专利名称:在集成电路上执行电功能的方法及集成电路结构的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及集成电路，尤其涉及在集成电路中执行例如熔断操作的电功能，及其制造方法。
背景技术：
熔断器和抗熔断器是在多种电路应用中使用的可编程电子器件。熔断器通常是闭合的，当熔断或者程控时导致“断路”或者电阻增大。抗熔断器类似于熔断器是可编程的。然而，抗熔断器通常是断开的，具有电容器状结构。当抗熔断器熔断时或者程控时，这导致了短路或者减小的电阻。
对于熔断器和抗熔断器有很多应用。在集成电路中的一个特殊应用是使用冗余提高产量。例如，通过在存储芯片上提供冗余存储器单元，故障的或者不需要的电路或者模块可以和电路操作脱离，由此提高了产量。这可以通过对熔断器或者抗熔断器编程实现，以改变、断开或者旁路有源电池或者电路，并允许使用冗余存储器单元代替不起作用的电池。类似地，可以使用熔断器和/或抗熔断器重新传送信息。
对于熔断器和抗熔断器的另一个典型应用是定制制造好的集成电路(IC)。通过编程熔断器和/或抗熔断器(例如通过熔断或者断裂所选择的熔断器和抗熔断器)可以将一个IC结构用于多个应用，以停用和选择电路路径。因此，可以经济地制造单个集成电路设计并适用于多种常规用途。
在制造出集成电路之后，还可以使用熔断器和抗熔断器编程芯片识别(ID)。例如，可以对一组1和0编程，以识别IC，使得用户例如将知道它的程序设计和器件特性。
通常，将熔断器或者可熔断的连接组合在集成电路设计中，然后可选择地对这些熔断器或者可熔断的连接编程，例如，通过使足够大的电流流过所选择的熔断器使得它们熔断和断开连接导致的熔断或者断裂。
因此所期望的是，通过在制造之后的测试之后包括冗余元件来提高集成芯片的产量，这些冗余元件可以代替芯片上的一些特殊的故障电路或者部件。还同样重要的是，具有这样的方法，通过替换具有冗余元件的芯片的一些故障部分，在正常领域运行过程中修补故障芯片，由此有效地改善整体可靠性和可用性。
在应用光成像传感器的技术中，通过组合关于光检测的技术的特征可以实现产量和可靠性的提高。涉及光成像技术的一个特定实例是用于电荷累计的电容器的广泛使用。大量的这些电容器可以对产量和可靠性产生影响，以及由此具有在运送给顾客之前可以实现为硬件的冗余电容器电路，并且在使用的过程中提供修补将是非常有益的。用于产量和可靠性的冗余元件的实施在封装级处通常需要额外的销钉，其中可以在封装级处实施编程从而完成修补的实施。在很多应用和设计中，在用于这种实施的封装级处具有额外的销钉是不方便或者不可能的。
发明内容本发明的目的是改善集成电路中使用的可执行电功能，例如熔断操作。
本发明的另一个目的是，为获得使用光传感器技术的集成电路中的产量/特性或者可靠性，通过简单的指令执行功能。
本发明的再一个目的是，通过光谱选择的外部光启动，而由嵌入芯片的光电二极管启动，从而在集成电路中执行电功能，例如熔断操作。
本发明的另一目的是，提供一种集成电路和制造集成电路的方法，该集成电路包括嵌入芯片的光电二极管，用于通过由光谱选择外部光启动所述光电二极管来执行电功能。
本发明的这些和其它目的通过如下的方法、相应的结构和电路实现，所述方法为，通过光谱选择的外部光启动，而由嵌入芯片的光电二极管启动，从而执行例如熔断操作的电功能。本发明基于结合特定强度/波长特性的入射光与集成电路的附加电路元件，进行修补的实现，也就是用冗余元件代替故障电路元件来提高产量和/或可靠性。在封装时不需要额外的销钉。
参考附图考虑下述的具体描述，本发明的其它益处和优点将变得明显，它们列举并示出了本发明的优选实施例。
图1是具有光传感器掩模级的集成电路的截面图；图2是示出了光启动电子熔断器的电路图；图3是示出在图2的电路运行中多个电压随时间变化的时序图；图4是示出光电二极管电压随时间变化的曲线图；图5是示出光电二极管到达检测电平或者阈值电平的时间量随光电二极管的照明级变化的曲线；图6是表示本发明用于多熔断器应用的电路图；图7是具有二极管基ESD保护的I/O电路示意图。通过熔断操作可以将该ESD保护器件和输入焊盘断开。
具体实施方式现在参考附图描述本发明。在这些图中，已经以简化的方式示出和示意性地表示了该结构的多个方案，以更清楚地描述和解释本发明。例如，附图不意味着按照比例。而且，该结构的多个方案表示成具有特殊的形状；然而，本领域技术人员将可以理解的是，本发明不局限于任何特殊形状的结构。
如上所述，本发明通常涉及集成电路或者半导体结构，以及图1示出了和执行本发明的优选实施例功能相关的集成电路10的处理级的截面。通常，集成电路10可以包括常规的处理级，其具有由P+衬底14的p-epi区域12中N+杂质形成的光电二极管N1。下面的处理级通常具有包括PSG(磷硅酸盐玻璃)16、中间级介电层(ILD)20、22、24和金属级M1、M2和M3的集成电路处理。上处理层包括氧和氮的最终钝化层26、30、然后是色彩过滤级32、然后是平面层34和微型透镜36。为了实现本发明的功能，选择红色过滤器，使得它只对用于执行熔断器操作的红色敏感，在下面更具体地解释。因此，当没有执行熔断器操作时，在本发明中使用的优选电路将不对通常呈现的光敏感。
可以以任何适当的方式构成结构10。下衬底14可以由任何适当的材料构成，例如该衬底可以是体硅衬底。如上所述，层26优选由氧化物材料构成，并以任何适当的方式沉积。可以通过提供适当的衬底，并然后注入P型掺杂剂形成P-epi层和注入N型掺杂剂形成半导体区域12以形成光电二极管N1。可以使用任何适当的掺杂剂形成N区和P区；例如，N型掺杂剂可以是磷或者砷离子，以及P型掺杂剂可以是硼离子。而且，可以使用任何适当的掩模技术或者其它适当的目标离子注入工艺，将N和P型掺杂剂注入在区域12的所需区域中。
图2示出了光电二极管扩散区N1，其具有和执行本发明的功能相关的优选电路。例如，光电二极管N1将它上面的入射光设计成执行熔断器的操作。晶体管NFET1为光电二极管完成复位功能。当复位输入(RST)高时，NFET1“导通”，以及N1被充电到电压Vdd。当RST变为低时，根据N1附近的产生-复合工艺以及入射光的量，扩散区N1上的电压开始随时间降低。当N1(VPD)两端的电压到达检测电平时，该值是低于Vd2的阈值电压，晶体管PFET1“导通”，以及晶体管NFET2(Vg)的栅极变为Vd2，其高于晶体管NFET2的阈值电压，因此NFET2将“导通”，以及在e-熔断器进行熔断操作。应当注意的是，为了清楚，图2没有示出熔断操作怎样用好的元件代替坏的电路元件的细节，或者一旦封装芯片被放置在系统中时ESD保护器件怎样和输入焊盘断开的细节。这些细节是公知的并且是本领域容易理解的。
图3中示出了用于熔断操作的时序图的细节。用于光电二极管N1、RST的复位信号具有WRST的宽度和TRS的周期。可以以任何适当的方式产生RST。例如，可以从像素时钟产生RST，其是这样的时钟类型，其中的很多集成芯片用于执行芯片的正常像素功能，并且通常具有比RST高的频率。
参考图2和3，当施加RST时，通过NFET1将N1充电到电压Vdd，以及当RST变为零时，N1根据下述的公式开始下降C(V)×dV(t)/dt＝-(lgr+IP) (1)其中C(V)是N1的节点电容，V(t)＝VPD是跨接N1的电压，lgr是和N1的耗尽层相关的产生复合电流，以及IP是光电流。当电压VPD达到低于Vd2的阈值电压的检测极限时，PFET1“导通”。PFET1从VPD下降开始到导通需要的时间是TDT。连接到PFET1一侧的电压Vd2是具有和RST相同频率的信号，但是具有Td2的脉宽，并在RST下降时启动。在PFET1的另一扩散端的电压Vg具有和Vd2相同的频率，但是从Vd2偏移时间TDT，并具有TP的脉宽。优选，脉宽TP足以通过晶体管NFET2执行熔断操作，其中通过Vd1(可编程的偏置)提供的电流IF应当流动TP的持续时间。
将使用分级的节点讨论本发明的优选操作，其中用下述的公式给出节点电容C(V)C(V)＝APD×(Q×a×εSI2/12)1/3×V(t)-1/3(2)APD是光电二极管N1的面积，Q是1.6021×10-19库仑的电子电荷，a是节点N1处的净掺杂梯度，以及εSI是1.0448×10-10法拉/m的硅的介电常数。通过下述公式给出电流IgrIgr＝[APD×Q×N1/(2×τ)]×W (3)其中N1是在27℃的室温下等于1.6×1016/m3的本征载流子浓度，τ是在空间放电区域中的有效寿命，以及W是空间放电宽度，其通过下述公式给出W＝[12×εSI/(Q×a)]1/3×V(t)1/3(4)通过下述公式给出光电流IPIP＝I×APD×H (5)
其中I是p-n结构的感光性，以及H是ft.cd.中的照明级。例如下述的值被赋值为T＝1.6μsec.，a＝3×1029m-4，I＝0.05A/m2·fc，以及APD＝10mil2＝6.25×10-10m2。
将方程(2)、(3)、(4)和(5)代入方程(1)产生下述微分方程{V(t)-2/3×[dV(t)/dt]}+{I×H×[12/(Q×a×εSI)1/3]×V(t)-1/3}+{[NI/(2×τ)]×[144×Q/(a2×εSI)1/3]}＝0(6)对于方程(6)显解不存在，但是最好通过数字技术解出方程，其中逐步地增加电压V(t)，并计算出相应的d(t)。图4示出了对于跨接N1的初始电压Vdd是2.5V的情况，跨接光电二极管N1的电压V(t)随时间变化的方程(6)的解，其中照明级H作为参数。图5示出了检测电平VDT是0.5V的情况时TDT相对于照明级的变化，其中初始电压作为参数。如上面所给出的，TDT是VPD达到检测电平VDT的时间，所述检测电平VDT是PFET1的一个阈值电压、并低于电压Vd2。
图5示出了对于非常低的照明级，检测时间TDT可以延伸到靠近1秒或更高。并且如所期望的，TDT随着初始电压Vdd降低而降低。
和图2中的晶体管NFET2相关的e熔断器可以是任何适当的或者常规的e熔断器，例如，可以具有下述的运行条件可编程的电压Vd13.3V可编程的NFET2的最大电流ION10mA＜ION＜15mA可编程的时间TP0.2毫秒＝＜TP＜1.5ms本发明的操作可以是说明性的，例如用TP＝0.3ms的值作为操作点。对于操作点，NFET1的栅极(RST)的输入电压VRST高于NFET1的阈值电压，并设置为3.3V。初始电压Vdd可以具有从0.7到3.3V的电压，以及操作点在2.5V。VPD需要达到导通PFET1的检测电平VDT是0.5V。将Vd2设置为1.0V(V2)，其是高于VDT的阈值电压(对于PFET1＝-0.5V的Vt)。而且，在Vd2＝1.0V时，在NFET2(V1)栅极的电压Vg为1.0V，其高于NFET2(0.5V)的Vt。从图5可知，在0.5V的检测电平以及2.5V的初始电压下，在10ft.cd的照明级(H)下TDT大约是1.4×10-3秒，以及在100ft.cd.的照明级时大约是10-4秒。10ft.cd的照明级(HM)被认为是可以显示的最强的背景照明，也就是，入射在没有启动(执行)本发明所提供的熔断操作的光电二极管N1上。100ft.cd的入射照明级(H0)是执行本领域所提供的熔断器操作所需的级别。还选择图1中40所示的过滤器放置在上述光电二极管N1上，以最小化由于背景光而可能引起的偶然执行熔断器操作的可能性，使得N1只对红光具有选择性。
可以使用在光电二极管N1上施加2秒钟具有下述公式给出的照明级(HE)的红光，来执行用于增大产量(晶片级)或者可靠性(封装级)的熔断器操作的实施，也就是，用良好的冗余元件代替坏的元件HE＝H0×QE (7)其中QE是系统的量子效率，通常大约是0.35。参考图3，在信号Vd2的宽度Td2为1.6×10-3秒的情况下，上述的操作条件得到满足。将信号RST的周期TRS设置为1.8毫秒，以及信号RST的宽度WRST设置为0.01毫秒。使用图4和5可以利用不同的操作条件。
图6示出了本发明在下述情况中的应用，其中为了产量和可靠性，很多熔断器62、64、66可以替换几个故障元件。使用多路输出选择器68选择熔断器，一次使用一个来用冗余元件替换坏的元件。
图7示出了本发明的第二个应用。对于高速I/O，该应用使用上述的光学装置断开静电放电装置(ESD)。例如，高速I/O可以是高性能电路的一部分，例如ASIC，它们置于与光传感器相同的芯片上。根据获得低电阻和低故障电流决定ESD二极管的尺寸，以安全地对ESD脉冲放电。ESD保护装置的目标是保持I/O焊盘电压(Vpad)低于NFET驱动器/PFET驱动器的启动电压(Vt1)；以及保持栅极节点的电压(Vgate)低于接收器的栅极氧化物故障的故障电压(Vox，bv)。
但是ESD二极管对I/O焊盘增加了足够的电容，这反过来影响了高速I/O的性能。本发明的解决方案是在封装之后断开ESD二极管和I/O焊盘，以消除对高速I/O的影响。这可以通过使用ESD放电路径中适当数量的e熔断器并在封装之后使用光学装置熔断它们来实现。
本发明的优选实施例具有很多重要的优点。例如，可以使用本发明有效地提供冗余和/或电功能的实地编程，而在集成电路封装上不需要额外的销钉。而且，很多现有的集成电路设计包括光传感器技术，并且本发明非常适合组合到这些电路设计中。
尽管可以理解的是，可以很好地考虑这里公开的本发明，以实现上述的目的，但是将可以理解的是，本领域技术人员可以设计出很多变形和实施例，附带的权利要求
将会覆盖所有落在本发明的实际精神和范围内的变形和实施例。
权利要求
1.一种在集成电路芯片上执行电功能的方法，包括以下步骤通过光谱选择外部光启动来启动芯片中的光电二极管；以及使用所述启动的光电二极管启动所述芯片上的电功能。
2.根据权利要求
1的方法，还包括以下步骤以给定的频率向所述光电二极管施加复位信号，以将所述光电二极管充电到给定的电平，以及其中所述启动步骤包括向所述光电二极管施加所述外部光的步骤，以将跨接所述光电二极管的电压减小到低于阈值电平。
3.根据权利要求
1的方法，其中所述电功能是熔断操作。
4.根据权利要求
1的方法，其中所述电功能是从输入焊盘断开ESD保护装置。
5.根据权利要求
1的方法，还包括以下步骤向所述光电二极管施加限定的偏置电压，以及其中所述启动步骤包括向所述光电二极管施加所述外部光的步骤以克服所述偏置电压。
6.根据权利要求
1的方法，还包括以下步骤过滤传导到所述光电二极管上的光，以避免环境光启动所述光电二极管。
7.一种集成电路结构，包括一组半导体层，其中一个所述层包括光电二极管；电装置，用于执行所述集成电路中的电功能；以及启动电路，其连接所述光电二极管与所述电装置；其中使用所述光电二极管的启动，以使得所述电装置完成所述电功能。
8.根据权利要求
7的集成电路结构，其中所述电路包括以给定的频率将复位信号施加给所述光电二极管以将光电二极管充电到给定电平的装置；以及其中当跨接所述光电二极管的电压降到低于阈值电平时，启动所述光电二极管以使得所述电装置完成所述电功能。
9.根据权利要求
8的集成电路结构，其中所述启动电路包括位于与所述电装置串联并具有导通和关断状态的程序晶体管；以及使用所述光电二极管的启动，以使得所述程序晶体管从关断状态切换到导通状态，以允许电流穿过所述电装置，并由此使得所述电装置完成所述电功能。
10.根据权利要求
9的集成电路结构，其中所述电路包括位于串联在所述光电二极管和所述程序晶体管之间的阈值晶体管，用于确定所述程序晶体管从关断状态切换到导通状态的电压电平。
11.根据权利要求
7的集成电路结构，其中所述电装置是熔断器器件，其结合用好的电路元件替换不好的电路元件而使用。
12.根据权利要求
7的集成电路结构，其中所述电装置是静电放电器件，其结合从输入焊盘断开ESD保护器件而使用。
13.一种制造半导体结构的方法，包括以下步骤形成一组层以形成集成电路；在所述层的一个中嵌入光电二极管；以及提供具有电装置的集成电路，用于实现电功能；其中使用所述光电二极管的启动，以使得所述电装置完成所述功能。
14.根据权利要求
1的方法，其中所述提供步骤包括在连接所述光电二极管与所述电装置的集成电路中形成启动电路的步骤。
15.根据权利要求
14的方法，其中所述启动电路包括连接到所述光电二极管的复位装置，以向所述光电二极管施加限定的电压。
16.根据权利要求
13的方法，其中所述层的另一个是滤光器，以避免环境光启动所述光电二极管。
17.根据权利要求
13的方法，还包括提供具有透镜的集成电路的步骤，用于将所选择的光聚焦到所述光电二极管上，以启动所述光电二极管。
18.根据权利要求
13的方法，其中所述层中的一个是p-epi层；以及所述嵌入步骤包括在所述p-epi层中形成N+阱的步骤，以形成所述光电二极管。
专利摘要
一种实现例如熔断操作的电功能的方法、以及相应的结构和电路，所述电功能通过嵌入芯片的光电二极管启动，所述光电二极管通过光谱选择的外部光启动。本发明基于结合特定强度/波长特性的入射光与集成电路的附加电路元件，进行修补的实现，也就是用冗余元件代替故障电路元件来提高产量和/或可靠性。当封装芯片置于系统中时，还完成将ESD保护装置从输入焊盘断开。在封装时不需要额外的销钉。
文档编号H01L23/52GK1992297SQ200610168920
公开日2007年7月4日 申请日期2006年11月14日
发明者W·W·阿巴德尔, R·J·小戈捷, M·J·奥塞尔, K·V·查蒂, J·W·阿基森, J·S·布朗, J·H·兰基, W·R·通蒂 申请人:国际商业机器公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan