア６２〜６６が形成されている。銅配線層５２ｓ〜５６ｓは、それらの直下の環状ビア６２〜６６を埋め込むように形成されている。したがって、銅シールリング６の内側には、銅配線層５１ｓ〜５４ｓによって囲まれた密閉空間と、銅配線層５４ｓ〜５６ｓによって囲まれた半密閉空間とが形成されている。この半密閉空間内（この実施形態では当該空間の上端位置）に、ヒューズ膜４が配置されている。
【００２７】
一方、ヒューズ膜４の一端に電気的に接続された最上層配線５０２は、平面視において銅シールリング６の外方へと延びている。そして、銅シールリング６外において内部接続回路７１を構成する銅配線層５１〜５６（以下、銅配線層５１ｉ〜５６ｉなどという。）を介して、半導体基板１に形成された素子（たとえばトランジスタ素子）２５に電気的に接続されている。より詳細には、最上層配線５０２は、銅シールリング６外に形成されたプラグ９を介して銅配線層５６ｉに接続されている。この銅配線層５６ｉは、その下層の銅配線層５５ｉに接続され、さらに、その銅配線層５５ｉがその下層の銅配線層５４ｉに接続されている。同様の構造により、銅配線層５６ｉは、最下層の銅配線層５１ｉまで接続されている。そして、この銅配線層５１ｉは、層間絶縁膜１１に形成されたビア２６内に埋め込まれた金属プラグ２７に接合されている。金属プラグ２７は、この実施形態では、半導体基板１上に形成されたポリシリコン配線層２８に接続されている。ポリシリコン配線層２８は、たとえば、半導体基板１上に形成された素子２５のゲート電極を構成していてもよい。金属プラグ２７は、たとえば、Ｗ（タングステン）からなる。この金属プラグ２７と層間絶縁膜１１との間には、バリアメタル層２９（たとえばＴａからなる）が介在されている。
【００２８】
多層配線構造２には、銅シールリング６外において、当該半導体装置の外部との接続のための外部接続回路７２（たとえば、銅配線層５５ｅ，５６ｅを含む）が形成されている。この外部接続回路７２の一部を構成する銅配線層５６ｅ（５６）は、プラグ９を介して、外部接続層としての最上層配線５０３（５）に接続されている。
パッシベーション膜３には、最上層配線５０３（５）の表面に対する電気的接続（たとえばワイヤボンディングによる接続）のための開口４６が形成されている。最上層配線５において開口４６から露出した部分は、外部との電気的接続のためのパッド４７である。さらに、パッシベーション膜３には、ヒューズ膜４の中間部の直上を含む領域（この実施形態ではヒューズ膜４の中間領域を跨ぐ矩形領域）には、パッシベーション膜３を薄膜化して形成された凹部４９が形成されている。この凹部４９は、開口４６を形成するためのエッチング工程において同時に形成されてもよい。凹部４９は、たとえば、ヒューズ膜４をレーザ加工で切断（溶断）するときの切断加工窓として利用される。
【００２９】
このように、この半導体装置では、半導体基板１と銅膜からなるヒューズ膜４との間に銅膜からなるシール膜７，８が形成されており、さらに、シール膜７，８に結合された筒状の銅シールリング６によってヒューズ膜４の周囲が取り囲まれている。したがって、ヒューズ膜４は、下方（半導体基板１側）および側方から取り囲まれている。そのため、ヒューズ膜４が切断されたときに銅砕片が飛び散っても、銅原子の拡散をシール膜７，８および／または銅シールリング６で停止させることができる。これにより、銅原子の横方向および下方向の拡散をいずれも阻止できるので、銅原子が半導体基板１の表面付近に到達することを抑制または防止できるから、半導体基板１に形成された機能素子（トランジスタに代表される能動素子等）が故障したりその動作特性（たとえば耐圧）が悪化したりすることを抑制または防止できる。
【００３０】
また、ヒューズ膜４は、ヒューズ膜４よりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなる最上層配線５０１，５０２に接続されている。ヒューズ膜４を切断しなければ、最上層配線５０１，５０２間が電気的に接続された状態となり、ヒューズ膜４を切断すれば、最上層配線５０１，５０２間の電気的接続が遮断される。こうして、半導体装置に組み込まれた電子回路の特性を調整したり、半導体装置内の不良箇所を切り離したりすることができる。
【００３１】
ヒューズ膜４、最上層配線５０２を介して内部接続回路７１に接続されている。このように、ヒューズ膜４は、それよりも上の配線層を介して半導体装置の内部回路に接続できるので、ヒューズ膜４と半導体基板１との間に、ヒューズ膜４を回路に接続するための配線部を形成する必要がない。そのため、ヒューズ膜４の直下（半導体基板１との間）をシール膜７，８で覆うことができ、かつ、シール膜７，８と銅シールリング６とを切れ目なく結合することができる。これにより、半導体基板１の表面に向かう銅原子拡散の抑制または防止と、ヒューズ膜４の内部回路への接続とを両立できる。ヒューズ膜４よりも下層の配線層だけで内部回路への接続を達成しようとすると、ヒューズ膜４の下方および側方を完全に覆うことができないから、半導体基板１の表面に向かう銅原子拡散を回避できない。
【００３２】
さらに、この実施形態では、ヒューズ膜４が接続される最上層配線５およびそれの間のプラグ９は、銅以外の金属材料膜からなっている。そのため、ヒューズ膜４の切断面からの腐食の進行は、当該プラグ９および／または最上層配線５で停止する。これにより、腐食が半導体基板１の表面近傍に達することがないので、半導体基板１に形成された機能素子の故障または動作特性悪化を抑制または防止できる。
【００３３】
さらにまた、たとえば、ヒューズ膜４をレーザ光で切断するときに、レーザ光をシール膜８で反射させてヒューズ膜４に向かわせることができる。これにより、レーザ光のエネルギーを効率的に利用してヒューズ膜４を切断できる。そのため、ヒューズ膜４の切断（溶断）のためのレーザエネルギーが少なくてよいので、低出力、短時間のレーザ出力でヒューズ膜４を切断できる。ヒューズ膜４を下方から覆うシール膜８はヒューズ膜４よりも大面積に形成されるので、レーザ光を照射しても容易には昇温しない。したがって、シール膜８を破壊することなく、ヒューズ膜４を切断できる。
【００３４】
さらに、この実施形態では、ヒューズ膜４は、外部接続のための最上層配線５０３と同一レイヤに形成された最上層配線５０２を介して内部接続回路７１に接続されている。そのため、少ない製造工程数で、銅膜からなるヒューズ膜４を含む半導体装置を作製できる。
さらにまた、ヒューズ膜４は、最上層の銅配線層５６と同一のレイヤに形成されている。そのため、たとえば、レーザ光によってヒューズ膜４を切断するときのエネルギーが少なくてよい。しかも、半導体基板１からヒューズ膜４までの距離を大きくできるから、半導体基板１に形成された素子への影響を一層抑制できる。
【００３５】
図３Ａ〜３Ｅは、前記第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図であり、銅配線層５４の形成以後の工程が示されている。
図３Ａに示すように、デュアルダマシンプロセスによって、層間絶縁膜１７（第１層間絶縁膜）上にシール膜８を有する銅配線層５４が形成される。より具体的には、層間絶縁膜１７、エッチングストップ層３７および層間絶縁膜１８が積層される。その後、銅配線層５４（シール膜８を含む）の配置に従って、層間絶縁膜１８およびエッチングストップ層３７を貫通する配線溝が形成される。さらに、銅配線層５４の直下のビア（環状ビア６４を含む）の配置に従って、層間絶縁膜１７およびエッチングストップ層３６を貫通するビアが形成される。層間絶縁膜１８に配線溝を形成するときのエッチングは、エッチングストップ層３７で停止する。その後、当該配線溝の底面のエッチングストップ層３７が開口される。さらに、配線溝の直下の層間絶縁膜１７をエッチングすることによってビアが形成される。このビアの形成のためのエッチングは、エッチングストップ層３６で停止する。その後、ビア底面のエッチングストップ層３６を開口するためのエッチングが行われる。次いで、配線溝およびビアの内壁面ならびに層間絶縁膜１８の表面にバリアメタル層５８が形成され、このバリアメタル層５８を覆うように銅膜が形成される。そして、銅膜およびバリアメタル層５８をＣＭＰ（化学的機械的研磨）法で層間絶縁膜１８の表面が露出するまで平坦化することにより、それらが配線溝およびビア内にのみ残された状態とされる。こうして、図３Ａに示す構造が得られる。図示は省略するが、銅配線層５１〜５３（シール膜７を含む）も同様のプロセスによって形成される。
【００３６】
この後、同様のデュアルダマシンプロセスを繰り返すことによって、図３Ｂに示すように、シール膜８上に層間絶縁膜１９〜２１（第２層間絶縁膜）が積層され、その上にヒューズ膜４が形成される。また、同時に、平面視においてヒューズ膜４を取り囲み、層間絶縁膜１９〜２１を貫通してシール膜８に結合された筒状の銅シールリング６が形成される。
【００３７】
次に、図３Ｃに示すように、層間絶縁膜２３が形成される。層間絶縁膜２３は、たとえば、ＳｉＯ２からなり、プラズマＣＶＤ法によって形成されてもよい。そして、プラグ９のためのコンタクト孔７５に対応する開口を有するパターンのレジスト８１が形成される。このレジスト８１をマスクとするエッチングによって、層間絶縁膜２３がエッチングされ、これにより、層間絶縁膜２３を貫通するコンタクト孔７５が形成される。コンタクト孔７５を形成するためのエッチングは、配線層５６（ヒューズ膜４を含む）で停止する。コンタクト孔７５を形成した後、レジスト８１が除去される。
【００３８】
次に、図３Ｄに示すように、バリアメタル層２４および電極膜８２が形成される。バリアメタル層２４は、層間絶縁膜２３の表面（上面）、コンタクト孔７５の内側壁、ならびにコンタクト孔７５の底面において露出する銅配線層５６の表面を覆うように形成される。このバリアメタル層２４の形成後に、電極膜８２が形成される。電極膜８２は、プラグ９を構成すべき金属材料からなり、コンタクト孔７５を埋め尽くすように全面に堆積される。バリアメタル層２４は、たとえば、下側から順にＴａ膜、ＴａＮ膜、Ｔｉ膜およびＴｉＮ膜を積層して構成された積層膜からなり、それらの構成膜をスパッタ法によって順に堆積して形成されてもよい。電極膜８２は、たとえばＷ（タングステン）からなり、ＣＶＤ法によって形成されてもよい。
【００３９】
次に、図３Ｅに示すように、たとえばＣＭＰ法によって、表面が平坦化され、コンタクト孔７５外の電極膜８２が除去される。こうして、各コンタクト孔７５内にプラグ９が配置される。
その後は、図１に示すように、最上層配線５が所定のパターンに形成され、この最上層配線５を覆うパッシベーション膜３が形成される。そして、パッシベーション膜３に対する選択的エッチングによって、パッド用の開口４６、およびヒューズ加工用窓としての凹部４９が形成される。こうして、図１に示す構造の半導体装置が得られる。
【００４０】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、ヒューズ膜４と半導体基板１との間に、２枚のシール膜７，８が形成されている例について説明したが、下側のシール膜７を省いたり、上側のシール膜８を省いたりして、一枚のシール膜が半導体基板１とヒューズ膜４との間に配置された構造としてもよい。下側のシール膜７を省くときには、銅シールリング６において、シール膜８よりも下層の部分は省いてもよい。このことは、ヒューズ膜４と半導体基板１との間に必ずしも多くの配線層を要しないことを意味する。したがって、層数の少ない多層配線構造を有する半導体装置であっても、半導体基板に形成された素子の特性に対する懸念を回避しながら、銅ヒューズを設けることができる。また、下側のシール膜７を省く場合には、シール膜７の下方の領域に回路を形成する配線を設けてもよい。むろん、また、シール膜７，８に加えて別のシール膜を追加し、３枚以上のシール膜がヒューズ膜４と半導体基板１と間に配置された構造としてもよい。
【００４１】
また、前述の実施形態では、平面視において銅シールリング６の外方に素子２５が形成された例を示したが、銅シールリング６の内方の領域に素子が形成されていてもよい。ヒューズ膜４と半導体基板１との間に介在されたシール膜７，８は、銅シールリング６の内方の領域に形成された素子への銅原子の拡散をも抑制または防止できる。このように、銅シールリング６の内方領域にも素子を配置することによって、素子集積度を高めることができる。
【００４２】
さらに、前述の実施形態では、銅シールリング６が四角筒状に形成された例を示したが、銅シールリングの形状は、四角形以外の多角形を底面とする筒状であってもよく、円柱状、楕円柱状等の他の筒形状であってもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 半導体基板
２ 多層配線構造
３ パッシベーション膜
４ ヒューズ膜
５，５０１，５０２，５０３ 最上層配線
６ 銅シールリング
７，８ シール膜
９ プラグ
１１〜２３ 層間絶縁膜
２５ 素子
２８ ポリシリコン配線層
４７ パッド
４９ 凹部
５１〜５６，５１ｉ〜５６ｉ，５１ｓ〜５６ｓ，５５ｅ，５６ｅ 銅配線層
５８ バリアメタル層
６２〜６６ 環状ビア
７１ 内部接続回路
７２ 外部接続回路
７５ コンタクト孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
銅ヒューズと、
前記半導体基板と銅ヒューズとの間に配置された銅膜からなるシール膜と、
前記銅ヒューズよりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなり、前記銅ヒューズの第１の部分および第２の部分にそれぞれに接続された第１接続部および第２接続部を有する配線膜と、
前記シール膜に結合され、前記銅ヒューズの周囲を取り囲む筒状に形成された銅シールリングとを含む、半導体装置。
【請求項２】
前記配線膜と同じ層に当該配線膜と同材料で形成された外部接続層をさらに含む、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
複数の銅配線層を備えており、前記銅ヒューズは、前記複数の銅配線層のうち最上層の銅配線層と同じ層に形成されている、請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項１】
半導体基板と、
銅ヒューズと、
前記半導体基板と銅ヒューズとの間に配置された銅膜からなるシール膜と、
前記銅ヒューズよりも上の層に形成された銅以外の金属材料膜からなり、前記銅ヒューズの第１の部分および第２の部分にそれぞれに接続された第１接続部および第２接続部を有する配線膜と、
前記シール膜に結合され、前記銅ヒューズの周囲を取り囲む筒状に形成された銅シールリングとを含む、半導体装置。
【請求項２】
前記配線膜と同じ層に当該配線膜と同材料で形成された外部接続層をさらに含む、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
複数の銅配線層を備えており、前記銅ヒューズは、前記複数の銅配線層のうち最上層の銅配線層と同じ層に形成されている、請求項１または２記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【公開番号】特開２０１２−１６４８３０（Ｐ２０１２−１６４８３０Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４３８９（Ｐ２０１１−２４３８９）
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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