专利名称：电子熔丝结构的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种微电子元件，特别是有关于一种利用电迁移
(electro-migration)才莫式的电子熔丝(electrical fuse, e-fuse)结构。本发明的 电子熔丝结构可应用于采用90纳米或更小尺寸技术的半导体集成电路中，提升 了成品率(yield)及可靠性。
背景技术：
随着超大规模集成电路(Very Large Scale Integration, VLSI)的特征尺寸持 续压缩，维持好的成品率变得越来越困难。这就使得实现具有内建预留空间 (built-in redundancy)的逻辑电路比以往更加重要，内建预留空间允许在一个电 路元件出现故障时，通过切换到一个后备元件来补救。这种出于补救目的的电 路切换通常由熔丝(fose)来实现，对此已开发出多种不同的方法，包括利用外部 激光烧毁金属丝(wire)的激光熔融法(laser fUsing)以及利用电流熔断熔丝材料 的电子熔融法。
激光熔丝的一个问题在于，其尺寸并不会随着微芯片配线与元件的变小而 缩小。这是因为熔丝的尺寸与用来切断熔丝的光波长及光的分辨率极限 (resolution limit)相关，上述光波长与分辨率极限是在新的芯片上构成晶体管时的 光波长与分辨率极限的数倍。
由于电子熔丝(electrical fuse)的解决方案仅涉及少数几个配置局限 (positioningrestraint),且不需要<壬-河特定装置来实现熔断，因而这种方案尤其 广泛应用于互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)制作过程中。 一般来说，电子熔丝由覆盖有一层薄的钴 硅化物或镍硅化物的极小条的多晶硅组成，与构成晶体管栅极的材料相同。熔 丝通过一种称为电迁移(electro-migration)的效应而断开，电迁移过程中电流 将小金属丝中的原子推离原来的位置。
图1是现有的电子熔丝布局的示意图。如图1所示，电子熔丝1具有三个块，包括阴极块12、阳极块14以及将阴极块12与阳极块14相连接的熔丝链接 16。阴极块12、阳极块14以及熔丝链接16是同时设定且由多晶硅层与硅化物 层组成。阴极块12上直接设有多个阴极接触插塞(contactplug) 22。阳极块14 上直接设有多个阳极接触插塞24。
一般地，阴极块12具有比阳极块14更大的表面积。此外，为了达到更好 的储备效果，阴极块12上的第一行阴极接触插塞22与熔丝链接16之间的间距 Ll远大于阳极块14上的第一行阳极接触插塞24与熔丝链接16之间的间距L2。 依据现有技术，在阴极块12的转换区域(transition region) 26上不设置接触插 塞，其中转换区域26位于第一行阴极接触插塞22与熔丝链接16之间。通常情 况下，间距L1约为阴极接触插塞22的尺寸的5 10倍。 一般认为，在硅化物层 电迁移过程中，转换区域26可提供足够的硅化物来源。
熔丝中的多晶硅在室温下为弱导体。而钴硅化物或镍硅化物则为良导体， 因此施加于多晶硅-硅化物条的大部分电子流(如箭头28所指示的方向)会通过 硅化物。当达到足够高的电流时，会发生电迁移，硅化物中的原子开始随电流 中的电子由阴极块12向阳极块14漂移，最终在材料上形成一个能隙(gap)。
同时，流过熔丝的电流的高密度^f吏熔丝变热。 一旦熔丝变热，硅化物中的 电迁移增强，下面的多晶硅的导电性也随之变好而允许电流通过。因此，即使 在硅化物上形成中断之后，电迁移仍在继续。电流移动一^a时间后，电子熔丝l 冷却下来，多晶硅再次成为弱导体，而且电子熔丝1永远处于断开状态。
然而，当上述现有技术中的电子熔丝l应用于高级制作工艺(如90纳米或 更小线宽)时，其成品率与可靠性均会劣化。因此，需要提供一种改善的电子 熔丝结构，以用于半导体集成电^^。
发明内容
本发明的目的之一在于为应用于半导体集成电路中的多晶金属硅化 (polycide)的电子熔丝(electrical fuse)结构提供改善的成品率(yield)与可 靠性，以解决现有技术中成品率与可靠性劣化的技术问题，其中半导体集成电 路采用90纳米或更小尺寸技术。
本发明的实施例提供一种电子熔丝结构，包含有阴极块；位于阴极块上 的多个阴极接触插塞(contactplug);阳极块；位于阳极块上的多个阳极接触插 塞；以及熔丝链接，用于将阴极块与阳极块相连接，其中多个阴极接触插塞的前一行设置于靠近熔丝链接的位置，以使得阴极块与熔丝链接之间的界面上形 成高热量梯度。
本发明的另一实施例提供一种电子熔丝结构，包含有阴极块；位于阴极 块上的多个阴极接触插塞；阳极块；位于阳极块上的多个阳极接触插塞；熔丝 链接，用于将阴极块与阳极块相连接；以及散热器(heatsink)结构，设置于阴 极块上，且位于多个阴极接触插塞与熔丝链接之间。
本发明的电子熔丝结构与现有技术相比较，其有益效果包括通过将阴极 接触插塞设置于靠近熔丝链接的位置，以在阴极块与熔丝链接之间的界面上形 成高的热量梯度，从而改善了成品率与可靠性。
图l是现有的电子熔丝布局的示意图。 图2是依据本发明第一实施例的电子熔丝结构的透一见图。 图3是本发明第一实施例的实验结果与成品率的示意图。 图4是依据本发明第二实施例的电子熔丝结构的透视图。 图5是本发明第二实施例的实验结果与成品率的示意图。
具体实施例方式
在本说明书以及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件，本领域 的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件，本 说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能 上的差异作为区分的准则，在通篇说明书及权利要求书当中所提及的"包含有" 是开放式的用语，故应解释成"包含有但不限定于"。
阅读了下文对于附图所示实施例的详细描述之后，本发明对所属技术领域 的技术人员而言将显而易见。
本发明是关于多晶硅-硅化物电子熔丝(electrical fiise )，以下称为多晶金属 石圭化(polycide)的电子熔丝，这种熔丝是利用电迁移(electro-migration)效应 而使其断开。本发明的多晶金属硅化的电子熔丝结构可满足90纳米及更小尺寸 技术级别的需求，并且在程序化或熔断电子熔丝时，可提升成品率(yield)与 可靠性。此处所描述的多晶金属硅化的电子熔丝是由设置于多晶硅支撑结构上 的硅化物构成。请参考图2,图2是依据本发明第一实施例的多晶金属硅化的电子熔丝结构 的透视图。如图2所示，多晶金属硅化的电子熔丝结构IO形成于绝缘层102上。 绝缘层102包含氧化物层，如硅氧化物介电层或浅沟槽隔离的沟槽填充层 (shallow trench isolation trench fill layer),其中浅沟槽隔离的沟槽填充层可以是 氧化物填充层。绝缘层102形成于半导体衬底100上，举例来说，半导体衬底 IOO可为硅衬底或绝缘层上覆硅(Silicon-On-Insulator, SOI)衬底。然而，在某 些情形中，多晶金属硅化的电子熔丝结构IO可依据集成电路的设计需要而形成 于氧化物定义(Oxide-Defined, OD )区域或主动区域。
依据本发明的第一实施例，多晶金属硅化的电子熔丝结构10是一种双层合 成结构，由多晶硅层104与硅化物层106组成。硅化物层106以层状覆盖于多 晶硅层104的上方。硅化物层106包括镍硅化物、钴硅化物以及钬硅化物，但 不限定于此。本领域技术人员当可理解，至少一层间绝缘层(如硅氧化物或硅 氮化物)设置于半导体衬底100的上方，以覆盖多晶金属硅化的电子熔丝结构 10,为简洁起见，上述层间绝缘层未显示于图中。
多晶金属硅化的电子熔丝结构10包含三个块，包括阴极块112、阳极块114 及用于将阴极块112与阳极块114相连接的熔丝链接116。依据本发明的实施例， 多晶金属硅化的电子熔丝结构10为哑铃状(dumbbell shaped)。优选地，阴极块 112具有与阳极块114大致相同的表面积。阴极块112上直接设有多个阴极接触 插塞(contact plug) 122a与122b。阳极块114上直接设有多个阳极接触插塞124。
当施加电位(potential)于多晶金属硅化的电子熔丝结构10时，如图2中 箭头128所示，电子流通过熔丝链接116从阴极块112流向阳极块114。所述电 位由第一金属线与第二金属线提供(未显示于图中)，其中第一金属线设于多个 阴极接触插塞122a及122b的上方且与多个阴极接触插塞122a及122b相连接， 第二金属线设于多个阳极接触插塞124的上方且与多个阳极接触插塞124相连 接。通过多晶金属硅化的电子熔丝结构10的电流的高密度使得熔丝变热，从而 在阴极块112与熔丝链接116之间的界面上形成热量梯度(thermal gradient )。
与本发明密切相关的一个特征在于，阴极接触插塞122a与122b设置于尽 可能靠近熔丝链接116的位置，以使得所形成的升高的热量梯度130高于现有 技术中所形成的热量梯度。依据本发明的实施例，阴极接触插塞122a与熔丝链 接116之间的间距L3小于每一阴极^接触插塞122a与122b的尺寸。如所属领域 的技术人员所熟知，接触插塞可具有不同形状，实施例仅用于说明本发明的精神，并非用于限定本发明。
依据实验结果，在阴极块112与熔丝链接116之间的界面上所形成的升高 的热量梯度130缩短了完全迁移熔丝链接116的硅化物层106以使电子熔丝断 开所需要的时间长度。升高的热量梯度也提升了成品率。
图3是实验结果与成品率的示意图。其中表示累积(y。)对电阻Rf(欧姆) 关系的两条曲线分别对应于两个测试的电子熔丝结构A6与A12。本例中的测试 的电子熔丝结构A6与A12是以90纳米技术制作，两者均具有0.1 jum的最小 线宽(ground rule )。举例来说，测试的电子熔丝结构A6具有阴极垫201、阳极 垫202以及用于将阴极垫201与阳极垫202相连接的0.1 ji m x 0.8 |u m的熔丝链 接203。阴极垫201上设置有一行(row) 0.1 n m x 0.1 ju m的阴极接触插塞212。
金属线220与阴极接触插塞212相连接。本例中的测试的电子熔丝结构A6 的阴极接触插塞212与熔丝链接203之间的间距约为0.5 iu m,大致为每一个阴 极接触插塞212的尺寸的5倍。本例中测试的电子熔丝结构A6的阴极接触插塞 212与熔丝链接203之间的空出的(vacated)无接触插塞的区域，如本领域技术人 员所熟知，是为硅化物电迁移故意保留的存储区域。
测试的电子熔丝结构A12具有阴极垫301 (大小与阴极垫201相同)、阳极 垫302 (大小与阳极垫202相同)以及用于将阴极垫301与阳极垫302相连接的 0.1 mmx 0.8 jam的熔丝链4妻303。测试的电子熔丝结构A6与A12的不同之处 包括，阴极垫301上设置有两行阴极接触插塞312。前一行(或第一行)阴极接 触插塞312非常靠近熔丝链接303。
优选地，前一行阴极接触插塞312与熔丝链接303之间的间距d小于每一 阴极接触插塞312的尺寸，如d < 0.1 n m。当电位或月永冲(如1.8V/1 n s)施加 于电子熔丝结构时，前一行阴极接触插塞312与同样靠近于熔丝链接303的金 属线320可迅速散热，从而在阴极垫301与熔丝链接303之间的界面上形成所 希望的陡峭的高热量梯度。本发明的另一优点在于，由于增加了设置在阴极垫 上的阴极接触插塞的数目，从而降低了电子熔丝的电阻。
请再次参照图2，阳极接触插塞124与熔丝链接116之间的间距L4可能大 于每一阳极接触插塞的尺寸。阳极接触插塞124与熔丝链接116之间更大的间 距L4，可有助于提高熔丝链接116中心部分的温度，/人而进一步增加所形成的 热量梯度。
本发明的主要目的在于，在电子熔丝的阴极垫与熔丝链接之间的界面上产生更加陡峭且更高的热量梯度，从而在熔断或断开电子熔丝时提高成品率。以 下提供了第二实施例，以更清楚地阐述本发明的目的与^f青神。
请参照图4，图4是依据本发明第二实施例的多晶金属硅化的电子熔丝结构 的透视图。如图4所示，同样地，多晶金属硅化的电子熔丝结构10a形成于绝 缘层102上。绝缘层102包含氧化物层，如硅氧化物介电层或浅沟槽隔离的氧 化物填充层。绝缘层102形成于半导体衬底100上，举例来说，半导体衬底IOO 可为硅村底或绝缘层上覆硅村底。在某些实施例中，多晶金属硅化的电子熔丝 结构10a可依据集成电路的设计需要而形成于氧化物定义区域或主动区域。
多晶金属硅化的电子熔丝结构10a是一种双层合成结构，由多晶硅层104 与硅化物层106组成。硅化物层106层状覆盖于多晶>眭层104的上方。硅化物 层106包括镍硅化物、钴硅化物以及钬硅化物，但不限定于此。本领域技术人 员当可理解，至少一层间绝缘层(如硅氧化物或硅氮化物)设置于半导体衬底 IOO的上方，以覆盖多晶金属硅化的电子熔丝结构10a,为简洁起见，上述层间 绝缘层未显示于图中。
多晶金属硅化的电子熔丝结构10a包含三个块，包括阴极块112、阳极块114 及用于将阴极块112与阳极块114相连接的熔丝链接116。依据本发明的第二实 施例，多晶金属硅化的电子熔丝结构10a为哑铃状。优选地，阴极块112具有与 阳极块114大致相同的表面积。阴极块112上直接设有多个阴极接触插塞122。 阳极块114上直接设有多个阳极4妄触插塞124。
依据本发明的第二实施例，阴极块112上设置有散热器(heat sink)结构400， 散热器结构400位于阴极接触插塞122与熔丝链接116之间。散热器结构400 由至少一行阴极接触插塞412与堆叠于阴极接触插塞412上的至少一金属板414 构成。优选地，散热器结构400设置于尽可能靠近熔丝链接116的位置。在平 面视图中，金属板414与熔丝链接116可能有重叠，并且金属板414可具有任 何能够提高散热效率的形状。在其它实施例中，散热器结构可具有多个接触插 塞层或过孔插塞(via plug)层及多层金属线。
依据本发明的第二实施例，散热器结构400可电性浮动(electrically floating )。也就是说，金属板414,同时构造为且定义为与第一层金属互连，未 连接于第一层金属的任何信号线。然而，在这种情况下，散热器结构具有多个 接触插塞层或过孔插塞层及多层金属线，散热器结构的一个金属层可连接至互 连层，如集成电路的接地层。当施加电位到多晶金属硅化的电子熔丝结构10a时，电子流通过熔丝链接 116从阴极块112流向阳极块114。上述电位由第一金属线与第二金属线(未显 示于图中)提供，其中第一金属线设于多个阴极接触插塞122的上方且与多个 阴极接触插塞122相连接，第二金属线设于多个阳极接触插塞124的上方且与 多个阳极接触插塞124相连接。流过多晶金属硅化的电子熔丝结构10a的电流 的高密度使得熔丝变热，从而在阴极块112与熔丝链4妻116之间的界面上形成 热量梯度。散热器结构400可导致在阴极块112与熔丝《连接116之间的界面上 形成更陡峭、更高的热量梯度430。
依据实验结果，阴极块112与熔丝链接116之间的界面上所形成的更高的 热量梯度430缩短了完全迁移熔丝4连接116的硅化物层106以在硅化物层106 上形成能隙(gap)所需要的时间长度。
图5是实验结果与成品率的示意图。其中表示累积(。/。)对电阻Rf(欧姆) 关系的两条曲线分别对应于两个测试的电子熔丝结构A6与A5。本例中的测试 的电子熔丝结构A6与A5是以90纳米技术制作，两者均具有0.1 iam的最小线 宽。测试的电子熔丝结构A6具有阴极垫201、阳极垫202以及用于将阴极垫201 与阳极垫202相连接的0.1 n m x 0.8 M m的熔丝链接203。阴极垫201上设置有 一行0.1 jli m x 0.1 M m的阴极接触插塞212。
金属线220与阴极接触插塞212互接。阴极接触插塞212与熔丝链接203 之间的间距约为0.5 jum，此间距约为每一个阴极接触插塞212的尺寸的5倍。 如本领域技术人员所熟知，这个区域是为了便于进行硅化物电迁移而故意保留 的存储区域。
测试的电子熔丝结构A5具有阴极垫301 (大小与阴极垫201相同)、阳极 垫302 (大小与阳极垫202相同)以及用于将阴极垫301与阳极垫302相连接的 0.1 ja m x 0.8 m m的熔丝链接303。阴极垫301上设置有一行0.1 ja m x 0.1 |i m的 阴极接触插塞312。测试的电子熔丝结构A6与A5的不同之处在于散热器结构 400。
当电位或脉冲(如1.8V/lus)施加于电子熔丝结构时，散热器结构400迅 速散热以在阴极垫301与熔丝链接303之间的界面上形成所希望的陡峭的高热 量梯度，从而在电子熔丝熔断或断开时改善成品率。
所属技术领域的技术人员可轻易完成的均等改变或润饰均属于本发明所主 张的范围，本发明的权利范围应以权利要求书所限定的范围为准。
权利要求
1. 一种电子熔丝结构，包含有阴极块；位于该阴极块上的多个阴极接触插塞；阳极块；位于该阳极块上的多个阳极接触插塞；以及熔丝链接，用于将该阴极块与该阳极块相连接，其中该多个阴极接触插塞的前一行设置于靠近该熔丝链接的位置，以使得该阴极块与该熔丝链接之间的界面上形成高热量梯度。
2. 如权利要求1所述的电子熔丝结构，其特征在于，该多个阴极接触插塞的 该前一行与该熔丝链接之间的间距小于每一该多个阴极接触插塞的尺寸。
3. 如权利要求1所述的电子熔丝结构，其特征在于，该多个阳极接触插塞与 该熔丝链接之间的间距大于每一该多个阳极接触插塞的尺寸。
4. 如权利要求1所述的电子熔丝结构，其特征在于，该多个阴极接触插塞的 该前一行与置于其上方的金属板相连接，以及该金属板与该多个阴极接触插塞 的该前一行构成散热器结构。
5. 如权利要求1所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块、该阳极块以 及该熔丝链接是由多晶金属硅化物构成，该多晶金属硅化物包含多晶硅层与硅 化物层。
6. 如权利要求5所述的电子熔丝结构，其特征在于，该硅化物层包括镍硅化 物、钴硅化物以及钬硅化物。
7. 如权利要求1所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块、该阳极块及 该熔丝链接配置为哑铃状。
8. 如权利要求1所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块与该阳极块具 有大致相同的表面积。
9. 如权利要求1所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块、该阳极块及 该熔丝链接形成于绝缘层上。
10. 如权利要求9所述的电子熔丝结构，其特征在于，该绝缘层包括浅沟槽 隔离的沟槽填充层。
11. 如权利要求1所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块、该阳极块 及该熔丝链接形成于氧化物定义区域或主动区域。
12. —种电子熔丝结构，包含有 阴极块；位于该阴极块上的多个阴极接触插塞； 阳极块；位于该阳极块上的多个阳极接触插塞； 熔丝链接，用于将该阴极块与该阳极块相连接；以及 散热器结构，设置于该阴极块上，且位于该多个阴极接触插塞与该熔丝链 接之间。
13. 如权利要求12所述的电子熔丝结构，其特征在于，该散热器结构由该多 个阴极接触插塞的至少 一行与至少 一金属板构成，该至少 一金属板堆叠于该多 个阴极接触插塞的该至少 一行上。
14. 如权利要求12所述的电子熔丝结构，其特征在于，该散热器结构是电性 浮动的。
15. 如权利要求12所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块、该阳极块 及该熔丝链接是由多晶金属硅化物构成，该多晶金属硅化物包含多晶硅层与硅 化物层。
16. 如权利要求15所述的电子熔丝结构，其特征在于，该硅化物层包括镍硅 化物、钴硅化物以及钛硅化物。
17. 如权利要求12所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块、该阳极块 及该熔丝链接配置为哑铃状。
18. 如权利要求12所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块与该阳极块 具有大致相同的表面积。
19. 如权利要求12所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块、该阳极块 及该熔丝链接形成于绝缘层上。
20. 如权利要求19所述的电子熔丝结构，其特征在于，该绝缘层包括浅沟槽 隔离的沟槽填充层。
21. 如权利要求12所述的电子熔丝结构，其特征在于，该阴极块、该阳极块 及该熔丝链接形成于氧化物定义区域或主动区域。
全文摘要
本发明提供一种电子熔丝结构，包含有阴极块；位于阴极块上的多个阴极接触插塞；阳极块；位于阳极块上的多个阳极接触插塞；以及熔丝链接，用于将阴极块与阳极块相连接，其中多个阴极接触插塞的前一行设置于靠近熔丝链接的位置，以使得阴极块与熔丝链接之间的界面上具有高热量梯度。本发明的电子熔丝结构通过将阴极接触插塞设置于靠近熔丝链接的位置，以在阴极块与熔丝链接之间的界面上形成高的热量梯度，从而改善了成品率与可靠性。
文档编号H01L23/52GK101546749SQ20081021172
公开日2009年9月30日 申请日期2008年9月23日 优先权日2008年3月27日
发明者陈晞白 申请人:联发科技股份有限公司