一种通孔下MTM反熔丝的制备方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种通孔下mtm反熔丝的制备方法。

背景技术：

mtm反熔丝单元是一种一次性可编程器件，由上极板、反熔丝膜和下极板构成，一般集成在两层相邻金属之间。mtm反熔丝单元在编程时是通过电压使反熔丝膜层击穿，在合适电流下熔穿导通；其在编程前处于开路状态。因其具有优良的抗辐照特性，在航天领域应用前景广泛。

mtm反熔丝单元一般为平板结构，即在进行反熔丝单元上、下极板和反熔丝膜层淀积工艺时，其下部区域是平坦的，无台阶或者高低形貌存在。反熔丝单元一般有通孔下和通孔上两种结构，对于通孔下的反熔丝单元结构，其上、下极板金属层和反熔丝膜层均为平板，是典型的平板反熔丝单元结构；也有部分通孔下反熔丝单元结构的下极板和反熔丝膜层为平板结构，但在形成上极板前，首先淀积一层介质，然后对该介质刻蚀出一个窗口，再淀积上极板金属，这样上极板淀积时下部就存在台阶，为非平板的上电极；对于通孔上结构，反熔丝单元结构形成在通孔上，此结构工艺过程中，要求填充通孔的钨塞在化学机械抛光工艺(cmp)时凸出通孔表面，因此通孔上反熔丝单元结构中心区要高出四周，属于非平板结构。

mtm反熔丝单元结构形成于两层金属之间，传统的通孔下平板反熔丝单元结构工艺流程如下：首先进行反熔丝下层金属导电层和阻挡层淀积，再进行反熔丝膜层淀积，再进行上极板淀积，对上极板和mtm反熔丝膜叠层进行光刻腐蚀，形成mtm反熔丝结构，之后兼容常规cmos集成电路工艺。其主要形成工艺如图1(a)～图1(g)所示：

图1(a)为第一步：在衬底1上依次形成介质层2和下极板导电层3；

图1(b)为第二步：接着进行下极板阻挡层4淀积；

图1(c)为第三步：淀积反熔丝膜5；

图1(d)为第四步：淀积上极板阻挡层6；

图1(e)为第五步：采用光刻胶掩模，对反熔丝单元进行图形刻蚀，刻蚀上极板阻挡层6和反熔丝膜5，刻蚀停止在下极板阻挡层4上；

图1(f)为第六步：采用光刻胶掩模，进行下极板阻挡层4和下极板导电层3图形刻蚀，形成mtm反熔丝下极板，刻蚀停止在介质层2上；

图1(g)为第七步：进行布线介质淀积，在并通过化学机械抛光实现平坦化，采用光刻胶掩模，进行通孔光刻和刻蚀，通过钨塞7进行通孔填充；通过化学机械抛光后，再进行上极板导电层8溅射，通过光刻和刻蚀工艺，形成上极板导电层引出，完成mtm反熔丝完整结构制作。

反熔丝单元器件制作完成后，后期需要对反熔丝单元进行编程特性评价，包括编程良率、编程后可靠性是反熔丝单元器件的重要特性指标，这和反熔丝单元编程电流或者电流密度密切相关。采用平板结构的反熔丝单元编程电流通路具有不确定性，可以发生在平板面的各个区域或者均匀的分布在平板区域。编程区域的不确定性给反熔丝单元可靠性带来隐患，而编程电流均匀分布则又造成编程电流密度过小，会出现编程不彻底现象，从而进一步影响编程电阻后期工作的可靠性。在国外的一些反熔丝单元结构中，通孔下结构有在反熔丝膜层上开窗口的做法，可以有效地限制编程击穿位置和提升编程电流密度，但是这种窗口形成的等离子体或者物理轰击刻蚀工艺存在对反熔丝膜层带来损伤的风险，通孔上反熔丝单元结构工艺，可以限制编程击穿位置和提升电流密度，但造成了工艺复杂度和成本的显著增加。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通孔下mtm反熔丝的制备方法，以解决现有制作反熔丝的工艺方法复杂度和成本高、且制作出的反熔丝可靠性低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种通孔下mtm反熔丝的制备方法，首先在衬底材料上依次形成金属间介质层和下极板导电层，在所述下极板导电层表面淀积下极板阻挡层，还包括如下步骤：

在下极板阻挡层上形成凹槽窗口；

在形成凹槽窗口的下极板阻挡层的表面淀积反熔丝膜层，在所述反熔丝膜层的表面淀积上极板阻挡层；

刻蚀所述上极板阻挡层和所述反熔丝膜层；

刻蚀所述下极板阻挡层和所述下极板导电层；

通过钨塞填充通孔，再进行上极板导电层溅射。

可选的，所述步骤在下极板阻挡层上形成凹槽窗口具体为：通过光刻胶掩模工艺在下极板阻挡层上进行图形刻蚀，采用定时刻蚀，形成凹槽窗口。

可选的，所述凹槽窗口底部的横向宽度尺寸为0.1um～2um，纵向深度尺寸不小于0.01um，纵横比为1:10～1:2，凹槽窗口的底部横向尺寸不大于其顶部横向尺寸，所述凹槽窗口的剖面形貌横向尺寸也不能呈现顶部和底部尺寸小于凹槽中心尺寸的鼓型。

可选的，在形成凹槽窗口的下极板阻挡层的表面淀积反熔丝膜层的方法包括化学气相淀积和物理气相溅射的生长方法；所述反熔丝膜层的厚度为20nm～200nm。

可选的，在进行步骤刻蚀所述上极板阻挡层和所述反熔丝膜层时，刻蚀停止在所述下极板阻挡层上。

可选的，在进行刻蚀所述下极板阻挡层和所述下极板导电层时，刻蚀停止在所述金属间介质层上。

可选的，在通过钨塞填充通孔，再进行上极板导电层溅射之后，通过光刻和刻蚀工艺，形成上极板金属引出，完成通孔下mtm反熔丝的制作。

可选的，所述上极板导电层的形成方法包括物理气相溅射和电镀方法。

可选的，所述上极板导电层的厚度为50nm～300nm，其材质为al、si、cu中的一种或者多种。

可选的，所述下极板阻挡层和所述上极板阻挡层的材质包括tin和tiw，厚度为50nm～300nm。

在本发明中提供了一种通孔下mtm反熔丝的制备方法，首先在衬底材料上依次形成金属间介质层和下极板导电层，在所述下极板导电层表面淀积下极板阻挡层，在下极板阻挡层上形成凹槽窗口；然后在形成凹槽窗口的下极板阻挡层的表面淀积反熔丝膜层，在所述反熔丝膜层的表面淀积上极板阻挡层；刻蚀所述上极板阻挡层和所述反熔丝膜层；刻蚀所述下极板阻挡层和所述下极板导电层；通过钨塞填充通孔，再进行上极板导电层溅射。本发明基于通孔下反熔丝单元结构，工艺简单，成本低，工艺可靠性高，反熔丝单元编程击穿区域限制在凹槽窗口的台阶处，编程电流密度大，有利于编程后反熔丝单元工作可靠性。

附图说明

图1(a)～图1(g)是现有通孔下反熔丝单元制作工艺步骤示意图；

图2(a)是在衬底材料上依次形成金属间介质层和下极板导电层的示意图；

图2(b)是在下极板导电层的表面生长淀积下极板阻挡层的示意图；

图2(c)是在下极板阻挡层上形成凹槽窗口的示意图；

图2(d)是在形成凹槽窗口的下极板阻挡层的表面淀积反熔丝膜层的示意图；

图2(e)是在反熔丝膜层的表面淀积上极板阻挡层的示意图；

图2(f)是刻蚀上极板阻挡层和反熔丝膜层的示意图；

图2(g)是刻蚀下极板阻挡层和下极板导电层的示意图；

图2(h)是最终形成的通孔下mtm反熔丝的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种通孔下mtm反熔丝的制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种通孔下mtm反熔丝的制备方法。包括如下步骤：

如图2(a)所示，在衬底材料1上依次形成金属间介质层2和下极板导电层3。具体的，该衬底材料1是符合集成电路生产工艺的半导体材料或绝缘层上的半导体材料，可以为硅，锗或者soi等，并且该技术领域的技术人员能够理解，该衬底材料1依照集成电路基线工艺完成了相应前端工艺器件制备；所述金属间介质层2具体为集成电路基线工艺金属和介质层；所述下极板导电层3采用物理气相溅射工艺方法或者电镀方法形成，所采用的金属材料为al、si、cu中的一种或者几种。

接着，在所述下极板导电层3的表面采用物理气相溅射工艺方法生长淀积下极板阻挡层4，如图2(b)，所述下极板阻挡层4的材质可以为tin或者tiw，且厚度为50nm～300nm；所述下极板阻挡层4用于避免后期形成的反熔丝膜与下层金属(即下极板导电层3)发生扩散互溶而造成反熔丝单元的失效；

如图2(c)所示，通过光刻胶掩模工艺在下极板阻挡层4上进行图形刻蚀，采用定时刻蚀，形成凹槽窗口在下极板阻挡层4上形成凹槽窗口；该凹槽窗口的纵向深度和横向宽度尺寸一般根据工艺能力决定，一般的说，其底部横向尺寸为0.1um～2um，纵向深度尺寸不小于0.01um，纵向深度尺寸与横向宽度尺寸比(即纵横比)为1:10～1:2，凹槽窗口的底部横向尺寸不大于其顶部横向尺寸，凹槽窗口的剖面形貌横向尺寸也不能呈现顶部和底部尺寸小于凹槽中心尺寸的鼓型；

请参阅图2(d)，采用化学气相淀积或者物理气相溅射的生长方法，工艺温度保持在400度以下，在形成凹槽窗口的下极板阻挡层4的表面淀积反熔丝膜层5，所述反熔丝膜层5对所述下极板阻挡层4无空洞覆盖，与下极板阻挡层4直接无缝接触。所述反熔丝膜层5的材质为硅，其厚度为20nm～200nm。优选的，所述反熔丝膜层5的生长工艺采用硅烷化学分解或者硅靶材溅射，为非晶结构；

如图2(e)，采用物理气相溅射工艺方法在所述反熔丝膜层5的表面淀积上极板阻挡层6；所述上极板阻挡层6对所述反熔丝膜层5无空洞覆盖，与所述反熔丝膜层5直接无缝接触；所述上极板阻挡层6的材质可以为tin或者tiw，且厚度为50nm～300nm；所述上极板阻挡层6用于避免后期形成的反熔丝膜与上层金属(即上电极导电层金属8)发生扩散互溶而造成反熔丝单元的失效。

如图2(f)所示，采用光刻胶掩模刻蚀所述上极板阻挡层6和所述反熔丝膜层5，刻蚀停止在下极板阻挡层4上，对所述下极板阻挡层4具有一定的过刻蚀现象；

如图2(g)所示，采用光刻胶掩模刻蚀所述下极板阻挡层4和所述下极板导电层3，刻蚀停止在金属间介质层2上；

如图2(h)所示，进行布线介质淀积，在并通过化学机械抛光实现平坦化，采用光刻胶掩模，进行通孔光刻和刻蚀，通过钨塞7填充通孔，通过化学机械抛光后再进行上极板导电层8溅射，最后通过光刻和刻蚀工艺，形成上极板金属引出，完成通孔下mtm反熔丝的制作。所述上极板导电层8的厚度为50nm～300nm，所采用的金属材料为al、si、cu中的一种或者几种。

本发明基于简洁的通孔下反熔丝平板结构，对下极板阻挡层进行优化，形成一个窗口台阶，该窗口台阶可以限定mtm反熔丝在编程时的击穿的区域位置，有效地提升了mtm反熔丝的编程电流密度，极大的改善反熔丝单元编程良率和后期工作可靠性，在制作工艺上，相比常规通孔下反熔丝单元结构，仅增加一步光刻和刻蚀工艺，工艺成熟，但相比通孔上反熔丝单元结构工艺，在工艺复杂度和工艺成本具有极高优势。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。