CN100390952C

CN100390952C - 切断熔丝结构的方法

Info

Publication number: CN100390952C
Application number: CNB2005100759785A
Authority: CN
Inventors: 吴炳昌
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: CN1870238A

Abstract

本发明提供一种熔丝结构切断方法，该熔丝结构设于一基底之上，且该熔丝结构包括一导体，以及一膜厚均匀的绝缘层，覆盖于该导体的表面，该方法包含去除该导体表面部分的该绝缘层，以暴露部分的该导体表面，以及进行一化学反应，经由暴露部分该导体表面将该导体反应成一绝缘物。

Description

切断熔丝结构的方法

技术领域

本发明涉及一种熔丝结构切断方法，特别是涉及一种熔丝结构切断方法包含去除该熔丝结构的导体表面部分的该绝缘层，以暴露部分该导体表面，以完全氧化该导体成一氧化物。

背景技术

随着半导体工艺的微小化以及复杂度的提高，半导体元件也变得更容易受各式缺陷或杂质所影响，而单一金属连线、二极管或晶体管等的失效往往即构成整个芯片的缺陷。因此为了解决这个问题，现行技术便会在集成电路中形成一些可熔断的连接线(fusible links)，也就是熔丝(fuse)，以确保集成电路的可利用性。

一般而言，熔丝连接集成电路中的冗余电路(redundancy circuit)，一旦检测发现电路具有缺陷时，这些连接线就可用于修复(repairing)或取代有缺陷的电路。以存储器(memory)的结构为例，现有工艺会于结构的最上层制作一些熔丝的结构，其作用在于当存储器完成时，若其中有部分存储单元、字线(word line)或导线的功能有问题时，就可以利用熔丝跳接另一些冗余存储单元(redundant cells)、字线或导线来取代之。

而从操作方式来说，熔丝大致分为热熔丝和电熔丝(eFuse)两种。所谓热熔丝，是指其先通过一激光切割(laser zip)的步骤来切断热熔丝，再通过一包括切断(cut)、连接(link)等的激光修补(laser repair)的步骤，来切断坏的存储单元、字线(word line)或导线原本的电连接，或制作出一些新的电连接以补偿被报废的存储单元、字线或导线；至于电熔丝则是利用电致迁移(electro-migration)的原理使熔丝出现断路，以达到修补的效果。

就热熔丝来讨论，其材料通常为铝或铜，如为前者，是利用一连续的沉积(deposit)、光刻(photolithography)以及蚀刻(etching)工艺所制作；如为后者，则通常采用一双镶嵌工艺(dual damascence)来制作。但是，铝金属阶梯覆盖(step coverage)能力差，因此在0.13μm的工艺世代以后，线宽(line width)变小，高宽比(aspect ratio)相对增高，铝的阶梯覆盖能力不足以及电阻值较高便成为一严重问题。而随着半导体工艺越来越接近0.18μm，铜金属除了无铝金属阶梯覆盖的问题，另外，又因为铜金属具有较低的电阻可使的阻容迟滞(RC delay)下降，所以铜金属逐渐取代铝金属成为内连接金属的首选。但是铜金属于熔丝结构的应用上，因为铜金属会随着时间逐渐被氧化，所以一直无法取代现行工艺中的铝金属，所以探究如何应用铜金属特性制作熔丝结构一直为该领域的重要课题。

发明内容

本发明提供一种熔丝结构切断方法，以解决上述问题。

根据本发明，提供一种切断熔丝结构的方法，该熔丝结构设于一基底之上，该基底表面形成有至少一介电层，且该介电层表面形成至少一导体，以及一膜厚均匀的绝缘层，覆盖于该导体的表面，该方法包含去除该导体表面部分的该绝缘层，以暴露部分的该导体表面，以及进行一热氧化反应，以完全氧化该导体成一氧化物。

在本发明的又一最佳实施例中，则提供一种切断熔丝结构的方法，该熔丝结构设于一基底之上，且该熔丝结构包括一导体，以及一膜厚均匀的绝缘层，覆盖于该导体的表面。该方法是先去除该导体表面部分的该绝缘层，以暴露部分的该导体表面，然后再进行一化学反应，经由暴露的部分该导体表面将该导体反应成一绝缘物。

由于本发明的熔丝结构具有一绝缘层覆盖于导体上，使得不需要进行切断熔丝步骤时，该导体可维持其导电能力，但需要进行熔丝的修复或程序化时，只需去除该导体上的绝缘层即可受热氧化反应而形成绝缘物，便能达到切断熔丝的功效，故能有效地整合于铜工艺中，制作出铜金属的熔丝结构。

附图说明

图1为本发明的熔丝结构的上视结构图。

图2为本发明的熔丝结构的剖面示意图。

图3为本发明的熔丝结构去除保护层位置上视的示意图。

图4为本发明的熔丝结构去除保护层后的剖面结构图。

图5为本发明的熔丝结构经化学反应后的上视结构图

图6为本发明的熔丝结构经化学反应后的剖面结构图。

图7为氧化铜厚度与加热时间及温度的关系图。

简单符号说明

10半导体芯片 12介电层

14保护层 16导体

18绝缘层 20熔丝结构

22绝缘物

具体实施方式

请参阅图1与图2，图1为本发明熔丝结构的上视图，而图2为图1沿切线方向2-2’的剖面示意图。本发明熔丝(Fuse)结构20设于一半导体芯片10的一介电层(dielectric layer)12上，其包括一导体16以及一膜厚均匀的绝缘层(insulating layer)18，覆盖于导体16的表面。其中，介电层12可由二氧化硅(silicon dioxide)、氮化硅(silicone nitride)等的不导电材料所构成，用来当作金属间介电层(inter metal dielectric，IMD)，导体16则可利用金属内连线工艺与其它所需的金属内连线层(未显示)同时制作于介电层12表面，而绝缘层18，其材料可为氧化硅、氮化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)或者硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)等不导电的材料，此外，介电层12表面另外形成有一保护层(passivation layer)14，例如氮化硅，环绕于熔丝结构20的周围，用来保护形成于半导体芯片10中的各个元件(未显示)以及金属内连线层(未显示)，其中，绝缘层18和保护层14可由相同材料形成，尤其是导体16由传统铝工艺制作时，绝缘层18和保护层14可同时完成，也就是说，可于介电层12和导体16上直接制作保护层14即可达到绝缘层18的功用。

当存储器的制备程序完成时，若其中有部分存储单元、字线、位线或导线的功能有问题时，就可以利用本发明的熔丝结构来跳接另一些冗余的存储单元、字线或导线来取代之。请参阅图3至图6，图3至图6为切断本发明的熔丝结构的方法示意图，而图4与图6则分别为图3和图5沿切线方向4-4’以及沿切线方向6-6’的剖面示意图。如图3所示，本发明可以利用激光切割法以及热氧化反应来局部地、单一地切断特定的熔丝结构以进行修补工艺。例如先利用激光完全去除或部分去除覆盖于导体16表面的膜厚均匀的绝缘层18，如图4所示，以完全暴露或部分暴露出导体16，接着再进行一化学反应，以经由暴露的部分导体16表面而将导体16完全反应成一绝缘物22，如图5以及图6所示。

值得注意的是，由于本发明的导体16利用金属内连线工艺与其它所需的金属内连线层(未显示)同时制作于介电层12表面，而目前常用的金属内连线层多半为铝、铝铜合金以及铜，因此本发明的优选实施例则可以简单的利用热氧化反应，来将导体16完全反应成一绝缘物。例如，当导体16之上原有的绝缘层18已经被激光破坏之后，本发明即可通入热空气或纯氧化来进行热氧化反应，使导体16被氧化生成氧化铜(copper oxide)或氧化铝等的绝缘物22，不具有导电的功用，使得熔丝结构20被切断，达到熔丝结构20被设计来修复(repairing)的功能。而且，本发明亦可通入其它的气体成分来与导体16反应成其它的绝缘物，而通入的气体成分、气体流量、反应温度、反应时间则可视构成导体16的组成不同而有不同的选择，在此不多加赘述。

此外，本发明的熔丝结构更能应用于可程序化(programming elements)的功能IC中，以使各种客户可依不同的功能设计来程序化电路。因为为了节省研发与制作成本，现行晶片厂大多利用金属连线与存储阵列内每个晶体管相连接，并在连接线中增加一个程序化连结性元件，待半导体芯片制作完成后，再由外部进行数据输入，以独特化各个标准芯片成各式产品芯片。当可程序化只读存储器(Programmable ROM，PROM)进行数据输入时，如使用较高电压将连接在线的程序化连结性元件烧毁，而产生断路(off-state)，即完成”1”的输入；反之，未经烧毁的熔丝，晶体管连接线路仍存在而形成导通状态(on-state)，即相当于存入”0”。此种利用烧毁(blowing)熔丝的过程即为程序化(programming)，而且一旦程序化的熔丝将永久形成断路状态存在。经由程序化过程可使经程序化而形成断路状态的熔丝与未经程序化而形成通路状态的熔丝形成数字数据(digital bit)形式储存。

换句话说，本发明即可利用切断熔丝结构的方法来程序化电路。例如，在完成标准的存储器晶片后，本发明可利用具有不同只读码(ROM code)图案的光掩模来进行一蚀刻工艺，以部分去除覆盖于导体16表面的膜厚均匀的绝缘层18，如图4所示，以部分暴露出导体16，接着再进行一化学反应，以经由暴露的部分导体16表面而将导体16完全反应成一绝缘物22，如图5以及图6所示，依照各种客户的不同的功能设计来完全切断部分的熔丝结构，并保留部分的熔丝结构形成通路以程序化(programming)电路。

值得一提的是，本发明的熔丝结构20虽可适当地整合于双镶嵌(dualdamascence)工艺来加以制作。但是一般标准的双镶嵌工艺是在沟槽(trench)以及接触洞(via hole)中还形成有以钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)等导电材料所构成的复合式阻障层(barrier layer)，用来抑制铜发生扩散与迁移的现象。因此若是由铜金属来构成导线16的话，则在切断熔丝结构20以形成永久断路时，亦需要将具有导电能力的阻障层反应成绝缘物以形成断路，例如阻障层为钛金属则可经化学反应氧化成氧化钛(TiO₂)使其断路。此外，本发明也可以选择性地在利用双镶嵌工艺制备熔丝结构时，不沉积阻障层而直接形成铜的晶种层(seed layer)以电镀铜金属，如此，后续在进行切断本发明的熔丝结构工艺时，则只需要完成去除绝缘层18的步骤并单纯地将铜金属氧化成为绝缘物22，即可达到永久断路的目的。另外，由于铜非常容易氧化，因此在利用双镶嵌工艺来制作本发明的熔丝结构20之后，优选的实施方式是先去除镶嵌铜之间的介电层，一般为低介电常数的氧化硅，然后再沉积一膜厚均匀的绝缘层18，例如氮化硅，覆盖于铜的导体16的表面，以形成图2中的熔丝结构20。

最后请参阅图7，图7为氧化铜厚度与加热时间及温度的关系图。图7中温度为摄氏300度时的氧化铜厚度增加较摄氏200度时快，其中加热时间20分钟时，于摄氏300度高温下氧化铜厚度已经生成8000埃(

)，但摄氏200度才生成氧化铜2000埃()，足足相差四倍之多，而加热时间至50分钟时摄氏300度下生成氧化铜厚度12000埃(

)而摄氏200度生成氧化铜不到4000埃(

)，这表示金属铜的热氧化反应在越高温的环境下所生成的氧化铜越快也越厚，氧化反应越完全，换而言之，本发明的熔丝结构20经由一绝缘层18和一导体16所组成，当设计者需要该熔丝结构20进行修复或者程序化时，则利用一激光完全去除该导体16顶部表面部分的该绝缘层18，使得导体16暴露于空气中，并施以一热氧化反应，其中越高温的空气越能使导体16中的铜金属越快氧化成不导电的氧化铜，进而达到熔丝结构20修复和程序化的功用。

与现有技术相较，本发明的熔丝结构具有一绝缘层覆盖与导体上，使得不需要进行切断熔丝步骤时，导体内的铜金属一直具有导电的能力，但需要进行熔丝的修复或程序化时，只需去除该导体上的绝缘层即可使铜金属进行一热氧化化学反应，使得铜金属成为绝缘的氧化铜，达到切断熔丝的功效，充分将铜金属本身的特性加以利用，使得铜金属熔丝结构于不需利用时能妥善被保存，于需要进行熔丝结构切断时能快速被氧化并绝缘，本发明使得制成简单、应用方便。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种切断熔丝结构的方法，该熔丝结构设于一基底之上，该基底表面形成有至少一介电层，且该介电层表面形成至少一导体，以及一膜厚均匀的绝缘层，覆盖于该导体的表面，该方法包括下列步骤：

去除该导体表面部分的该绝缘层，以暴露部分的该导体表面；以及

进行一热氧化反应，以完全氧化该导体成一氧化物。

2.如权利要求1所述的方法，其中去除该导体表面部分的该绝缘层的步骤为利用一激光切割法。

3.如权利要求2所述的方法，其中该导体为一铜或铝导体。

4.如权利要求3所述的方法，其中该氧化物为氧化铜或氧化铝。

5.如权利要求4所述的方法，其中该绝缘层为一介电层。

6.如权利要求1所述的方法，其中去除该导体表面部分的该绝缘层的步骤为完全去除该导体顶部表面部分的该绝缘层。

7.一种切断熔丝结构的方法，该熔丝结构设于一基底之上，且该熔丝结构包括一导体，以及一膜厚均匀的绝缘层，覆盖于该导体的表面，该方法包括下列步骤：

进行一热氧化反应，经由暴露的部分该导体表面将该导体完全反应成一绝缘物。

8.如权利要求7所述的方法，其中去除该导体表面部分的该绝缘层的步骤为利用一激光切割法。

9.如权利要求7所述的方法，其中该导体为一铜或铝导体。

10.如权利要求9所述的方法，其中该化学反应为一高温氧化反应，且该绝缘物为氧化铜或氧化铝。

11.如权利要求7所述的方法，其中该绝缘层为一介电层。

12.如权利要求7所述的方法，其中去除该导体表面部分的该绝缘层的步骤为完全去除该导体顶部表面部分的该绝缘层。

13.如权利要求7所述的方法，其中该基底为一半导体基底，且该半导体基底表面形成有至少一介电层。

14.如权利要求13所述的方法，其中该熔丝结构设于该介电层表面。