专利名称：金属熔丝结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，特别是涉及一种熔丝(fuse)元件。
背景技术：
在半导体工业中，熔丝元件由于其多种用途而被广泛地使用于集成电路之中。例如，在集成电路中设计多个具有相同功能的电路模块作为备份，当发现其中的一个电路模块有缺陷时，通过熔丝元件将其烧断，而使用具有相同功能的另一个电路模块取代。又如，设计一款通用的集成电路，根据不同用户的需求，将不需要的电路模块通过熔丝元件烧断，这样一款集成电路设计就可以以经济的方式制造并适用于不同客户。金属熔丝(metal fuse)就是一种常用的熔丝元件。传统的金属熔丝结构是用次顶层金属制造，如图1所示。在介质层10之上为次顶层金属11，至少分布在两处一熔丝区A和焊盘区B。位于熔丝区A的次顶层金属Ila之上为一层削薄的层间介质12a。在熔丝区A中，次顶层金属Ila就是金属熔丝结构91，削薄的层间介质12a就是金属熔丝结构91的保护层。位于焊盘区B的次顶层金属Ilb之上为正常的层间介质(ILD) 12，该处层间介质12中具有接触孔电极13a，该处层间介质12之上为焊盘(pad，又称压焊点)14a。焊盘14a是由顶层金属制造得来的。位于焊盘区B的次顶层金属Ilb通过接触孔电极13a连接焊盘14a。整个硅片除熔丝区A和焊盘区B以外区域的最上方还具有一层钝化层15，钝化层15为介质，例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。目前切割金属熔丝大多采用激光，可是熔丝区A的次顶层金属Ila上方的绝缘层(包括层间介质12和钝化层15)太厚，会影响激光切割熔丝过程的对焦。所以必须要对该绝缘层实施减薄，去除熔丝区A的钝化层15，削薄熔丝区A的层间介质12。图1所示的现有的金属熔丝结构91的制造方法包括如下步骤:第I步，请参阅图2a，定义次顶层金属11，并在上面淀积一层介质材料作为层间介质12。所述定义次顶层金属11，就是先淀积一整层的次顶层金属U，然后将部分区域的次顶层金属去除掉(因为不需要)，将其余区域的次顶层金属11保留，至少保留熔丝区A的次顶层金属Ua和焊盘区B的次顶层金属lib。第2步，请参阅图2b，在焊盘区B的层间介质12中刻蚀出通孔21，用于次顶层金属11和顶层金属14的连接。第3步，请参阅图2c，在整个硅片淀积一层金属13，至少保证将通孔21填充满。所述金属13例如为钨。第4步，请参阅图2d，以化学机械研磨(CMP)工艺将所淀积的金属13平坦化，直至研磨到层间介质12的上表面。此时在通孔21中就形成了接触孔电极13a。所述接触孔电极13a例如为钨塞。第5步,请参阅图2e,定义顶层金属14,形成焊盘14a。所述定义次顶层金属14，就是先淀积一整层的顶层金属14，然后将部分区域的顶层金属去除掉(因为不需要)，将其余区域的顶层金属14保留，至少保留焊盘区B的顶层金属14作为焊盘14a。第6步，请参阅图2f，在整个硅片淀积一层介质材料作为钝化层15，用来保护自顶层金属14以下的芯片内部电路。第7步，请参阅图1，将焊盘区B内的钝化层15去除，这样焊盘14a就暴露出来，用于后续引线并封装。还将熔丝区A内的钝化层15和部分层间介质12去除，在熔丝区A内仅保留薄薄的一层层间介质12a，从而形成金属熔丝结构91。上述方法的第7步有两种实施方式。通常焊盘区B的开口工序与焊丝区A的减薄过程同时进行，其难点在于利用一次光刻和刻蚀同时去除熔丝区A和焊盘区B的材料。一方面要保证焊盘区B内的钝化层15去除干净，以使焊盘14a暴露出来。另一方面要保证熔丝区A内的层间介质12不能完全去除，必须保留部分厚度的层间介质12a。因此这一步工艺加工的难度很大。为了降低工艺难度，这一步也可以分为两次光刻和刻蚀，一次专门刻蚀熔丝区A的材料，另一次专门刻蚀焊盘区B的材料，但这需要额外的光刻掩模版，显然增加了工艺时间和工艺成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的金属熔丝结构，可以以简单的工艺予以制造。为此，本发明还提供了所述金属熔丝结构的制造方法。为解决上述技术问题，本发明金属熔丝结构为:在次顶层金属之上为一 U形金属层，该U形金属层的底面与所述次顶层金属相接触；该U形金属层的底面之上为钝化层；所述次顶层金属与U形金属层的底面一起构成金属熔丝结构，所述U形金属层底面之上的钝化层为所述金属熔丝结构的保护层。所述金属熔丝结构的制造方法包括如下步骤:第I步，定义次顶层金属，至少在熔丝区和焊盘区保留次顶层金属，并在整个硅片淀积一层介质材料作为层间介质；第2步，在焊盘区的层间介质中刻蚀出通孔，同时在熔丝区的层间介质中刻蚀出通孔；第3步，在整个硅片淀积一层金属，至少将焊盘区的通孔填充满，同时在熔丝区的通孔的底部和侧壁形成一层金属层；第4步，将所淀积的金属层平坦化，直至研磨到层间介质的上表面；此时在焊盘区的通孔中就形成了接触孔电极，同时在熔丝区的通孔中就形成了 U形金属层，该U形金属层的底部与熔丝区的次顶层金属相接触，该U形金属层的两侧与熔丝区的通孔的两侧壁相接触；熔丝区的次顶层金属和U形金属层的底面就构成了金属熔丝结构；第5步，定义顶层金属，至少保留焊盘区的顶层金属作为焊盘；第6步，在整个硅片淀积一层钝化层，熔丝区中的钝化层形成在所述U形金属层的底面之上和两侧壁之内侧；
此时，所述U形金属层的底面之上的钝化层就构成了金属熔丝结构的保护层；第7步，将焊盘区内的钝化层去除，使焊盘暴露出来。本发明提供了一种利用通孔金属(U形金属层就是通孔填充金属经过平坦化后形成的)和次顶层金属作为金属熔丝的结构，这种结构用钝化层作为熔丝表面的保护层，可以直接用于后续激光切割，与现有金属熔丝结构具有同样效果。但本发明所述金属熔丝结构的制造方法则大为简化，只需在焊盘区刻蚀通孔时同时在熔丝区也刻蚀一个较大开口的通孔，接下来完全兼容于现有工序，淀积通孔填充金属并进行平坦化处理，此时在熔丝区的通孔中就自然形成了由通孔金属和次顶层金属一起构成的金属熔丝结构，最后淀积的钝化层则巧妙地作为该金属熔丝结构的保护层。该方法省略了在熔丝区的次顶层金属上方削薄绝缘层的过程，因而工艺难度和成本均大为降低。
图1是现有的金属熔丝结构；图2a 图2f是现有的金属熔丝结构的制造方法的各步骤剖面图；图3是本发明金属熔丝结构；图4a 图4e是本发明金属熔丝结构的制造方法的各步骤剖面图。图中附图标记说明:10为介质层；11为次顶层金属；lla为位于熔丝区的次顶层金属；llb为位于焊盘区的次顶层金属；12为层间介质；12a为位于熔丝区的较薄的层间介质；13为通孔填充金属；13a为接触孔电极；13b为通孔填充金属形成的U形金属层；14为顶层金属；14a为焊盘；15为钝化层；21为焊盘区通孔；22为熔丝区通孔；91为现有的金属熔丝结构；92为本发明金属熔丝结构；A为熔丝区；B为焊盘区。
具体实施例方式请参阅图3，本发明在介质层10之上为次顶层金属11，至少分布在两处一熔丝区A和焊盘区B。位于熔丝区A的次顶层金属Ila之上为一层U形的金属层13b，该U形金属层13b的底面与次顶层金属Ila相接触。这样熔丝区A的次顶层金属Ila和U形金属层13b的底面就构成了本发明金属熔丝结构92。位于焊盘区B的次顶层金属Ilb之上为层间介质(ILD) 12，该处层间介质12中具有接触孔电极13a，该处层间介质12之上为焊盘14a。焊盘14a是由顶层金属制造得来的。位于焊盘区B的次顶层金属Ilb通过接触孔电极13a连接焊盘14a。整个硅片除焊盘区B以外区域的最上方还具有一层钝化层15。这样熔丝区A中，位于U形金属层13b的底面之上的钝化层15就作为本发明金属熔丝结构92的保护层。本发明金属熔丝结构的制造方法包括如下步骤:第I步，请参阅图2a，定义次顶层金属11，并在上面淀积一层介质材料作为层间介质12。所述定义次顶层金属11，就是先淀积一整层的次顶层金属U，然后将部分区域的次顶层金属去除掉(因为不需要)，将其余区域的次顶层金属11保留，至少保留熔丝区A的次顶层金属Ua和焊盘区B的次顶层金属lib。
第2步，请参阅图4a，在焊盘区B的层间介质12中刻蚀出通孔21，用于次顶层金属Ila和顶层金属14a的连接。通孔21的底部为焊盘区B的次顶层金属lib。同时在熔丝区A的层间介质中刻蚀出通孔22，用于制造金属熔丝结构92。通孔22的底部为熔丝区A的次顶层金属11a。优选地，通孔22的宽度在5μπι以上。第3步,请参阅图4b,在整个娃片淀积一层金属13,至少保证将通孔21填充满。由于通孔22的尺寸较大，因此只在通孔22的底部和侧壁淀积有一层金属层13。所述金属13例如为钨。第4步，请参阅图4c，以化学机械研磨CMP工艺将所淀积的金属13平坦化，直至研磨到层间介质12的上表面。此时在通孔21中就形成了接触孔电极13a。所述接触孔电极13a例如为钨塞。同时在通孔22中就形成了 U形金属层13b，其底部与熔丝区A的次顶层金属Ua相接触，其两侧与通孔22的侧壁相接触。此时，熔丝区A的次顶层金属Ila和U形金属层13b的底面就构成了本发明金属熔丝结构92。第5步,请参阅图4d,定义顶层金属14,形成焊盘14a。所述定义次顶层金属14，就是先淀积一整层的顶层金属14，然后将部分区域的顶层金属去除掉(因为不需要)，将其余区域的顶层金属14保留，至少保留焊盘区B的顶层金属14作为焊盘14a。第6步，请参阅图4e，在整个硅片淀积一层钝化层15，用来保护自顶层金属14以下的芯片内部电路。由于通孔22的尺寸较大，因此熔丝区A中的钝化层15形成在U形金属层13的底面之上和两侧壁之内，即熔丝区A的钝化层15也形成了一个U形结构，其三面都与U形金属层13相接触。此时，在U形金属层13的底面之上的钝化层15就作为本发明金属熔丝结构92的保护层。 第7步，请参阅图3，将焊盘区B内的钝化层15去除，这样焊盘14a就暴露出来，用于后续引线并封装。与现有金属熔丝结构的制造方法第7步相比，本发明金属熔丝结构的制造方法第7步中只具有焊盘区B的开口工序，而取消了焊丝区A的减薄过程，因而工艺加工的难度很小，而且成本相对较低。以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种金属熔丝结构，其特征是，在次顶层金属之上为一 U形金属层，该U形金属层的底面与所述次顶层金属相接触；该U形金属层的底面之上为钝化层；所述次顶层金属与U形金属层的底面一起构成金属熔丝结构，所述U形金属层底面之上的钝化层为所述金属熔丝结构的保护层。
2.根据权利要求1所述的金属熔丝结构，其特征是，所述U形金属层之上的钝化层也呈U形，与所述U形金属层的底面和两侧面相接触。
3.按权利要求1所述的金属熔丝结构的制造方法，其特征是，包括如下步骤: 第I步，定义次顶层金属，至少在熔丝区和焊盘区保留次顶层金属，并在整个硅片淀积一层介质材料作为层间介质； 第2步，在焊盘区的层间介质中刻蚀出通孔，同时在熔丝区的层间介质中刻蚀出通孔；第3步，在整个硅片淀积一层金属，至少将焊盘区的通孔填充满，同时在熔丝区的通孔的底部和侧壁形成一层金属层； 第4步，将所淀积的金属层平坦化，直至研磨到层间介质的上表面； 此时在焊盘区的通孔中就形成了接触孔电极，同时在熔丝区的通孔中就形成了 U形金属层，该U形金属层的底部与熔丝区的次顶层金属相接触，该U形金属层的两侧与熔丝区的通孔的两侧壁相接触；熔丝区的次顶层金属和U形金属层的底面就构成了金属熔丝结构；第5步，定义顶层金属，至少保留焊盘区的顶层金属作为焊盘； 第6步，在整个硅片淀积一层钝化层，熔丝区中的钝化层形成在所述U形金属层的底面之上和两侧壁之内侧； 此时，所述U形金属层的底面之上的钝化层就构成了金属熔丝结构的保护层； 第7步，将焊盘区内的钝化层去除，使焊盘暴露出来。
4.述的金属熔丝结构的制造方法，其特征是，所述方法第2步中，焊盘区中的通孔底部为次顶层金属，熔丝区中的通孔底部也为次顶层金属。
5.述的金属熔丝结构的制造方法，其特征是，所述方法第2步中，熔丝区中的通孔宽度在5μπι以上。
全文摘要
本发明公开了一种金属熔丝结构，在次顶层金属之上为一U形金属层，该U形金属层的底面与所述次顶层金属相接触；该U形金属层的底面之上为钝化层；所述次顶层金属与U形金属层的底面一起构成金属熔丝结构，所述U形金属层底面之上的钝化层为所述金属熔丝结构的保护层。本发明还公开了所述金属熔丝结构的制造方法，只需在焊盘区刻蚀通孔时同时在熔丝区也刻蚀一个较大开口的通孔，接下来完全兼容于现有工序。该方法省略了在熔丝区的次顶层金属上方削薄绝缘层的过程，因而工艺难度和成本均大为降低。
文档编号H01L21/768GK103094248SQ201110346468
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者李亮 申请人:上海华虹Nec电子有限公司