本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种熔丝结构电路及其形成方法。
背景技术：
在半导体工业中，熔丝元件由于具有多种用途而被广泛使用在集成电路中。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，当发现其中一个电路模块失效时，通过熔丝元件将电路模块和集成电路中的其它功能电路烧断，而使用具有相同功能的另一个电路模块取代失效的电路模块。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，这样一款集成电路就可以以经济的方式制造并适用于不同客户。
金属熔丝(metalfuse)是一种重要的熔丝元件。
随着集成电路的集成度不断减小，金属熔丝的性能难以满足要求。
技术实现要素：
本发明解决的问题是提供一种熔丝结构电路及其形成方法，以提高熔丝结构电路的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种熔丝结构电路的形成方法，包括：提供基底，所述基底包括熔丝区和控制区；在所述基底熔丝区和控制区上分别形成金属层，控制区金属层用于和熔丝区金属层电学连接；在所述熔丝区金属层的顶部表面形成第一覆盖层，第一覆盖层的材料和熔丝区金属层的材料具有第一结合能；在所述控制区金属层的顶部表面形成第二覆盖层，第二覆盖层的材料和控制区金属层的材料具有第二结合能，第一结合能小于第二结合能。
可选的，所述第一覆盖层的材料包括掺碳的氮化硅；所述第二覆盖层的材料为co或cowp。
可选的，所述金属层的材料包括铜。
可选的，在形成所述第一覆盖层和第二覆盖层之前，还包括：在所述基底熔丝区和控制区上形成第一层间介质层；在所述熔丝区第一层间介质层中和控制区第一层间介质层中分别形成所述金属层，所述第一层间介质层暴露出金属层的顶部表面。
可选的，形成所述第一覆盖层之后，形成所述第二覆盖层。
可选的，形成所述第二覆盖层后，形成所述第一覆盖层。
可选的，形成所述第二覆盖层的方法包括：在所述熔丝区金属层、控制区金属层和第一层间介质层的表面形成第二覆盖材料层；在所述第二覆盖材料层上形成图形化的掩膜层，所述图形化的掩膜层覆盖控制区的第二覆盖材料层且暴露出熔丝区的第二覆盖材料层；以所述图形化的掩膜层为掩膜刻蚀第二覆盖材料层直至暴露出熔丝区金属层，形成第二覆盖层；以所述图形化的掩膜层为掩膜刻蚀第二覆盖材料层后，去除所述图形化的掩膜层。
可选的，刻蚀第二覆盖材料层的工艺还刻蚀了部分熔丝区金属层。
可选的，还包括：在所述第一覆盖层、第二覆盖层和第一层间介质层上形成第二层间介质层；在第二覆盖层上的第二层间介质层中形成通孔，所述通孔暴露出第二覆盖层表面；在所述通孔中形成导电插塞。
可选的，还包括：在形成所述第二层间介质层之前，在所述第二覆盖层的表面形成刻蚀阻挡层；形成所述第二层间介质层后，第二层间介质层还位于刻蚀阻挡层上；所述通孔还贯穿所述刻蚀阻挡层。
可选的，所述刻蚀阻挡层还位于第一覆盖层和第二层间介质层之间、以及第一层间介质层和第二层间介质层之间。
可选的，所述刻蚀阻挡层的材料为氮化铝或氮化硅。
可选的，还包括：在所述基底控制区上形成若干晶体管，至少部分晶体管并联连接，所述若干晶体管通过控制区金属层和熔丝区金属层电学连接，所述若干晶体管用于给熔丝区金属层提供熔断电流而使熔丝区金属层熔断。
本发明还提供一种熔丝结构电路，包括：基底，所述基底包括熔丝区和控制区；分别位于基底熔丝区和控制区上的金属层，控制区金属层用于和熔丝区金属层电学连接；位于熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层，第一覆盖层的材料和熔丝区金属层的材料具有第一结合能；位于控制区金属层顶部表面的第二覆盖层，所述第二覆盖层的材料和控制区金属层的材料具有第二结合能，第一结合能小于第二结合能。
可选的，所述第一覆盖层的材料包括掺碳的氮化硅；所述第二覆盖层的材料为co或cowp。
可选的，所述金属层的材料包括铜。
可选的，还包括：位于所述基底熔丝区和控制区上的第一层间介质层；所述金属层分别位于所述熔丝区第一层间介质层中和控制区第一层间介质层中。
可选的，还包括：位于所述第一覆盖层、第二覆盖层和第一层间介质层上的第二层间介质层；位于第二覆盖层上且贯穿第二层间介质层的导电插塞。
可选的，还包括：位于所述第二覆盖层表面的刻蚀阻挡层，且所述刻蚀阻挡层位于第二覆盖层和第二层间介质层之间；所述导电插塞还贯穿所述刻蚀阻挡层。
可选的，还包括：位于所述基底控制区上的若干晶体管，至少部分晶体管并联连接，所述若干晶体管通过控制区金属层和熔丝区金属层电学连接，所述若干晶体管用于给熔丝区金属层提供熔断电流而使熔丝区金属层熔断。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案提供的熔丝结构电路的形成方法中，在所述熔丝区金属层的顶部表面形成第一覆盖层，所述第一覆盖层用于阻挡熔丝区金属层扩散。在所述控制区金属层的顶部表面形成第二覆盖层，所述第二覆盖层用于阻挡控制区金属层扩散。第一覆盖层的材料和熔丝区金属层的材料具有第一结合能第二覆盖层的材料和控制区金属层的材料具有第二结合能。由于第一结合能小于第二结合能，因此第一覆盖层抑制熔丝区金属层扩散的能力弱于第二覆盖层抑制控制区金属层扩散的能力，使所述熔丝区金属层的电迁移能力相对于控制区金属层的电迁移能力较强。相应的，在电场的作用下，熔丝区金属层沿第一覆盖层和熔丝区金属层之间界面相对于控制区金属层沿第二覆盖层和控制区金属层之间界面容易迁移，熔丝区金属层容易熔断。进而降低了熔丝区金属层的熔断电流，从而提高了熔丝结构电路的性能。
进一步，还在所述基底控制区上形成若干晶体管，至少部分晶体管并联连接，所述若干晶体管通过控制区金属层和熔丝区金属层电学连接，所述若干晶体管用于给熔丝区金属层提供熔断电流而使熔丝区金属层熔断。由于熔丝区金属层容易熔断，因此需要若干晶体管提供给熔丝区金属层的熔断电流相应得到减小。那么晶体管的数量能够减小，晶体管占据熔丝结构电路的面积减小，从而使得熔丝结构电路的集成度提高。
本发明技术方案提供的熔丝结构电路中，由于第一结合能小于第二结合能，因此第一覆盖层抑制熔丝区金属层扩散的能力弱于第二覆盖层抑制控制区金属层扩散的能力，使所述熔丝区金属层的电迁移能力相对于控制区金属层的电迁移能力较强。相应的，在电场的作用下，熔丝区金属层沿第一覆盖层和熔丝区金属层之间界面相对于控制区金属层沿第二覆盖层和控制区金属层之间界面容易迁移，熔丝区金属层容易熔断。进而降低了熔丝区金属层的熔断电流，从而提高了熔丝结构电路的性能。
附图说明
图1是一种熔丝结构电路的结构示意图；
图2至图8是本发明一实施例中熔丝结构电路形成过程的结构示意图；
图9为根据实验得到的累积失效率和失效时间的曲线图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术中形成的熔丝结构电路的性能难以满足要求。
图1是一种熔丝结构电路的结构示意图，熔丝结构电路包括：基底100，所述基底100包括熔丝区a和控制区b；位于基底100上的第一层间介质层110；位于熔丝区a第一层间介质层110中、以及控制区b第一层间介质层110中的金属层120；位于金属层120顶部表面的覆盖层130；位于覆盖层130上的第二层间介质层140。
然而，上述熔丝结构电路的性能较差，经研究发现，原因在于：
熔丝结构电路用于嵌入集成电路中。熔丝结构电路中具有若干晶体管，至少部分晶体管并联连接，所述若干晶体管通过控制区b金属层120和熔丝区a金属层120电学连接，所述若干晶体管用于给熔丝区a金属层120提供熔断电流而使熔丝区a金属层120熔断。为使熔丝区a金属层120熔断，熔丝结构电路中通常需要具有足够多数量的晶体管，以向熔丝区a金属层120提供足够大的熔断电流，从而使熔丝结构电路中的晶体管占据熔丝结构电路的面积较大。随着集成电路的集成度不断提高，现有的熔丝结构电路的集成度不能满足嵌入集成电路的要求。
在此基础上，本发明提供一种熔丝结构电路的形成方法，包括：提供基底，所述基底包括熔丝区和控制区；在所述基底熔丝区和控制区上分别形成金属层，控制区金属层用于和熔丝区金属层电学连接；在所述熔丝区金属层的顶部表面形成第一覆盖层，第一覆盖层的材料和熔丝区金属层的材料具有第一结合能；在所述控制区金属层的顶部表面形成第二覆盖层，第二覆盖层的材料和控制区金属层的材料具有第二结合能，第一结合能小于第二结合能。
所述方法中，由于第一结合能小于第二结合能，因此第一覆盖层抑制熔丝区金属层扩散的能力弱于第二覆盖层抑制控制区金属层扩散的能力，使所述熔丝区金属层的电迁移能力相对于控制区金属层的电迁移能力较强。相应的，在电场的作用下，熔丝区金属层沿第一覆盖层和熔丝区金属层之间界面相对于控制区金属层沿第二覆盖层和控制区金属层之间界面容易迁移，熔丝区金属层容易熔断。进而降低了熔丝区金属层的熔断电流，从而提高了熔丝结构电路的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2至图8是本发明一实施例中熔丝结构电路形成过程的结构示意图。
参考图2，提供基底200，所述基底200包括熔丝区ⅰ和控制区ⅱ。
所述基底200为体硅衬底、体锗衬底、玻璃衬底、绝缘体上硅衬底或绝缘体上锗衬底。本实施例中，所述基底200为体硅衬底。
参考图3，在所述基底200熔丝区ⅰ和控制区ⅱ上分别形成金属层220，控制区ⅱ金属层220用于和熔丝区ⅰ金属层220电学连接。
本实施例中，在后续形成第一覆盖层和第二覆盖层之前，还包括：在所述基底200熔丝区ⅰ和控制区ⅱ上形成第一层间介质层210；在所述熔丝区ⅰ第一层间介质层210中和控制区ⅱ第一层间介质层210中分别形成金属层220，所述第一层间介质层210暴露出金属层220的顶部表面。
具体的，在所述熔丝区ⅰ第一层间介质层210中和控制区ⅱ第一层间介质层210中分别形成开口；在所述开口中形成金属层220。
第一层间介质层210的材料为氧化硅或低k介质材料。所述低k介质材料为具有空气隙的氧化硅、氟氧化硅、碳氧化硅、聚氢硅氧烷(hydrogensilsequioxane，hsq)或聚甲基硅氧烷(methysilsesquioxane，msq)。本实施例中，所述层间介质层210的材料为氧化硅。
本实施例中，金属层220的材料包括铜。
所述金属层220为金属互联层。
本实施例中，还在基底200控制区ⅱ上形成若干晶体管，至少部分晶体管并联连接，所述若干晶体管通过控制区ⅱ金属层220和熔丝区ⅰ金属层220电学连接，所述若干晶体管用于给熔丝区ⅰ金属层220提供熔断电流而使熔丝区ⅰ金属层220熔断。
本实施例中，在形成所述第一层间介质层210和金属层220之前形成所述若干晶体管。形成第一层间介质层210和金属层220后，第一层间介质层210和金属层220位于所述若干晶体管上。
接着，在所述熔丝区ⅰ金属层220的顶部表面形成第一覆盖层，第一覆盖层的材料和熔丝区ⅰ金属层220的材料具有第一结合能；在所述控制区ⅱ金属层220的顶部表面形成第二覆盖层，所述第二覆盖层的材料和控制区ⅱ金属层220的材料具有第二结合能，第一结合能小于第二结合能。
形成所述第一覆盖层之后，形成所述第二覆盖层。或者，形成所述第二覆盖层后，形成所述第一覆盖层。
本实施例中，以形成所述第二覆盖层后，形成所述第一覆盖层为示例进行说明。
下面参考图4至图6介绍形成第二覆盖层的方法。
参考图4，在所述熔丝区ⅰ金属层220、控制区ⅱ金属层230和第一层间介质层210的表面形成第二覆盖材料层240；在所述第二覆盖材料层240上形成图形化的掩膜层250，所述图形化的掩膜层250覆盖控制区ⅱ的第二覆盖材料层240且暴露出熔丝区ⅰ的第二覆盖材料层240。
所述第二覆盖材料层240的材料为co或cowp。相应的，第二覆盖层的材料为co或cowp。
形成所述第二覆盖材料层240的工艺为沉积工艺，如等离子体化学气相沉积工艺、原子层沉积工艺、低压化学气相沉积工艺或者亚大气压化学气相沉积工艺。
所述图形化的掩膜层250的材料包括光刻胶。
本实施例中，仅控制区ⅱ金属层220上具有掩膜层250。在其它实施例中，所述图形化的掩膜层全部覆盖控制区的第二覆盖材料层，且暴露出熔丝区的第二覆盖材料层。
参考图5，以所述图形化的掩膜层250为掩膜刻蚀第二覆盖材料层240直至暴露出熔丝区ⅰ金属层220，形成第二覆盖层241。
所述第二覆盖层241的材料和控制区ⅱ金属层220的材料具有第二结合能。
以所述图形化的掩膜层250为掩膜刻蚀第二覆盖材料层240的工艺包括各向异性干刻工艺。
所述第二覆盖层241的材料为co或cowp。
所述第二覆盖层241用于阻挡控制区ⅱ金属层220扩散，进而避免控制区ⅱ金属层220对第二覆盖层241上的器件的电学性能造成影响。
在一个实施例中，所述第二覆盖层241的厚度为15nm～40nm。选择此范围的意义在于：若所述第二覆盖层241的厚度小于15nm，导致第二覆盖层241阻挡控制区ⅱ金属层220向上扩散的能力较弱；若所述第二覆盖层241的厚度大于40nm，导致工艺浪费。
本实施例中，在以所述图形化的掩膜层250为掩膜刻蚀第二覆盖材料层240的过程中，刻蚀第二覆盖材料层240的工艺还刻蚀了部分熔丝区ⅰ金属层220。因此，容易在熔丝区ⅰ金属层220的表面形成缺陷点，基于具有所述缺陷点的熔丝区ⅰ金属层220的电迁移能力能够增强，因此，缺陷点附近的熔丝区ⅰ金属层220容易熔断。
参考图6，以所述图形化的掩膜层250(参考图5)为掩膜刻蚀第二覆盖材料层240后，去除所述图形化的掩膜层250。
参考图7，在所述熔丝区ⅰ金属层220的顶部表面形成第一覆盖层260，所述第一覆盖层260的材料和熔丝区ⅰ金属层220的材料具有第二结合能，第一结合能小于第二结合能。
所述第一覆盖层260的材料包括掺碳的氮化硅。
形成第一覆盖层260的方法包括：在所述熔丝区ⅰ金属层220顶部表面、控制区ⅱ金属层220上、以及第一层间介质层210上形成第一覆盖材料层(未图示)；去除控制区ⅱ的第一覆盖材料层，形成第一覆盖层260。
所述第一覆盖层260用于阻挡熔丝区ⅰ金属层220扩散，进而避免熔丝区ⅰ金属层220对第一覆盖层260上的器件的电学性能造成影响。
在一个实施例中，所述第一覆盖层260的厚度为15nm～40nm。选择此范围的意义在于：若所述第一覆盖层260的厚度小于15nm，导致第一覆盖层260阻挡熔丝区ⅰ金属层220向上扩散的能力较弱；若所述第一覆盖层260的厚度大于40nm，导致工艺浪费。
本实施例中，由于第一结合能小于第二结合能，因此第一覆盖层260抑制熔丝区ⅰ金属层220扩散的能力弱于第二覆盖层241抑制控制区ⅱ金属层扩散的能力，使熔丝区ⅰ金属层220的电迁移能力相对于控制区ⅱ金属层220的电迁移能力较强。相应的，在电场的作用下，熔丝区ⅰ金属层220沿第一覆盖层260和熔丝区ⅰ金属层220之间界面相对于控制区ⅱ金属层220沿第二覆盖层241和控制区ⅱ金属层220之间界面容易扩散，熔丝区ⅰ金属层220容易熔断。进而降低了熔丝区ⅰ金属层220的熔断电流。从而提高了熔丝结构电路的性能。
进一步，由于熔丝区ⅰ金属层220容易熔断，因此需要若干晶体管提供给熔丝区ⅰ金属层220的熔断电流相应得到减小。那么晶体管的数量能够减小，晶体管占据熔丝结构电路的面积减小，从而使得熔丝结构电路的集成度提高。
参考图8，在所述第一覆盖层260、第二覆盖层241和第一层间介质层210上形成第二层间介质层280。
第二层间介质层280的材料参照第一层间介质层210的材料。
本实施例中，在形成所述第二层间介质层280之前，还在所述第二覆盖层241的表面形成刻蚀阻挡层270；形成所述第二层间介质层280后，第二层间介质层280还位于刻蚀阻挡层270上。
在其它实施例中，可以不形成刻蚀阻挡层。
本实施例中，所述刻蚀阻挡层270还位于第一覆盖层260和第二层间介质层280之间、以及第一层间介质层210和第二层间介质层280之间。
本实施例中，形成所述刻蚀阻挡层270的工艺为沉积工艺。
所述刻蚀阻挡层270的材料为氮化铝或氮化硅。
本实施例中，还包括：在第二覆盖层241上的第二层间介质层280中形成通孔(通孔)，所述通孔暴露出第二覆盖层241表面；在所述通孔中形成导电插塞。
本实施例中，形成了刻蚀阻挡层270，所述通孔还贯穿所述刻蚀阻挡层270。
在形成所述通孔的过程中，所述刻蚀阻挡层270能够减小对控制区ⅱ金属层220的损伤。
相应的，本实施例还提供采用上述方法形成的熔丝结构电路，请继续参考图8，包括：基底200，所述基底200包括熔丝区ⅰ和控制区ⅱ；分别位于基底200熔丝区ⅰ和控制区ⅱ上的金属层220，控制区ⅱ金属层220用于和熔丝区ⅰ金属层220电学连接；位于熔丝区ⅰ金属层220顶部表面的第一覆盖层260，第一覆盖层260的材料和熔丝区ⅰ金属层220的材料具有第一结合能；位于控制区ⅱ金属层220顶部表面的第二覆盖层241，所述第二覆盖层241的材料和控制区ⅱ金属层220的材料具有第二结合能，第一结合能小于第二结合能。
所述第一覆盖层260的材料包括掺碳的氮化硅；所述第二覆盖层241的材料为co或cowp。
所述金属层220的材料包括铜。
所述熔丝结构电路还包括：位于所述基底200熔丝区ⅰ和控制区ⅱ上的第一层间介质层210；所述金属层220分别位于所述熔丝区ⅰ第一层间介质层210中和控制区ⅱ第一层间介质层210中。
所述熔丝结构电路还包括：位于所述第一覆盖层260、第二覆盖层241和第一层间介质层210上的第二层间介质层280；位于第二覆盖层241上且贯穿所述第二层间介质层280中的导电插塞。
所述熔丝结构电路还包括：位于所述第二覆盖层241表面的刻蚀阻挡层270，且所述刻蚀阻挡层270位于第二覆盖层241和第二层间介质层280之间；所述导电插塞还贯穿所述刻蚀阻挡层270。
所述刻蚀阻挡层270的材料为氮化铝或氮化硅。
所述熔丝结构电路还包括：位于所述基底200控制区ⅱ上的若干晶体管，至少部分晶体管并联连接，所述若干晶体管通过控制区ⅱ金属层220和熔丝区ⅰ金属层220电学连接，所述若干晶体管用于给熔丝区ⅰ金属层220提供熔断电流而使熔丝区ⅰ金属层220熔断。
根据电迁移失效时间的black方程ttf＝a*j-n*exp(ea/kt)，有：ttf＝b*j-n)，其中，b＝a*exp(ea/kt)。在black方程中，ttf为熔丝区金属层的失效时间，a为由熔丝区金属层本身特性、以及与熔丝区金属相接触的材料层的特性决定的材料系数，j为熔丝区金属层中的电流密度，n为电流密度指数，ea为熔丝区金属层的激活能，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度；当电流密度较大时，n取2，当电流密度较小时，n取1。
下面结合black方程分析jwithoutco-cap和jwithco-cap的区别。jwithoutco-cap为当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为掺碳的氮化硅时对应的熔丝区金属层中的电流密度，jwithco-cap为假设当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为co时对应的熔丝区金属层中的电流密度jwithco-cap。
相应的，针对上述两种情况，分别有：
ttfwithoutco-cap＝bwithoutco-cap*(jwithoutco-cap)-n(eq1)
ttfwithco-cap＝bwithco-cap*(jwithco-cap)-n(eq2)
其中，bwithoutco-cap＝awithoutco-cap*exp(ea/kt)，bwithco-cap＝awithco-cap*exp(ea/kt)。
其中，ttfwithoutco-cap为当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为掺碳的氮化硅时，熔丝区金属层的失效时间；ttfwithco-cap为假设当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为co时，熔丝区金属层的失效时间，awithoutco-cap为当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为掺碳的氮化硅时的材料系数，awithco-cap为假设当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为co时的材料系数。
根据实验数据，得到图9的示意图，图9分别示出了当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为掺碳的氮化硅时对应的累积失效率和失效时间的曲线s1，且示出了假设当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为co时对应的累积失效率和失效时间的曲线s2。在图9中，横坐标表示失效时间，纵坐标表示累积失效率。
当jwithoutco-cap＝jwithco-cap时，根据(eq1)和(eq2)有：
相应的，当jwithoutco-cap＝jwithco-cap时，图9中曲线s1和曲线s2的纵坐标相同，取曲线s1和曲线s2的纵坐标的数值为40％进行说明。当曲线s1和曲线s2的纵坐标的数值为40％时，得到对应的曲线s1的横坐标值和曲线s2的横坐标值，然后，根据得到的曲线s1的横坐标值和曲线s2的横坐标值得到曲线s1的横坐标值与曲线s2的横坐标值的比值为1/6。
根据上述数据，得到
在实际情况下，熔丝区金属层需要具有相对稳定的失效时间。设置：当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为掺碳的氮化硅时的失效时间等于假设当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为co时的失效时间。
令ttfwithoutco-cap＝ttfwithco-cap，根据(eq1)、(eq2)以及(eq4)得到：
令n＝2，根据(eq5)得到：
由此可见，在保证熔丝区金属层具有稳定的失效时间的情况下，熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料对熔丝区金属层中的电流密度具有重要影响。具体的，相应于假设当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为co时金属层中的电流密度，当熔丝区金属层顶部表面的第一覆盖层的材料为掺碳的氮化硅时金属层中的电流密度有效的降低。相应的，能够使得熔丝结构电路中晶体管的数量有效得到减少。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。