一种电熔丝结构及其制造方法与流程

本发明涉及半导体器件及制造工艺，尤其涉及一种电熔丝结构及其制造方法。

背景技术

自从早年德州仪器的jackkilby博士发明了集成电路之时起，科学家们和工程师们已经在半导体器件和工艺方面作出了众多发明和改进。近50年来，半导体尺寸已经有了明显的降低，这转化成不断增长的处理速度和不断降低的功耗。迄今为止，半导体的发展大致遵循着摩尔定律，摩尔定律大致是说密集集成电路中晶体管的数量约每两年翻倍。现在，半导体工艺正在朝着20nm以下发展，其中一些公司正在着手14nm工艺。

在集成电路发展的演进上，随着几何尺寸(也即使用一工艺可以生产的最小元件或线)缩减的同时，机能密度(例如每一芯片面积的内连线元件数目)通常也在增加。这种尺寸缩减的工艺通常可增加生产效能并降低相关成本而提供好处，但尺寸的缩小导致半导体器件的制造工艺的复杂程度也越来越高，半导体器件也越来越容易收到各种缺陷和杂质的影响，单一金属连线、二极管或晶体管等的失效往往即构成整个芯片的缺陷。因此，集成电路中形成的一些电阻可以发生大幅度改变(由低阻态向高阻态改变)的熔丝或者可以熔断的连接线就显得越来越重要。将熔丝用于连接集成电路中的冗余电路，一旦检测发现集成电路具有缺陷，可以利用熔丝修复或者取代有缺陷的电路。为修复有缺陷的电路而设计的可熔断的连接线可以提高集成电路芯片的成品率，熔丝结构除了在冗余电路中的应用外，还具有更广泛的应用，如:内建自测(buildinselftest，简称bist)技术、自修复技术、一次编程(onetimeprogram，简称otp)芯片、片上系统(systemonchip，简称soc)等等。

目前，较为常见的熔丝为电熔丝(electricfuse)，其原理是利用电迁移(electro-migration)原理使熔丝通过较大的瞬时电流从而出现熔断，即对电熔丝进行编程来实现电熔丝的熔断。但对于电熔丝而言，驱使电熔丝发生电迁移的编程电流有严格要求，因此，亟需一种能够优化电熔丝编程电流窗口的电熔丝结构及其制造方法。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

如上所述，为了优化电熔丝结构的编程电流窗口，本发明提供了一种电熔丝结构的制造方法，包括：提供衬底；在上述衬底上形成对应上述电熔丝结构的多晶硅；对上述多晶硅进行第一掺杂类型的源漏离子注入；对上述多晶硅进行第二掺杂类型的源漏离子注入，上述第一掺杂类型不同于上述第二掺杂类型；以及在掺杂后的上述多晶硅表面形成金属多晶硅化物。

如上述的制造方法，可选的，上述第一掺杂类型的源漏离子注入的浓度与上述第二掺杂类型的源漏离子注入浓度相当，以中和上述第一掺杂类型与上述第二掺杂类型的源漏离子注入。

如上述的制造方法，可选的，上述第一掺杂类型的源漏离子注入的浓度与上述第二掺杂类型的源漏离子注入浓度皆在10e14-10e15范围内。

如上述的制造方法，可选的，上述第一掺杂类型为n型；上述第二掺杂类型为p型。

如上述的制造方法，可选的，上述第一掺杂类型为p型，上述第二掺杂类型为n型。

如上述的制造方法，可选的，上述衬底上还形成有cmos结构，上述cmos结构位于上述电熔丝结构区域外的上述衬底上；上述第一掺杂类型的源漏离子与上述cmos结构的第一掺杂类型的源漏离子在同一步骤中注入；上述第二掺杂类型的源漏离子与上述cmos结构的第二掺杂类型的源漏离子在同一步骤中注入。

如上述的制造方法，可选的，还包括，在上述衬底上形成浅沟槽隔离；上述多晶硅形成在上述浅沟槽隔离上。

如上述的制造方法，可选的，上述电熔丝结构包括阳极、阴极以及连接上述阳极与阴极的电熔丝本体，上述形成多晶硅的步骤进一步包括：在上述衬底表面沉积多晶硅层；对应上述阳极、上述阴极以及上述电熔丝本体图案化上述多晶硅层；以及蚀刻上述图案化后的多晶硅层，以形成对应上述电熔丝结构的上述多晶硅。

如上述的制造方法，可选的，上述制造方法还包括：在上述阳极、上述阴极分别形成若干接触孔。

如上述的制造方法，可选的，采用自对准多晶硅化物工艺在上述多晶硅表面形成上述金属多晶硅化物。

本发明还提供了一种采用如上述任意一种制造方法制造的电熔丝结构。

根据本发明所提供的电熔丝结构及其制造方法，能够有效地提高电熔丝的后值电阻，优化了电熔丝结构的编程电流窗口。并且经过掺杂后的电熔丝结构界面与界面之间生长均匀，电特性能稳定。

附图说明

图1示出了本发明提供的电熔丝结构制造方法的流程图。

图2示出了未经离子注入掺杂的电熔丝结构在透射电子显微镜下的剖面图。

图3示出了根据本发明所提供的电熔丝结构在透射电子显微镜下的剖面图。

图4示出了根据本发明所提供的电熔丝结构的俯视示意图。

图5示出了根据本发明所提供的电熔丝结构的光罩示意图。

附图标记

110浅沟槽隔离sti

120多晶硅

130金属多晶硅化物

140接触蚀刻停止层cesl

150接触孔

210浅沟槽隔离sti

220多晶硅

230金属多晶硅化物

240接触蚀刻停止层cesl

250接触孔

300电熔丝结构

310熔丝本体

321阳极

322阴极

330接触孔

400光罩

具体实施方式

本发明涉及半导体工艺与器件。更具体地，本发明的实施例提供一种电熔丝结构的制造方法，该电熔丝结构的制造方法包括对电熔丝结构中的多晶硅进行n型源漏离子注入以及p型源漏离子注入。还提供了其他实施例。

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。

而且，权利要求中未明确表示用于执行特定功能的装置、或用于执行特定功能的步骤的任意组件皆不应被理解为如35usc第112章节第6段中所规定的装置或步骤条款。特别地，在此处的权利要求中使用“….的步骤”或“….的动作”并不表示涉及35usc§112第6段的规定。

注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。

如本文使用的术语“在...上方(over)”、“在...下方(under)”、“在...之间(between)”和“在...上(on)”指的是这一层相对于其它层的相对位置。同样地，例如，被沉积或被放置于另一层的上方或下方的一层可以直接与另一层接触或者可以具有一个或多个中间层。此外，被沉积或被放置于层之间的一层可以直接与这些层接触或者可以具有一个或多个中间层。相比之下，在第二层“上”的第一层与该第二层接触。此外，提供了一层相对于其它层的相对位置(假设相对于起始基底进行沉积、修改和去除薄膜操作而不考虑基底的绝对定向)。

如上所提及的，半导体器件制造变得越来越具有挑战性，并且朝着物理上可能的极限推进。在集成电路发展的演进上，随着几何尺寸(也即使用一工艺可以生产的最小元件或线)缩减的同时，机能密度(例如每一芯片面积的内连线元件数目)通常也在增加。这种尺寸缩减的工艺通常可增加生产效能并降低相关成本而提供好处，然而，尺寸的缩小导致半导体器件的制造工艺的复杂程度也越来越高，半导体器件也越来越容易收到各种缺陷和杂质的影响，单一金属连线、二极管或晶体管等的失效往往即构成整个芯片的缺陷。因此，集成电路中形成的一些电阻可以发生大幅度改变(由低阻态向高阻态改变)的熔丝或者可以熔断的连接线就显得越来越重要。将熔丝用于连接集成电路中的冗余电路，一旦检测发现集成电路具有缺陷，可以利用熔丝修复或者取代有缺陷的电路。为修复有缺陷的电路而设计的可熔断的连接线可以提高集成电路芯片的成品率，熔丝结构除了在冗余电路中的应用外，还具有更广泛的应用，如:内建自测(buildinselftest，简称bist)技术、自修复技术、一次编程(onetimeprogram，简称otp)芯片、片上系统(systemonchip，简称soc)等等。

目前，较为常见的熔丝为电熔丝(electricfuse)，其原理是利用电迁移(electro-migration)原理使熔丝通过较大的瞬时电流从而出现熔断，即对电熔丝进行编程来实现电熔丝的熔断。常见的电熔丝形成在衬底上，尤其形成在衬底的浅沟槽隔离(sti,shallowtrenchisolation)上，通常，电熔丝具有两层结构，即包含顶部的金属多晶硅化物(salicide)和多晶硅(polysilicon)。金属多晶硅化物上方具有位于阴、阳极将电熔丝引出的接触孔，接触孔之间由接触蚀刻停止层(cesl，contactecthstoplayer)间隔开。

电熔丝结构的熔丝电阻值在发生电迁移之前由位于顶部的金属多晶硅化物决定，通常而言，顶部的金属多晶硅化物的电阻值很低，在100-200欧姆左右。当电迁移发生在熔丝本体区域时，金属多晶硅化物中的电子发生迁移，因此，在电迁移发生后的电熔丝的后值电阻由底部的多晶硅决定。为了扩大编程电流范围，希望电熔丝的后值电阻值保持在较高的数值范围具体的，要求上述底部多晶硅的电阻值大于5000欧姆，从而能够优化编程电流窗口。

因此，本发明提供了一种电熔丝结构及其制造方法，能够保证电熔丝具有较大的后值电阻值以优化编程电流。

以下将结合附图具体展开本发明的具体实施方式，本领域技术人员应当知道，下述具体实施方式为示例，不应不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将领会到有许多变体、替换方案、以及变型。取决于实现，可以添加、移除、重复、重新排列、修改、替换、和/或交迭一个或更多个步骤，并且这不影响权利要求的保护范围。

图1示出了本发明提供的电熔丝结构制造方法的流程图，如图1所示，执行步骤s101，提供本发明所使用的半导体衬底，衬底可以是诸如硅晶圆的半导体晶圆。可选地或额外地，衬底可以包括元素半导体材料、化合物半导体材料和/或合金半导体材料。元素半导体材料的实例可以是但不限于晶体硅、多晶硅、非晶硅、锗和/或金刚石。化合物半导体材料的实例可以是但不限于碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟。合金半导体材料的实例可以是但不限于sige、gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp和/或gainasp。

在一实施例中，本发明所提供的方法包括在上述半导体衬底上形成浅沟槽隔离。浅沟槽隔离工艺sti包括但不限于浅沟槽刻蚀、氧化物填充和氧化物平坦化。其中浅沟槽刻蚀包括但不限于隔离氧化层、氮化物沉淀、采用掩膜版进行浅槽隔离以及进行sti浅槽刻蚀。其中sti氧化物填充包括但不限于沟槽衬垫氧化硅、沟槽cvd(化学气相沉积)氧化物填充或pvd(物理气相沉积)氧化物填充。其中硅片表面的平坦化可以通过多种方法实现。可以通过使用sog(spin-on-glass)填充间隙实现硅片的平坦化，sog可以由80％的溶剂与20％的二氧化硅构成，淀积之后烘焙sog，蒸发掉溶剂，将二氧化硅留在间隙当中，也可以进行全部表面的反刻，以减少整个硅片的厚度。亦可以通过cmp工艺(也称为抛光工艺)有效地进行平坦化处理，包括但不限于对沟槽氧化物进行抛光(可以采用化学机械抛光)以及氮化物去除。

在形成上述浅沟槽隔离后，执行步骤s102，在上述先沟槽隔离上沉积多晶硅，并对上述沉积的多晶硅层进行回刻以形成对应电熔丝结构的多晶硅。形成对应电熔丝结构的多晶硅主要包括光刻图案化工艺，具体可以包括光刻胶涂布(例如，旋涂)、软烘烤、掩模对准、曝光、曝光后烘烤、显影光刻胶、冲洗、干燥(例如，硬烘烤)和/或其他适用的工艺。回刻工艺可以包括干蚀刻、湿蚀刻和/或其他蚀刻方法(例如，反应离子蚀刻)。

更具体的，本发明所提供的电熔丝结构包括电熔丝本体、阴极和阳极。图4示出了本发明提供的电熔丝结构的俯视示意图，如图4所示，电熔丝本体310一端电性连接阳极321，另一端电性连接阴极322，其中图4示出的电熔丝结构为“h”型结构，在另一实施例中，电熔丝结构亦可以是“酒杯型”结构。本领域技术人员应当知道，可以根据需要设计电熔丝结构为任何现有或将有的结构，而不限于上述，同时，对应所设计的不同形状的电熔丝结构，蚀刻上述多晶硅层为对应形状的多晶硅。

根据上述步骤所形成的多晶硅，其电阻值较高，电阻量级在10e4，编程电流窗口较大，已经可以满足优化编程电流窗口的需要。但经过上述步骤形成的多晶硅未经离子掺杂，在后续形成金属多晶硅化物的步骤中，多晶硅与金属多晶硅化物之间的界面不均匀、平整，导致器件缺陷，影响器件的电特性。

图2示出了未经掺杂的电熔丝器件的结构图，如图2所示，电熔丝结构形成在具有浅沟槽隔离110的衬底上，电熔丝具有两层结构，包括顶部的金属多晶硅化物130和多晶硅120，此处的多晶硅120未经离子掺杂。金属多晶硅化物130上方具有位于阴、阳极将电熔丝引出的接触孔150，接触孔之间由接触蚀刻停止层140间隔开。从图2可以看出，由于未经掺杂，多晶硅120与金属多晶硅化物130之间界面粗糙、不平整，进而影响器件的电特性，造成器件缺陷，良品率下降。

为使得电熔丝结构内部的界面平整，保证电熔丝结构的良品率，本发明所提供的方法还包括执行步骤s103和步骤s104，对上述多晶硅进行掺杂，并且对上述多晶硅进行相反的两种类型的掺杂，具体的，可以先对上述多晶硅进行n型离子掺杂，可掺杂有砷(as)、磷(p)、其他第五族(groupv)元素或前述的组合。随后对上述经过n型离子掺杂后的多晶硅进行p型离子掺杂，可掺杂有硼(b)或其他第三族(groupiii)元素。在另一实施例中，可以先对未经掺杂的多晶硅进行p型离子掺杂，可掺杂有硼(b)或其他第三族(groupiii)元素，随后对上述经过p型离子掺杂后的多晶硅进行n型离子掺杂，可掺杂有砷(as)、磷(p)、其他第五族(groupv)元素或前述的组合。

由于是针对同一处多晶硅进行两次不同类型的离子注入，离子注入区域形状相同，在执行步骤s103和步骤s104过程中所使用的光掩膜版对应电熔丝结构处的形状亦相同。图5示出了根据本发明所提供的电熔丝结构的光罩示意图。如图5所示，电熔丝结构300为需要被掺杂的多晶硅，经由光罩400来保证能够掺杂在正确的位置。

对于已经掺杂后的多晶硅，其内部的晶粒(grainsize)较之未掺杂的多晶硅较小，因此，在掺杂后的多晶硅上生长金属多晶硅化物能够有效克服金属硅化物生长不均匀的问题，能够起到改善电熔丝结构内部界面光滑、平整的问题。

图3示出了经由本发明提供的方法所制造的电熔丝在透射电子显微镜下的剖面图，可以看到电熔丝形成在衬底上，尤其形成在衬底的浅沟槽隔离210上，电熔丝具有两层结构，即顶部的金属多晶硅化物230和多晶硅220，此处的多晶硅220经过n型以及p型离子注入掺杂。金属多晶硅化物230上方具有位于阴、阳极将电熔丝引出的接触孔250，接触孔之间由接触蚀刻停止层240间隔开。从图3中可以看出，根据本发明提供的方法所形成的电熔丝结构，经过n型和p型离子注入掺杂后的多晶硅220与金属多晶硅化物230之间的界面平整、光滑、均匀。

虽然对多晶硅进行离子掺杂能够有效改善多晶硅与金属硅化物之间界面不平整的问题，但若仅对多晶硅进行单一类型的离子掺杂，掺杂后的多晶硅电阻值大幅下降，因而导致电熔丝熔断后的后值电阻达不到较高的要求，致使电熔丝结构的编程电流窗口范围较小。具体的，对于仅进行单一类型的离子掺杂的多晶硅而言，其方块电阻(一般)在600-800欧姆，若要求电熔丝熔断后的后值电阻达到大于5000欧姆，就要求电熔丝发生电迁移的区域的长度l至少8倍于该区域的宽度，导致驱使电熔丝发生电迁移的编程电流有了严格要求。

为了能够解决上述问题，保证电熔丝结构内部界面平整、光滑的同时优化电熔丝的编程电流窗口，本发明不仅对多晶硅进行离子掺杂，还通过采取对构成电熔丝的多晶硅进行两种不同类型的离子注入，以使两种类型的离子相互中和，使得即使是掺杂后的多晶硅，其电阻值与未经掺杂的多晶硅相近。掺杂后的多晶硅的电阻量级在10e4，有效提高了电熔丝结构的后值电阻值，优化了编程电流窗口。

为了有效提高电熔丝结构的后值电阻值，在执行步骤s103和步骤s104，对多晶硅进行两种相反类型的离子注入时，需要关注所注入的离子浓度，以使得两种电特性能相反的离子有效被中和。其中，最有效的方式是设定上述n型离子注入浓度等同于p型离子注入浓度。本领域技术人员应当知道，通常而言，离子注入浓度的数量级较大，因此，较难精确控制两者的浓度为完全一致。根据本发明所提供的制造方法，使得两者离子注入浓度位于数量相当、相比拟的范围内，能够起到中和大部分两种不同离子的效果即可。

在一实施例中，可以限定，两种不同类型的离子注入浓度皆在10e14-10e15范围内，以使n型离子与p型离子有效地相互中和。

根据本发明提供的方法，多晶硅中所掺杂的n型离子与p离子有效地相互中和，使得离子掺杂后的多晶硅的后值电阻量级在10e4，有效提高了多晶硅的后值电阻值，提高了编程电流窗口。同时，由于多晶硅经过两种不同类型的离子注入掺杂，内部晶粒较小，后续形成的金属多晶硅化物与多晶硅之间的界面平整、均匀。

如上所述，电熔丝一般可以设置在集成电路的冗余电路中，因此，本领域技术人员应当可以明白，在本发明所提供的衬底上，不仅形成有本发明所提供的电熔丝结构，还可以包含其余cmos结构。

本领域技术人员应当明白，cmos结构的制造工艺需要包括源漏离子注入工艺，并且上述源漏离子注入针对不同类型的cmos亦有所不同。而本发明所提供的制造方法中，对多晶硅进行的离子掺杂的浓度与制造cmos结构工艺中的源漏离子注入浓度相当。因此，可以使本发明对多晶硅执行的n型离子注入与cmos的n型源漏离子注入在同一工艺步骤中完成。同样，可以使本发明对多晶硅执行的p型离子注入与cmos的p型源漏离子注入在同一工艺步骤中完成。

本发明提供的电熔丝的制造方法在离子注入工艺中与逻辑cmos器件制造工艺相兼容，虽然需要对电熔丝结构的多晶硅进行两次不同类型的离子注入，但不需要增加额外的光罩数量，只是在处理cmos器件的源漏离子注入的步骤中将电熔丝结构区域同时设定为打开注入区域即可以完成对多晶硅掺杂，具有普适性，符合实际制造需求。

在对上述多晶硅进行两种类型的离子注入后，执行步骤s105，在掺杂后的多晶硅表面形成金属多晶硅化物。如上所述，由于经过掺杂后的多晶硅其晶粒较未经掺杂的多晶硅要小，因此，在掺杂后的多晶硅表面所形成的金属多晶硅化物与多晶硅之间界面平整、光滑、均匀。具体的，可以采用自对准多晶硅化物工艺在上述多晶硅便面形成金属多晶硅化物。本领域技术人员应当知道，上述形成金属硅化物的方法包括但不限于自对准多晶硅化物工艺。

在形成了上述金属多晶硅化物后，本发明提供的方法还包括对应于电熔丝的阳极和阴极，制造接触孔以将电熔丝的阳极和阴极电性引出，如图4所示的示意图中可以看出，阳极321和阴极322可以各包含不止一个接触孔330，接触孔330中填充有导电介质并于金属多晶硅化物电性连接以引出电熔丝的阳极与阴极。本领域技术人员应当知道，可以采用现有或将有的接触孔制造工艺来形成本发明中的接触孔330。

本发明还提供了经由上述方法所制造的电熔丝结构，能够保证编程后电熔丝后值电阻位于较高的阻值范围，有效优化熔丝编程电流窗口，并且电熔丝结构内部界面平整、光滑、均匀，有效提升熔丝可靠性，进而提高产品良率。

至此，已经描述了能够优化编程电流窗口的电熔丝结构及其制造工艺的实施例。尽管已经关于特定的示例性实施例描述了本公开，但将明显的是，可以对这些实施例做出各种修改和改变而不偏离本公开的更广泛的精神和范围。因此，本说明书和附图应被视为是说明性的含义而不是限制性的含义。

应当理解的是，本说明书将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。此外，在前面的详细描述中，可以看到的是，各种特征被在单个实施例中组合在一起以用于精简本公开的目的。本公开的此方法不应被解释为反映所要求保护的实施例要求比在每个权利要求中明确列举的特征更多的特征的目的。相反，如所附权利要求所反映的，创造性主题在于少于单个所公开的实施例的所有特征。因此，所附权利要求据此并入详细描述中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例。

在该描述中提及的一个实施例或实施例意在结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在电路或方法的至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语一个实施例不一定全部指的是同一实施例。