CN100585847C - 熔丝系统和电熔丝编程的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可再编程电可熔断熔丝。使用电迁移效应编程电可熔断熔丝，并且使用反向电迁移效应再编程电可熔断熔丝。通过检测系统确定电可熔断熔丝的状态(即，“打开”或“闭合”)，其中所述检测系统将电可熔断熔丝的电阻与参考电阻相比较。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种包含在半导体结构内的熔丝。特别是，本发明提供一种能使用反向电迁移效应进行再编程的电熔丝。
背景技术
如本领域公知的，很多现代半导体集成电路包括熔丝，以便在制造工艺期间保护灵敏部件，并用于激活冗余电路，如在动态随机存取存储器(DRAM)情况下的冗余存储单元。通常有两种类型的熔丝，激光-可熔断熔丝和电(例如电流)可熔断熔丝。电可熔断熔丝在尺寸方面提供优于激光可熔断熔丝的优点。
利用激光可熔断熔丝，熔丝通常形成在集成电路表面上或其附近。照射熔丝材料的激光束使熔丝呈现非导电，由此阻止电流流过熔丝。尽管激光可熔断熔丝制造起来相对容易，但是它们也存在缺陷。例如，激光可熔断熔丝趋于表面取向，这限制了集成电路的设计。此外，激光可熔断熔丝趋于在集成电路的表面上占据大量空间，这是因为相邻熔丝或器件不必放置地太靠近熔丝或者在熔丝熔断操作期间可能遭受激光束损伤的风险。
另一方面，电可熔断熔丝不必放在集成电路的表面上或其附近。相应地，它们给设计者提供了熔丝放置的更大范围。一般情况下，电可熔断熔丝趋于比激光可熔断熔丝小，这使它们高度适合于用在当代高密度集成电路中。此外，电可熔断熔丝具有比常规激光可熔断熔丝更高的编程速度。
过去已经使用了各种措施来熔断电可熔断熔丝。近来使用的用于打开熔丝上的接点的一种技术采用了电迁移效应，其已经被看作是主要的金属失效机理。电迁移是金属导体的离子响应流过导体的高密度电流而移动的过程。这种运动可导致在导体中产生“空隙”，该空隙可生长到使导体不能通电流的尺寸。人们能利用电迁移效应的优点，从而在集成电路内的所希望部位选择性地打开金属接点(例如熔丝)。
这种电可熔断熔丝的一个限制是它们只能一次编程(例如，从状态“1”(导电)到状态“0”(非导电))。换言之，一旦电可熔断熔丝已经使用电迁移效应打开，则它不能再次闭合。因此，为了再编程或重构集成电路，需要冗余电可熔断熔丝和复杂的支持电路。
人们已经使用电流反向方法研究了关于电迁移相关损害的处理。这种处理的证据已经由E.Castano等人在题目为“In Situ Observationof DC and AC Electro-migration in Passivated A1 Linges”的文章、应用物理文摘，第59卷，第1部，1991年7月1日，第129-131页中报道了。在这篇文章中，展示了通过在反方向施加电流应力可以减小空隙尺寸。如图1所示，例如，发现在小于1小时内平均空隙尺寸从5.0μm2(点A)减小到1.5μm2(点B)。同样的研究由J.Tao等人在题目为“An Electro-migration Failure Model for Interconnects underPulsed and Bi-directional Current Stressing，”IEEE Trans on ElectronDevices，第41卷、第4部、1994年4月、第539-545页中提出。在这篇文章中，展示了由Al/Si构成的导体的电阻可在图2所示的正向和反向电流应力期间来回变化。然而，这些和其它这种研究都没有提供解决使用电迁移效应编程电可熔断熔丝的“只编程”特性的方案。
发明内容
本发明提供能使用反向电迁移效应再编程的电熔丝。使用电迁移打开电熔丝中的接点，然后使用反向电迁移使打开的接点闭合。提供的编程/再编程电路能使用这种可再编程电熔丝。
本发明的第一方案提供一种用于对电熔丝编程的方法，包括：
使用电迁移效应对电可熔断熔丝进行编程；使用反向电迁移效应对电可熔断熔丝进行再编程；使用所述电可熔断熔丝的一部分提供参考电阻；和通过比较所述电可熔断熔丝的电阻与所述参考电阻来确定所述电可熔断熔丝的状态。
本发明的第二方案提供一种熔丝系统，包括：
电可熔断熔丝；使用电迁移效应编程电可熔断熔丝的装置；使用反向电迁移效应再编程电可熔断熔丝的装置；参考电阻，由所述电可熔断熔丝的一部分提供；和通过比较所述电可熔断熔丝的电阻与所述参考电阻来确定所述电可熔断熔丝的状态的装置。
本发明的第三方案提供一种集成电路，包括：电可熔断熔丝；分别使用电迁移效应和反向电迁移效应编程和再编程电可熔断熔丝的装置；参考电阻，由所述电可熔断熔丝的一部分提供；和通过比较所述电可熔断熔丝的电阻与所述参考电阻来确定所述电可熔断熔丝的状态的装置。
本发明的第四方案提供一种用于对电熔丝编程的方法，包括：
使用电迁移效应对具有锥形颈区的电可熔断熔丝进行编程；使用反向电迁移效应对电可熔断熔丝再编程；在编程期间，在所述电可熔断熔丝的锥形颈区内形成空隙，并且在再编程期间，所述空隙至少被部分地重填；以及通过调节所述电可熔断熔丝的锥形颈区的锥角来控制空隙生长和收缩的速度。
附图说明
本发明的这些和其他特征从下面结合附图对本发明的各个方案的详细说明中更容易理解，其中：
图1-2表示使用电流反向方法的电迁移相关损害的处理。
图3A-3C、4A-4C、5A-5C和6A-6C表示根据本发明实施例的可再编程电熔丝的操作。
图7A-7C表示根据本发明另一实施例的可再编程电熔丝的操作。
图8表示根据本发明的用于可再编程电熔丝的编程和再编程电路。
图9表示根据本发明实施例的可再编程电熔丝的检测电路。
图10表示根据本发明的另一实施例的可再编程电熔丝的检测电路。
图11表示根据本发明实施例的可再编程电熔丝的物理布局。
图12-16是表示根据本发明概念在锥形结构中的预测电迁移行为的分析模型。
附图只是示意性的，不趋于表示本发明的特殊参数。附图意欲只表示本发明的典型实施例，因此不认为限制本发明的范围。在附图中，相同的标记表示相同的元件。
具体实施方式
在图3A-3C中示出了根据本发明实施例的可再编程电熔丝10(下面称为“e-熔丝10”)的一般操作。在本例中，e-熔丝10具有“狗骨”形，以便于编程和再编程操作。如图3A所示，e-熔丝10包括第一导电本体区12、第二导电本体区14、和在第一和第二导电本体区12、14之间延伸的导电颈区16。在编程期间，如图3B所示，响应电流I的施加，在e-熔丝10的颈区16中形成空隙18。产生空隙是因为所谓的“拥挤效应”，这是由电子从较大横截面区域(例如本体区12)流到较小横截面区域(例如颈区16)中引起的。这导致大温度梯度，这加速电迁移效应。空隙18的形成使e-熔丝10的电阻显著增加。应该注意的是，颈区16必须保持导电，以便允许e-熔丝10的再编程所需的反向电流。
在再编程期间，如图3C所示，响应相反方向电流I的施加，空隙18被再填并被推向本体区12的较大横截面，由此恢复e-熔丝10的电阻。产生这一点是因为所谓的电流“除拥挤效应”。然而，如果在相反方向施加太大电流应力，空隙18的尺寸在不同部位可能开始增加。到一定程度，为使本发明的e-熔丝10可再编程，必须：
(1)提供一种结构，允许金属按照可控方式在正向和反向电流流动方向迁移；
(2)产生大的电阻率变化；和
(3)提供参考电阻Rref，以便确定e-熔丝10的状态。在编程之前(和在再编程之后)，参考电阻Rref高于e-熔丝10的电阻。编程之后，参考电阻Rref远远低于e-熔丝10的电阻。
不同电压和电流可以施加于e-熔丝10，以便进行编程和再编程。在编程期间，e-熔丝10的电阻将升高到高于参考电阻Rref，而在再编程期间，e-熔丝10的电阻将下降到低于参考电阻Rref。
本发明提供用于检测e-熔丝10的电阻变化并将结果锁存到相应寄存器中的传感器电路(下面将详细说明)。一个参考电阻可以由一排e-熔丝10共享，以便节省功率和面积费用。在这种情况下，可以用连续方式进行检测，例如，在读取一排e-熔丝10之后的供电期间，并且将结果储存在一个或多个寄存器中。被储存的结果可用于提供关于编程状态的信息。寄存器可以包括小高速缓冲存储器，如DRAM或局部寄存器。
如图4A所示，所示e-熔丝10具有带有锥形的“狗骨”形状。大约45到75度的角度θ和具有从大约1/10到1/3的宽度/本体比的颈区16，取决于本体区12、14的宽度。如下面详细说明的，锥形便于e-熔丝10的编程/再编程。
图4B和4C分别表示沿着线4B-4B和4C-4C截取的剖面图。利用常规方式在e-熔丝10的底部淀积由如钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、氮化钛(TiN)或其组合的材料形成的均匀厚度的阻挡膜，以便形成阻挡层20。由于颈区16内的减小的表面面积，与本体区12、14相比，淀积的阻挡膜将比颈区16更厚。颈区18中的较厚的阻挡层20将在第三(即Z)维上使颈区16的横截面收缩。这增加了颈区16内的电流密度，由此增强了e-熔丝10中的电迁移效应。
然后淀积金属材料22，如铝(Al)、铜(Cu)、铝-铜(Al/Cu)合金、或易于电迁移的其它合适的金属材料，并平面化(例如，使用化学机械抛光(CMP))。耗尽区d1形成在本体区12、14的表面上。淀积介质材料(未示出)，以便覆盖e-熔丝10的上表面。
e-熔丝10的侧壁24包括由如Ti、Ta、W、TiN或其组合的材料形成的阻挡衬里。也可以使用其它导电材料如掺杂多晶硅或硅化扩散区。阻挡衬里可以用于相对于e-熔丝10的编程/再编程提供上述的参考电阻Rref。阻挡衬里的材料对电迁移效应不灵敏，并具有比编程之前(和再编程之后)的e-熔丝10的电阻高的电阻值和远低于编程之后的e-熔丝10的电阻值的电阻值。阻挡衬里的材料优选与生产线后端(BEOL)金属化工艺相容，以便限制处理成本。
编程之后，如图5A-5C所示，由于电迁移效应而在e-熔丝10的颈区16中产生空隙18。结果是，即使空隙18只部分地位于颈区16内，e-熔丝10的电阻急剧增加。控制编程条件(例如，电压、电流、温度等)，以便形成所希望的空隙18尺寸。如果空隙18尺寸太小，则e-熔丝10将被编程不足。如果空隙18尺寸太大，不可能再编程e-熔丝10。这些条件都是不希望的。
如图5B所示，在e-熔丝10的编程期间，金属从e-熔丝10的颈区16向本体区14迁移并积累到深度d2。作为结果，e-熔丝10的这个区域具有比编程之前更高的原子密度和更大的应力。金属的迁移导致至少部分地在e-熔丝10的颈区16内产生空隙18。不同程度的编程可用于产生具有不同深度的不同尺寸的空隙18’、18”等，并导致用于编程e-熔丝10的不同电阻值。编程之后的e-熔丝10的电阻远大于参考电阻Rref。
在e-熔丝10的编程期间，在室温或高温(例如100到250℃)下将高电压和高电流施加于e-熔丝10，从而在相对短时间内“打开”e-熔丝10。然而，必须注意的是，为了保证金属材料22的至少一部分材料保持在颈区16内，以便允许在e-熔丝10的后来再编程期间施加反向电流。
e-熔丝10的再编程示于图6A-6C中。如利用编程那样，在高电流、电压和室温或高温下但方向相反地进行e-熔丝10的再编程。如图所示，积累在e-熔丝10的本体区14上的额外的金属向颈区16迁移并至少部分地填充空隙18。希望在再编程期间进行原位监视，以便使颈区16内的空隙18的深度最小。再编程之后的e-熔丝10的电阻再次远低于参考电阻Rref。
本发明的另一实施例示于图7A-7C中。如图所示，可以使用导电双层金属结构32形成可再编程e-熔丝30。特别是，双层金属结构32的顶部金属层34可以使用易于电迁移的金属材料形成，而双层金属结构32的底部金属层36可以使用不太易于(或不易于)电迁移的金属材料形成。例如，由于纯铜(Cu)比纯铝(Al)或Al的某些合金的电迁移性至少高2-4倍，因此顶部金属层34可由铜形成，而底部金属层36可由Al或其合金形成。在本发明的另一实施例中，金属层34和36可以是反向的，使得易于电迁移的金属材料位于不太易于(或不易于)电迁移的金属材料之下。易于电迁移的金属材料还可以被夹在不太易于(或不易于)电迁移的金属材料的层之间或其周围。
在e-熔丝30的编程期间，如图7B所示，在顶部金属层34中形成空隙38，这增加了可再编程e-熔丝30的电阻，使其远大于e-熔丝30的参考电阻Rref。在再编程期间，如图7C所示，空隙38至少部分地被重填，并且e-熔丝30的电阻减小。任何合适的双层或多层结构都可以用于可再编程e-熔丝30。顶部金属层36也可以用于提供参考电阻Rref，来代替上述的阻挡衬里。
图8中示出了用于根据本发明的可再编程e-熔丝10的编程和再编程电路40。在编程期间，控制管脚“F”设置为高电平，使得两个nMOS器件N11和N12导通，但是另外两个nMOS器件N10和N13截止。具有预置电流脉冲高度和宽度的编程电流从网络A向网络B施加于e-熔丝10。同样，在再编程期间，控制管脚“f”设置为低电平，使得两个nMOS器件N11和N12截止，但是另外两个nMOS器件N10和N13导通。具有另一预置电流脉冲高度和宽度的再编程电流从网络B向网络A以相反方向施加于e-熔丝10。
在图9中示出了根据本发明一个实施例的用于再编程e-熔丝10的示意检测电路50。如图所示，e-熔丝10和具有电阻Rref的参考元件Rref用做交叉耦合nMOS器件N1和N2的负载。控制管脚“采样”用于激励检测操作。“采样”信号被限制到pMOS器件P1和nMOS器件N3的栅极上。编程之后，大部分电流将流过N1并使节点B为“高电平”，这是因为编程之后的e-熔丝10的电阻应该基本上高于参考元件Rref。最后“高”状态被锁定在锁存寄存器52中。另一方面，再编程之后，e-熔丝10的电阻应该基本上低于参考元件Rref的电阻，并且更多的电流将流过N2并使节点B为“低”。最后“低”状态被锁存在锁存寄存器52中。在编程和再编程期间，“采样”信号截止，使得节点A和B都处于浮置状态。然后，如图8所示，N12(编程)或N13(再编程)导通，并且提供到达地的路径，以便允许电流只流过e-熔丝10。
检测电路50不允许参考元件Rref在多个e-熔丝10之间共享。如果参考元件Rref的尺寸相对较小，则这个方案是可接受--可以给每个e-熔丝10提供单独的参考元件Rref。或者，可以使用检测电路60，如图10中所示的，其中参考电路64中的单一参考元件62由多个e-熔丝单元66共享(只示出一个)。在检测电路60中，使用参考单元64产生等于(Vdd-I＊Rref)的参考电压，其中I是流过由pMOS器件P51和nMOS器件N51和N61形成的参考路径的电流，Rref是参考电阻Rref的电阻。电流I被共享电流源68形成镜像。
每个e-熔丝单元66包括e-熔丝70。相同量的电流I经过nMOS器件N62成镜像。节点B上的输出电压是Vdd-I＊Rr，其中Rf是e-熔丝70的电阻。比较器72由两个pMOS器件P53和P54、两个nMOS器件N52和N54以及跟踪器件N63形成。
参考单元64的输出(节点C)限制到nMOS器件N53的栅极，e-熔丝路径的输出(节点B)限制到nMOS器件N54的栅极。编程之后，Rf＞Rref，节点B上的电压低于节点C上的电压，使得比较器72将变为高电平，高电平状态将被锁存器74锁定。
图11中示出了根据本发明的用于可再编程e-熔丝系统80的示意物理布局。如图所示，e-熔丝系统80的物理布局包括编程功率和定时发生器82、再编程功率和定时发生器84、和多个e-熔丝单元86。每个e-熔丝单元86还包括e-熔丝模块88、检测元件90和锁存器92。编程功率和定时发生器82和再编程功率和定时发生器84可合并成一个单元。
如上所述，使用锥形颈区16便于e-熔丝10的编程/再编程。下面介绍表示锥形结构中的预测电迁移行为的分析模型。
图12中示出了这个分析中使用的锥形结构100。如图所示，锥形结构100包括第一和第二本体区102、104以及在第一和第二本体区102、104之间延伸的颈区106。第一和第二本体区102、104各具有0.5μm的厚度，而颈区106的厚度从最小值0.14μm变化到最大值0.5μm。颈区106的锥形由锥角β表示。基于锥形结构100，检查下列项目：
(A)在正向电流应力期间的空隙生长，以及在反向电流应力条件期间的空隙收缩；
(B)锥形几何(β)的效果--改变锥形颈区106的长度，保持相同的最小和最大宽度；和
(C)对于被选定的空隙尺寸(例如，0.125、0.25和0.5μm)形成空隙和除去空隙所需的时间。
使用下面的分析模型假设：
(A)从锥形颈区106的开始(即，最窄宽度区)引发空隙生长(没有潜伏时间)；
(B)从空隙移走的金属(例如Cu)淀积在锥形颈区06的端部；
(C)在反向电流期间，金属再次淀积在空隙中；
(D)来自未覆盖结构上的数据的空隙生长动力学，T＝225℃；
(E)生长速度相对于温度具有指数关系；和
(F)生长速度相对于电流密度具有线性关系。
基于这些模型假设条件，对于长度为1.0μm的锥形颈区106，正向电流应力期间(穿过0.5μm宽度线，J0＝70mA/μm2)的预测空隙生长示于图13中。对于长度为1.0μm和锥角β＝10°的锥形颈区，预测空隙生长和收缩示于图14中。对于长度为0.5μm和锥角β＝20°的锥形颈区，预测空隙生长和收缩示于图15中。对于长度为2.0μm和锥角β＝5°的锥形颈区，预测空隙生长和收缩示于图16中。
从上述曲线可以看出：
(A)锥形结构100中的预测电迁移行为在正向和反向电流期间属于非对称空隙生长和收缩。
(B)锥角(β)：
(1)较大锥角β增加了达到相等空隙尺寸所需的时间并增加了空隙生长速度的非线性。
(2)空隙生长和收缩的总时间基本相等。
(C)达到相等空隙尺寸的时间与电流密度(J)大致成正比。
(D)温度相对于空隙生长(激励过程)的强依赖关系(不考虑分析模型的焦耳热)。
为了所示和所述目的，前面已经关于本发明的实施例进行了说明。不趋于排除或将本发明限制到公开的具体形式，显然，可以作出很多修改和改变。对于本领域技术人员来说，这些显而易见的修改和改变趋于包含在由所附权利要求限定的本发明的范围内。
Claims (16)
1、一种用于对电熔丝编程的方法，包括：
使用电迁移效应对电可熔断熔丝进行编程；
使用反向电迁移效应对所述电可熔断熔丝进行再编程；
使用所述电可熔断熔丝的一部分提供参考电阻；和
通过比较所述电可熔断熔丝的电阻与所述参考电阻来确定所述电可熔断熔丝的状态。
2、根据权利要求1的方法，其中所述电可熔断熔丝的电阻在编程之后大于所述参考电阻，并且在编程之前和再编程之后，所述电可熔断熔丝的电阻小于所述参考电阻。
3、根据权利要求1的方法，其中在编程期间，在所述电可熔断熔丝的颈区内形成空隙，并且在再编程期间，所述空隙至少部分地被重填。
4、根据权利要求3的方法，还包括：
调节编程条件，以便控制在编程期间在所述电可熔断熔丝的颈区内形成的空隙的尺寸。
5、根据权利要求4的方法，其中所述编程条件包括温度、电压和电流中的至少一个。
6、根据权利要求3的方法，其中所述电可熔断熔丝的颈区是锥形的。
7、根据权利要求6的方法，还包括：
通过调节所述电可熔断熔丝的颈区的锥角来控制空隙生长和收缩的速度。
8、一种熔丝系统，包括：
电可熔断熔丝；
使用电迁移效应对所述电可熔断熔丝编程的装置；
使用反向电迁移效应对所述电可熔断熔丝再编程的装置；
参考电阻，由所述电可熔断熔丝的一部分提供；和
通过比较所述电可熔断熔丝的电阻与所述参考电阻来确定所述电可熔断熔丝的状态的装置。
9、根据权利要求8的熔丝系统，其中所述电可熔断熔丝包括锥形颈区。
10、根据权利要求9的熔丝系统，其中在编程期间，在所述电可熔断熔丝的锥形颈区内形成空隙，并且在再编程期间，所述空隙至少被部分重填。
11、一种集成电路，包括：
电可熔断熔丝；
分别使用电迁移效应和反向电迁移效应对所述电可熔断熔丝编程和再编程的装置；
参考电阻，由所述电可熔断熔丝的一部分提供；和
通过比较所述电可熔断熔丝的电阻与所述参考电阻来确定所述电可熔断熔丝的状态的装置。
12、一种用于对电熔丝编程的方法，包括：
使用电迁移效应对具有锥形颈区的电可熔断熔丝进行编程；
使用反向电迁移效应对电可熔断熔丝再编程；
在编程期间，在所述电可熔断熔丝的锥形颈区内形成空隙，并且在再编程期间，所述空隙至少被部分地重填；以及
通过调节所述电可熔断熔丝的锥形颈区的锥角来控制空隙生长和收缩的速度。
13、根据权利要求12的方法，还包括：
提供参考电阻；和
通过比较所述电可熔断熔丝的电阻与所述参考电阻来确定所述电可熔断熔丝的状态。
14、根据权利要求13的方法，还包括：
其中所述电可熔断熔丝的电阻在编程之后大于所述参考电阻，并且在编程之前和再编程之后，所述电可熔断熔丝的电阻小于所述参考电阻。
15、根据权利要求12的方法，还包括：
调节编程条件，以便控制在编程期间在所述电可熔断熔丝的锥形颈区内形成的空隙的尺寸。
16、根据权利要求15的方法，其中所述编程条件包括温度、电压和电流中的至少一个。
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