[发明专利]电致熔丝结构和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及集成电路结构和方法，更具体地涉及电致熔丝及其编程工艺。

背景技术

在半导体行业中，为了多种目的，熔丝单元被广泛应用于集成电路，如提高制造成品率或定制通用集成电路。例如，对熔丝编程以用芯片上的冗余电路替换在同一芯片上有缺陷的电路，能够显著地提高制造成品率。由于存储器芯片由许多相同的存储单元和存储单元组构成，因此替换有缺陷的电路对于提高存储器芯片的制造成品率是特别有用的。通过有选择地烧断集成电路中的熔丝，使集成电路具有多种可能的应用，从而可经济地制造适于多种用户使用的通用集成电路。

通常，有两种不同的方法以断开熔丝。一种方法是，通过激光束的作用进行断开，这种熔丝称为激光熔丝。为了迅速烧断形成在芯片中的激光熔丝，通常在钝化层中设置开口，从而允许激光直接接近要被断开的熔丝金属链。但是，为了避免在钝化层中切出深的开口，因此优选地在接近芯片表面处设置激光熔丝，这会增加工艺的复杂性并降低激光修复率。然而，例如，在接近芯片表面处设置熔丝元件会将导致安全关注点放在所设计的集成电路(IC)的知识产权保护上。

在另一种方法中，通过由电流产生的电迁移导致的电破坏结果断开熔丝，该种熔丝称为电致熔丝或e-fuse。图1A示出了传统e-fuse10，其能够在芯片中深的工艺层中形成，因此为已设计的IC的知识产权提供所希望的保护。e-fuse10包括在半导体衬底(未示出)上形成和构图的多晶硅(poly)带5。多晶硅带5为非掺杂或轻掺杂，因此展现有高电阻。在多晶硅带5上形成有硅化物层7，该硅化物层7具有低的电阻。e-fuse10的两端分别通过导电部件连接至预先设定的编程电位的阳极和阴极，例如该导电部件为接触孔/通孔3。在将e-fuse10烧断之前，其阻抗主要由硅化物层7的电阻决定。

图1B说明了当预定的编程电位被加在e-fuse10两端时的e-fuse10。由于硅化物层7的电阻低，因此电流首先经由硅化物层7通过e-fuse10。被称为电迁移的已知现象引起硅化物层7在阳极端积累和聚集。形成硅化物聚集物9，并以在e-fuse10中生成电不连续性。因此，在对e-fuse10进行编程后，e-fuse10的电阻主要由多晶硅带5决定，从而极大地提高了e-fuse10的电阻。理想地，在为了得到大的IC设计窗口，编程之后得到的e-fuse10的电阻很大，且该电阻接近于开路电阻。

然而随着先进工艺的采用，器件特征尺寸不断缩小，传统e-fuse的结构和所描述的传统e-fuse的编程方法近来问题渐多。首先，由于在先进工艺中e-fuse的尺寸缩减，编程后e-fuse的电阻将不足够大，编程前后e-fuse的电阻之间的差别不大。这个问题可引起极低的修复率和减小的设计窗口。第二，随着在先进工艺中e-fuse尺寸的减小，在e-fuse褶皱缩减的多晶硅带的电流密度增加，因此如多晶硅热断裂的已知有害影响越来越容易发生。多晶硅热断裂可在多晶硅带上引起永久的物理损伤，接下来，该损伤可在e-fuse的寿命期间引起严重的可靠性风险。

图2A说明了可形成在芯片深工艺层中的另一种已知e-fuse20。e-fuse20包括顶部导电层11，底部导电层15和连接在顶部导电层11和底部导电层15之间的接触孔13。在编程的e-fuse20中，顶部导电层11和底部导电层15分别连接至预先设定的编程电位的阳极和阴极。类似地，电迁移效应使接触孔13的金属材料在e-fuse20的阳极端积累和聚集，形成接触孔金属聚集物19。这导致接触孔13的金属材料耗尽，在接触孔13的区域中留下空隙17。因此生成的该空隙17导致熔丝阻抗极大地增加。在图2B中示出了编程后的e-fuse20的最终结构。

因此，以上描述的所谓的纯接触孔熔丝易受到已知的金属回流效应的影响。在先进的工艺中，高的电流密度可能融化顶部导电层11采所用的导电材料，并可能导电层11的导电材料对在熔丝编程工艺期间生成的空隙17进行再填充。这个不希望有的再填充过程可使编程的e-fuse20无效，并引起IC中严重的可靠性问题。当顶部导电层11采用低熔点金属材料，如铜(Cu)或铝(Al)时，这种有害影响更容易发生。

发明内容

本发明优选的实施例提出电致熔丝结构和编程该电致熔丝结构的工艺。