电可编程熔丝的编程方法与流程

本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种电可编程熔丝的编程方法。

背景技术

电可编程熔丝(electricallyprogrammablefuse，以下简称efuse)是集成电路中一种能与cmos逻辑器件兼容的一次性编程器件，具有信息存储或电路修复等应用。典型的efuse的结构包括阳极和阴极，以及位于阳极和阴极之间且与两者相连接的熔丝(fuselink)，efuse的信息存储及电路修复功能是通过熔丝的电阻值状态变化实现的，对efuse编程过程中，熔丝中发生电迁移或热熔断，从而使熔丝的电阻从低阻态转变为高阻态，低阻态和高阻态这两种状态构成“0”和“1”两种数字状态。

目前efuse的编程，只选用单一编程条件，进行一次性编程，基于efuse形成的信息位元只有低阻态和高阻态两种状态，与mlc(multi-levelcell)信息存储器件相比，信息存储密度低，芯片占用面积大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电可编程熔丝的编程方法，可以显著提高信息存储密度和芯片面积利用率，有利于芯片尺寸缩减。

为了实现上述目的，本发明提供一种电可编程熔丝的编程方法，所述电可编程熔丝中具有导电介质，所述导电介质具有初始物理状态、第一物理状态以及第二物理状态，所述编程方法包括以下步骤：

采用第一编程条件对所述电可编程熔丝进行编程，使所述导电介质从初始物理状态变化到第一物理状态，以将所述电可编程熔丝从低阻态编程到中间阻态；

采用不同于所述第一编程条件的第二编程条件对所述电可编程熔丝进行编程，使所述导电介质从初始物理状态或所述第一物理状态变化到第二物理状态，以将所述电可编程熔丝从所述低阻态或所述中间阻态编程到高阻态。

可选的，所述电可编程熔丝为多晶硅熔丝，所述导电介质为金属硅化物，所述电可编程熔丝还具有承载所述金属硅化物的多晶硅基体。

可选的，所述导电介质的初始物理状态是沉积在所述多晶硅基体上的状态，所述导电介质的第一物理状态为所述导电介质扩散到熔化的所述多晶硅基体中的状态；所述导电介质的第二物理状态为所述导电介质发生电迁移的状态。

可选的，所述金属硅化物包含镍、钨、钴、锰、钛和钽中的至少一种金属。

可选的，所述第一编程条件和所述第二编程条件的编程时间不同，且所述第一编程条件的编程时间短于所述第二编程条件的编程时间。

可选的，所述第一编程条件和所述第二编程条件均包括编程脉冲，所述第一编程条件的编程脉冲时间宽度小于所述第二编程条件的编程脉冲时间宽度。

可选的，所述第二编程条件的编程脉冲时间宽度为所述第一编程条件的编程脉冲时间宽度的两倍以上。

可选的，所述低阻态的电阻为100欧姆量级，所述中间阻态的电阻为1e4欧姆量级，所述高阻态的电阻为1e6欧姆量级。

可选的，所述电可编程熔丝包括阳极、阴极以及连接所述阳极和阴极的连接线，在对所述电可编程熔丝进行编程时，所述电可编程熔丝的阴极电连接一mos管的开关通路的一端，所述电可编程熔丝的阳极接入一恒定的电压信号，所述mos管的开关通路的另一端，所述mos管的栅端接入所述编程脉冲。

可选的，所述电可编程熔丝还包括分别与所述阳极、阴极向电连接的接触插塞以及与相应的接触插塞电连接的金属互连线。

与现有技术相比，本发明的电可编程熔丝的编程方法，利用电可编程熔丝的导电介质在不同电力条件下会呈现不同的物理变化的特点，采用第一编程条件将所述导电介质从初始物理状态变化到熔化扩散等第一物理状态，以把电可编程熔丝从低阻态编程到中间阻态，采用第二编程条件将所述导电介质从所述初始物理状态或所述第一物理状态变化到第二物理状态，以把电可编程熔丝从低阻态或中间阻态编程到高阻态，即通过两种不同的编程条件实现三种信息存储状态的转换，可以显著提高电可编程熔丝器件的信息存储密度和芯片面积利用率，有利于芯片尺寸缩减。

附图说明

图1是本发明具体实施例的电可编程熔丝的剖面结构示意图；

图2是本发明具体实施例的电可编程熔丝的编程时的电路连接示意图；

图3是本发明具体实施例的电可编程熔丝的编程方法流程图；

图4是本发明具体实施例的第一编程条件中的编程时间和编程电压关系图；

图5是本发明具体实施例的电可编程熔丝被编程到中间阻态的透射电镜截面图；

图6是本发明具体实施例的第二编程条件中的编程时间和编程电压关系图；

图7是本发明具体实施例的电可编程熔丝被编程到高阻态的透射电镜截面图。

具体实施方式

多晶硅efuse是目前广泛应用的一次性编程器件，申请人通过对多晶硅efuse的编程机制研究发现，多晶硅efuse编程过程中存在中间态，在中间态的基础上可以进一步编程，从而使利用多晶硅efuse制造的信息位元有了低阻态、中间阻态和高阻态三种状态。在此基础上设计efuse存储器件，可以显著提高efuse存储器件的信息存储密度和芯片面积利用率，对芯片尺寸缩减具有重要意义。

基于此，本发明的电可编程熔丝的编程方法，可以实现一种mulit-level(多层次存储)efsue器件设计，其利用电可编程熔丝的导电介质在不同电力条件下会呈现不同的物理变化的特点，采用不同的编程条件对电可编程熔丝进行编程，以使电可编程熔丝的导电介质的物理状态发生相应的变化，从而把电可编程熔丝从低阻态编程到中间阻态或者从低阻态或中间阻态编程到高阻态，以实现三种信息存储状态的转换，由此可以显著提高电可编程熔丝存储器件的信息存储密度和芯片面积利用率，有利于芯片尺寸缩减。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面以多晶硅efuse为例，并结合附图对本发明的技术方案作详细的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

请参考图1，多晶硅efuse是目前广泛应用的一次性编程器件，其采用多晶硅(poly-silicon)基体100a加金属硅化物(silicide，即导电介质)100b双层薄膜结构，即所述多晶硅基体承载所述金属硅化物。按照功能划分，所述多晶硅efuse的结构可以分为阳极101、阴极102以及与所述阳极101和阴极102之间的连接线(fuselink)103，且所述阳极101和阴极102分别通过其上方的导电插塞105连接到相应的金属互连线104上。所述多晶硅efuse可以采用65nmcmos集成电路制造工艺来制造，所述金属硅化物可以包含镍(ni)、钨(w)、钴(co)、锰(mn)、钛(ti)和钽(ta)中的至少一种金属，例如所述金属硅化物为镍硅化物(ni-silicide)。所述金属硅化物在不同条件下具有不同的物理状态，本实施例中，将所述金属硅化物100b在所述多晶硅基体100上沉积形成时的状态定义为所述金属硅化物的初始物理状态，将所述多晶硅基体100a熔化、所述金属硅化物100b扩散进入所述多晶硅基体的状态定义所述金属硅化物100b的第一物理状态，将金属硅化物100b在电迁移作用下从阴极102迁移到阳极101的状态定义所述金属硅化物100b的第二物理状态。

请参考图2，在对图1所示的多晶硅efuse进行编程之前，先将所述多晶硅efuse的阴极102通过金属互连线104连接到一mos管的开关通路(即源漏导通的通路)的一端(即源极或漏极)，所述mos管的开关通路的另一端(即漏极或源极)接地。

请参考图3，本实施例提供一种多晶硅efuse的编程方法，包括以下步骤：

s1，采用第一编程条件对所述多晶硅efuse进行编程，使所述导电介质从初始物理状态变化到第一物理状态，以将所述电可编程熔丝从低阻态编程到中间阻态。具体地，请参考图1、图2和图4，将所述多晶硅efuse的阳极101接入一电压信号vprog(恒定电压信号)，所述mos管的栅端接入一编程脉冲(即一脉冲电压信号)，其脉冲电压为vgs(绝对值可以小于vprog的绝对值)，且所述编程脉冲的时间宽度为t1，即，第一编程条件包括恒定的电压信号vprog、编程脉冲(脉冲电压值为vgs)以及编程时间为t1(即编程脉冲时间宽度)，多晶硅efuse在此编程过程中，如图5所示，其多晶硅基体100a会随着第一编程条件的施加而熔化，金属硅化物100b中的金属会扩散进入多晶硅基体100a中，金属硅化物100b中金属浓度降低，进而导致多晶硅efuse的连接线103的电阻升高，达到中间阻态，多晶硅efuse在低阻态下的电阻值例如是100欧姆量级，在所述中间态下的电阻值例如在1e4欧姆量级。

s2，采用不同于所述第一编程条件的第二编程条件对所述电可编程熔丝进行编程，使所述导电介质从初始物理状态或所述第一物理状态变化到第二物理状态，以将所述电可编程熔丝从所述低阻态或所述中间阻态编程到高阻态。具体地，请参考图1、图2和图6，将所述多晶硅efuse的阳极101接入一电压信号vprog(恒定电压信号)，所述mos管的栅端接入另一编程脉冲(即另一脉冲电压信号)，其脉冲电压为vgs(绝对值可以小于vprog的绝对值)，且所述编程脉冲的时间宽度为t2，且t2大于t1，例如t2大于两倍的t1，即，第二编程条件包括恒定的电压信号vprog、编程脉冲(脉冲电压值为vgs)以及编程时间为t2(即编程脉冲时间宽度)，多晶硅efuse在此编程过程中，随着第二编程条件的施加，金属硅化物100b中的金属在连接线103处的分布会因电迁移作用而中断，如图7所示，多晶硅电阻导致多晶硅efuse的电阻值升高，达到高阻态，电阻在1e6欧姆量级。

由此可见，多晶硅efuse的低阻态、中间阻态和高阻态分别对应多晶硅efuse中的金属硅化物100b的三种不同的物理状态，从而使多晶硅efuse具有宽的编程窗口。且具有低阻态、中间阻态和高阻态三种状态的多晶硅efuse器件比普通efuse器件的信息存储密度高50％，可以显著提高芯片面积利用率，对芯片尺寸缩减具有重要意义。

需要说明的是，首先，多晶硅efuse的电阻值会随连接线103的尺寸设计及工艺而变化，因此本发明的多晶硅efuse的电阻值不限于上述的电阻量级；其次，上述实施例中，主要是通过编程时间不同的两种编程条件实现多晶硅efuse三种信息存储状态的转换，但实际应用中的编程条件可以调节和优化，不限于通过编程时间实现；此外，上述实施例以多晶硅efuse为例，但本发明的编程方法不仅仅限于多晶硅efuse，还可以是其他种类efuse或器件，只要这些efuse中具有类金属硅化物的导电性能的高导电介质，且所述高导电介质在不同条件下(尤其是不同的电力条件下)能够具有不同的物理状态变化即可实现信息存储状态的区别，所述物理状态变化包括导电介质熔化的扩散和迁移。

综上所述，本发明的电可编程熔丝的编程方法，利用电可编程熔丝的导电介质在不同电力条件下会呈现不同的物理变化的特点，采用第一编程条件将所述导电介质从初始物理状态变化到熔化扩散等第一物理状态，以把电可编程熔丝从低阻态编程到中间阻态，采用第二编程条件将所述导电介质从所述初始物理状态或所述第一物理状态变化到第二物理状态，以把电可编程熔丝从低阻态或中间阻态编程到高阻态，即通过两种不同的编程条件实现三种信息存储状态的转换，可以显著提高电可编程熔丝器件的信息存储密度和芯片面积利用率，有利于芯片尺寸缩减。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。