CN101599304B - 熔断器件 - Google Patents
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Abstract
这里提出的实施，其涉及熔断器件，其包括多个接触元件，所述多个接触元件中的至少一个限制在编程操作期间可用。还涉及包括熔断器件的集成电路，包括：包括多个接触元件的熔断器件，所述多个接触元件中的第一接触元件限制在编程操作期间可用；第一开关器件，用于在所述编程操作期间施加电流通过所述第一接触元件；以及第二开关器件，用于将传感电路与所述多个接触元件中的第二接触元件耦合。还涉及实现该熔断器件的方法以及编程该熔断器件的方法。
Description
技术领域
本发明涉及熔断器件，尤其涉及用于半导体存储的熔断器件。
发明背景
在半导体器件中，熔断器可以在多种应用中使用。熔断器可以用于存储用于定制半导体器件的信息。这样的用途包括微调半导体器件以满足期望的运行特性以及使半导体器件适应具体的应用，例如通过调节电流路径的电阻调节半导体器件的速度。另外，熔断器可以用于在半导体器件上存储识别信息。熔断器也可以用于在半导体器件上用在同一个半导体器件上的完全一样的或多余的元件替代有缺陷的元件。
典型地，熔断器(fuse)或熔断体(fusible link)包含在半导体器件的设计中，其中熔断器选择性地烧断或退化。选择性地烧断熔断器或退化熔断器的过程通常称为编程。电可编程的熔断器也被称为电子熔断器(efuse)。电子熔断器可以通过施加电流到电子熔断器的熔断体上而编程。通过足够大小的电流导致熔断体改变它的结构，从而产生电阻更大的路径或在熔断体中的断路。
如与电子熔断器相对的，激光能用于蒸发在激光-熔断器的熔断体中的金属线，从而产生电阻更大的路径或在激光-熔断器的熔断体中的断路。然而，用激光烧断熔断器可以潜在地增加制造成本，因为通常需要例如激光和用于激光的对准的其他关联设备等附加部件。
发明内容
本发明一方面，提供一种熔断器件，包括：多个接触元件，所述多个接触元件中的至少一个接触元件限制在编程操作期间可用。
本发明另一方面还提供一种熔断器件，包括：多个接触元件，所述多个接触元件中的至少一个接触元件限制在读取操作期间可用。
本发明再一方面还提供一种集成电路，包括：包括多个接触元件的熔断器件，所述多个接触元件中的第一接触元件限制在编程操作期间可用；第一开关器件，用于在所述编程操作期间施加电流通过所述第一接触元件；以及第二开关器件，用于将传感电路与所述多个接触元件中的第二接触元件耦合。
本发明再一方面还提供一种实现熔断器件的方法，包括：在衬底之上形成熔丝材料层；图案化所述熔丝材料层以限定熔断器区域；在所述熔丝材料层之上形成绝缘层；图案化所述绝缘层以在所述熔断器区域的第一端限定多个接触孔；以及用导电材料填充所述多个接触孔的第一接触孔以限定第一接触元件，所述第一接触元件限制在编程操作期间可用。
本发明再一方面还提供一种编程熔断器件的方法，包括：提供设置在熔丝材料层上的多个接触元件，所述多个接触元件中的第一接触元件限制在编程操作期间可用；以及施加编程电流通过所述第一接触元件以耗尽所述熔丝材料层在所述多个接触元件中的第二接触元件下面的区域。
附图说明
详细说明参考附图进行说明。在图中，标号的最左边的数字标识该标号最早出现的图。在不同的图中相同标号的使用指示相似的或相同的项目。
图1示出熔断器件的示意图的平面图，其包括多个接触元件。
图2示出图1的熔断器件的横截面图。
图3示出熔断器件的示意图的平面图其可通过电迁移编程。
图4示出图3的熔断器件在熔断器件300的编程发生后的示意图的平面图。
图5示出熔断器件的示意图的平面图，读取接触元件放置于比编程接触元件更靠近熔断器件的熔断体区域的地方。
图6示出熔断器件的示意图的平面图，连接器在设置在熔断器件的熔丝材料层上的布线层中形成。
图7示出图6的熔断器件的横截面图。
图8示出包括图6的熔断器件的电路的示意图。编程开关器件和读取开关器件与熔断器件连接。
图9示出包括图6的熔断器件的电路的示意图。编程开关器件、读取开关器件和第二编程开关器件与熔断器件连接。
图10示出包括用于实现熔断器件的多个操作的流程图。
图11示出包括许多用于编程熔断器件的操作的流程图。
具体实施方式
图1示出根据这里说明的实施的熔断器件100的示意图的平面图其包括多个接触元件。熔断器件100包括多个接触元件102和104。多个接触元件102和104中的至少一个限制在编程操作期间是可用的。另外地或备选地，多个接触元件102和104中的至少一个限制在读取操作期间是可用的。
熔断器件100可包括熔断体区域106。在熔断体区域106的第一端，第一接触区域108可与熔断体区域106电耦合。在熔断体区域106的第二端，第二接触区域110可与熔断体区域106电耦合。第二接触区域110可包括多个接触元件102和104。
第一接触区域108的宽度w1可与熔断体区域106的宽度w3相等或比其更宽。第二接触区域110的宽度w2可与熔断体区域106的宽度w3相等或比其更宽。如在图1中示出的，第一接触区域108的宽度w1可与第二接触区域110的宽度w2相等。或者，第一接触区域108的宽度w1可不与第二接触区域110的宽度w2相等。
图2示出沿如关于图1示出和说明的熔断器件100的线A-A’的横截面图。熔断器件100可具有在衬底214上或上方形成的一层熔丝材料212。熔丝材料层212可以均匀的厚度提供。熔丝材料层212可包括两层堆叠层216和218。熔丝材料层212的第一层216可是多晶硅并且熔丝材料层212的第二层218可是硅化物。
多个接触元件102和104可在熔丝材料层212上或上方形成。绝缘层220可将多个接触元件102和104相互分开。此外，绝缘层220可将熔断器件100与其他器件电隔离。注意在图1和图3-9中绝缘层220为了说明的目的没有示出。
图3示出根据这里说明的实施的熔断器件300的示意图的平面图。如这里之前说明的，熔断器件300包括在衬底上或上方形成的一层熔丝材料，熔断体区域106，第一接触区域108和第二接触区域110。第一接触区域1 08可包括一个或一个以上接触元件322。第二接触区域110可包括多个接触元件102、104和324。第二接触区域110的多个接触元件102、104和324中至少一个可限制在编程操作期间是可用的。另外地或备选地，第二接触区域110的多个接触元件102、104和324中至少一个可限制在读取操作期间是可用的。
第一接触区域108可包括熔断器件300的阳极并且第二接触区域110可包括熔断器件300的阴极。熔断器件300的阳极可与熔断器件300的阴极通过熔断体区域106的熔丝材料层电耦合。熔断器件300可通过电迁移编程。在编程操作期间，阴极可负偏置并且阳极可正偏置引起编程电流流过熔断体区域106。如果编程电流增加到超过预定阈值的水平，在熔丝材料层中的原子可从负偏置的阴极漂移到正偏置的阳极，在第二接触区域110的和/或熔断体区域106的熔丝材料层中留下耗尽区域。例如，在硅化物层中的金属原子可从负偏置的阴极漂移到正偏置的阳极。在电迁移期间原子的移动可减小熔断器件300的电导率并且可增加熔断器件300的电阻。即，在编程期间，熔断器件300可从低电阻状态变化到高电阻状态。
在读取操作期间，阴极可负偏置并且阳极可正偏置引起读取电流流过熔断体区域106的熔丝材料层。读取电流可保持足够地低以避免熔断器件300的干扰。在读取期间，可测量熔断器件300的电阻以确定熔断器件300是否编程过。在一个实施中，熔断器件300的未编程状态可与逻辑‘0’值对应，而熔断器件300的已编程状态可与逻辑‘1’值对应。取决于读取电路的敏感度，如果电阻的变化仅是适中的熔断器件300可认为是已编程的。
图4示出在熔断器件300的编程已经发生后如关于图3示出和说明的熔断器件300的示意图的平面图。耗尽熔断区426表示原子已经离开阴极移向阳极的区域。在编程操作期间，编程电流可通过接触元件102和324施加，这里称为编程接触元件102和324。在读取操作期间，读取电流可通过接触元件104(这里称为读取接触元件)施加。编程接触元件104和324中的一个或几个可限制在编程操作期间是可用的。它们在读取操作期间可不使用。对于读取操作，仅第二接触区域110的接触元件102、104和324的子集可使用。
在熔断器件300编程后，在读取接触元件104下面的整个区域可被耗尽。这可导致已编程熔断器件300的高电阻并且导致当读取熔断器件300的状态时的可预测的结果。在熔断器件300的编程期间和编程后在编程接触元件102和324下面的区域可不被耗尽。因此，在熔断器件300的编程期间，可保持在编程接触元件102和324与熔丝材料层之间的稳定连接，并且恒定的编程电流可通过编程接触元件102和324施加。
图5示出根据这里说明的实施的熔断器件500的示意图的平面图。如这里之前说明的，熔断器件500包括熔断体区域106，第二接触区域110，编程接触元件102和324，和读取接触元件104。读取接触元件104可置于比编程接触元件102和324中之一更靠近熔断体区域106。由于第二接触区域110的宽度w2比熔断体区域106的宽度w3更宽，在编程操作期间，在熔断体区域106中和靠近熔断体区域106的电流密度比在第二接触区域110的剩余部分中的电流密度高。因此，可分别需要更低的编程电流和更少的编程时间以耗尽熔断器件500的第二接触区域110的靠近熔断体区域106的区域。
图6示出熔断器件600的示意图的平面图并且图7示出沿根据这里说明的实施的熔断器件600的线B-B’的横截面图。如这里之前说明的，熔断器件600包括在衬底214上或上方形成的一层熔丝材料212，熔断体区域106，第一接触区域108和第二接触区域110。布线层740可设置在熔丝材料层212的上方。一个或几个连接器630、632和634可在布线层740中形成。一个或几个连接器630、632和634可与熔丝材料层212通过一个或几个接触元件102、104、322、324、636和638电耦合，并且一个或几个连接器630、632和634可延伸到熔丝材料层212的外面的位置。因此，在布线层740中的一个或几个连接器630、632和634可将熔断器件600与其他元件电耦合(在图6和图7中没有示出)。
如在图6和图7中示出的，第二接触区域110的编程接触元件102、324、636和638可与连接器630电耦合，这里称为编程连接器630。编程接触元件102、324、636和638可限制在编程操作期间是可用的。编程连接器630可与熔丝材料层212通过编程接触元件102、324、636和638电耦合。
如在图6和图7中示出的，读取接触元件104可与连接器632电耦合，这里称为读取连接器632。读取接触元件104可限制在读取操作期间是可用的。读取连接器632可与熔丝材料层212通过读取接触元件104电耦合。
第一接触区域108的接触元件322可与连接器634电耦合。连接器634可与熔丝材料层212通过接触元件322电耦合。
图8示出包括如关于图6示出和说明的熔断器件600的电路800的示意图。熔断电路800可是集成电路的一部分。多个接触元件102、104、324、636、638和322中的至少第一接触元件可限制在编程操作期间是可用的。电路800可包括第一开关器件842以在编程操作期间通过第一接触元件施加电流。第一开关器件842在这里称为编程开关器件842。多个接触元件102、104、324、636、638和322中的至少第二接触元件可限制在读取操作期间是可用的。传感电路846可与第二接触元件通过第二开关器件844耦合。第二开关器件844在这里称为读取开关器件844。
如在图8中示出的，编程开关器件842可响应于第一控制信号850而将编程接触元件102、324、636和638与编程电路848耦合。编程电路848可包括接地电压源或负电压源。在编程操作期间，编程开关器件842可处于导通状态以从熔断器件600的阳极通过编程接触元件102、324、636和638施加编程电流到熔断器件600的阴极。熔断器件600可通过电迁移编程，并且编程开关器件842可实现为限制编程电流到不足以使熔断器件600断裂的大小。
读取开关器件844可响应于第二控制信号852而将读取接触元件104与传感电路846耦合。在读取操作期间，读取开关器件844可处于导通状态以从熔断器件600的阳极通过读取接触元件104施加读取电流到熔断器件600的阴极。传感电路846可通过检测熔断器件600的电阻以确定熔断器件600是否编程过来读取编程状态。如果传感电路846检测到熔断器件600的高电阻，熔断器件600可处于已编程状态并且如果传感电路846检测到熔断器件600的低电阻，熔断器件600可处于未编程状态。
由于编程电流可比读取电流高，编程开关器件842可比读取开关器件844大。例如，编程开关器件842的栅长度和/或栅宽度可比读取开关器件844的栅长度和/或栅宽度大。
编程开关器件842可与编程接触元件102、324、636和638通过编程连接器630耦合，并且读取开关器件844可与读取接触元件104通过读取连接器632耦合。编程开关器件842可包括NMOS晶体管，并且NMOS晶体管的栅可与第一控制信号850耦合。读取开关器件844可包括另一NMOS晶体管，并且该另一NMOS晶体管的栅可与第二控制信号852耦合。第一控制信号850和第二控制信号852可由数字控制电路(在图8中没有示出)提供。
编程开关器件842和读取开关器件844可不在熔断器件的布线层740中连接在一起。它们可仅通过熔断器件600的熔丝材料层212互相耦合。因此，编程开关器件842的结和栅电容可不干扰通过读取开关器件844实施的熔断器件600的电阻的检测。特别地，在读取操作期间，如果熔断器件600处于已编程高电阻状态，流过编程开关器件842的寄生电容的寄生电流可向传感电路846指示低电阻熔丝。然而，如在图8中示出的，这可通过仅通过熔断器件600的熔丝材料层212而不通过布线层740将编程开关器件842与读取开关器件844耦合而避免。
熔断器件600的第一接触区域108的接触元件322可与电路部分854耦合。第一接触区域108可包括熔断器件600的阳极。电路部分854可包括电压电源。接触元件322可与电压电源在读取操作和编程操作期间耦合。在读取操作期间，读取电流可提供从熔断器件600的阳极流向熔断器件600的阴极并且在编程操作期间，编程电流可提供从阳极流向阴极。电路部分854可与第一接触区域108的接触元件通过连接器634耦合。
图9示出包括关于图6示出和说明的熔断器件600的电路900的示意图。在图9中示出的电路900与在图8中示出的电路800相似，但在电路900中包括第三开关器件956。第三开关器件956在这里称为第二编程开关器件956。在图9的实施中，在编程操作期间，编程电流可通过编程开关842施加通过编程接触元件102、324、636和638，以及通过第二编程开关器件956施加通过读取接触元件104。第二编程开关器件956可响应于第一控制信号850而将读取接触元件104与电路部分848耦合。或者，第二编程开关器件956的控制栅可与不同的控制信号耦合。通过读取接触元件104对编程过程的贡献，在读取接触元件104下方的区域中的熔丝材料层212的原子与关于图8示出和说明的实施相比移除得更加完全。
如在图9中示出的，在编程操作期间，第二接触区域110的所有接触元件102、104、324、636和638可与电路部分848耦合。在读取操作期间，仅第二接触区域110的接触元件102、104、324、636和638中的一部分可与传感电路846耦合。
在编程操作期间，读取接触元件104可由流过第二编程开关器件956的电流受压。这可通过选择第二编程开关器件956的适当大小而被避免。在一个实施中，第二编程开关器件956可比编程开关器件842小。
图10示出包括许多用于实现熔断器件的操作的流程图1000。图11示出包括许多用于编程熔断器件的操作的流程图1100。除非指出否则说明操作的顺序并不旨在构成限制。操作可是重复的，可以任何顺序组合和/或可是并行的以实现该过程。在下列论述的部分中，可参考图1-9的说明和其的主题。在图10-11中说明的步骤可利用之前说明的实施实现。
如在图10中示出的，在框1002，熔丝材料层在衬底上方形成。衬底可是半导体衬底。熔丝材料可以均匀的厚度提供。在一个实施中，形成熔丝材料层可包括在衬底上方形成多晶硅层和在多晶硅层上方形成硅化物层。
在框1004，熔丝材料层被图案化，由此限定熔断器区域。熔断器区域可是H形的。如关于图1-9示出和说明的，熔断器区域可包括第一接触区域，熔断体区域和第二接触区域。
在框1006，绝缘层在熔丝材料层上方形成。在框1008，绝缘层被图案化以在熔断器区域的第一端限定多个接触孔。熔断器区域的第一端可是熔断器件的阴极。
在框1010，多个接触孔的第一接触孔填充导电材料以限定第一接触元件。第一接触元件限制在熔断器件的编程操作期间是可用的。
在一个实施中，布线层可在绝缘层上方形成。布线层可图案化为在第一接触元件之上以形成连接器。连接器可与熔断器区域通过第一接触元件电连接。与第一接触元件相似，连接器可限制在编程操作期间是可用的。
在一个实施中，多个接触孔中的第二接触孔可填充导电材料以限定第二接触元件。第二接触元件可限制在熔断器件的读取操作期间是可用的。布线层可图案化为在第二接触元件之上以形成第二连接器。第二连接器可与熔断器区域通过第二接触元件电耦合。与第二接触元件相似，第二连接器可限制在读取操作期间是可用的。
连接器和第二连接器可延伸到在熔断器区域外面的位置并且它们可将熔断器件与其他元件电耦合。
如在图11中示出的，在框1102，提供多个接触元件。接触元件设置在熔丝材料层上。多个接触元件中的第一接触元件限制在编程操作期间是可用的。第一接触元件可是熔断器件的阴极的一部分。
在框1104，编程电流通过第一接触元件施加以耗尽在多个接触元件中的第二接触元件下面的熔丝材料层的区域。
在一个实施中，编程电流可具有使在熔断器件的熔断体中的电迁移开始的足够大小。在编程操作期间，编程电流可从熔断器件的阳极流到熔断器件的阴极并且原子可在熔丝材料层中从阴极漂移到阳极。
在一个实施中，编程电流和/或编程时间可足够耗尽在第二接触元件下面的熔丝材料层的整个区域。这可导致已编程的熔断器件的高电阻和导致当通过第二接触元件读取熔断器件的状态时的可预测的结果。在一个实施中第二接触元件可限制在读取操作期间是可用的。
在一个实施中，在第一接触元件下面的熔丝材料层的区域可没有被耗尽。因此，在熔断器件的编程期间，可保持在第一接触元件和熔丝材料层之间的稳定连接，并且可施加恒定编程电流通过第一接触元件。
图1-11仅示出示范实施并且存在很多变化和改动。变化和改动中的一些将在这里进一步提及。
接触元件的数量可与关于图1-11示出和说明的接触元件的数量不同。例如，第一接触区域108可包括超过一个接触元件322。此外，第二接触区域110的超过一个读取接触元件104可限制在读取操作期间是可用的。对于编程操作，仅第二接触区域110的接触元件的子集可使用。
连接器的数量和接触元件与连接器的分配可与关于图6-11示出和说明的实施不同。此外，开关器件的数量和连接器与开关器件的分配可与关于图8-11示出和说明的实施不同。例如，仅一个接触元件可与连接器630耦合和/或几个接触元件可与连接器632耦合。另外地或备选地，编程接触元件102、324、636和638可与几个连接器耦合，并且这些连接器可限制在编程操作期间是可用的。这些连接器可都与编程开关器件842耦合。或者，这些连接器可与几个开关器件耦合，并且这些开关器件可都在它们的栅极端子接收相同的控制信号。或者，这些开关器件可在它们的栅极端子接收不同的控制信号。
接触元件的布置可与关于图1-11示出和说明的接触元件的布置不同。例如，第二接触区域110的一个或一个以上接触元件可置于比第二接触区域110的其他接触元件更靠近熔断体区域106。这些一个或一个以上接触元件可在读取操作期间使用。在一个实施中，这些一个或一个以上接触元件可限制在读取操作期间是可用的。
如关于图6-11示出和说明的，编程连接器630和读取连接器632可如连接器634在相同的布线层740中形成。或者，几个布线层可设置在熔丝材料层212上方并且连接器630、632和634可在不同布线层中形成。如关于图6-11示出和说明的布线层740可包括铜或铝的图案化的层。
如关于图1-11示出和说明的接触元件102、104、322、324、636和638可包括导电材料，例如钨、铝或铜。
如关于图2和图10说明的，熔丝材料层212的第一层216可是多晶硅并且熔丝材料层212的第二层218可是硅化物。硅化物可包括但不限于硅化钴，硅化镍、硅化钛、硅化钨、硅化钽、硅化铂或任何其他能够与硅/多晶硅反应形成低电阻率热稳定的硅化物的金属。带有或不带有硅化物成分的其他材料也可是适合的。硅化物层218可具有比多晶硅层216的厚度小的厚度。硅化物层218可具有第一电阻并且多晶硅层216可具有第二电阻，其比第一电阻大。
熔丝材料层212可包括超过两层。或者，熔丝材料层212可是单层具有适合电阻率的金属或金属化合物，包括但不限于铝、钨和铬。
如关于图2示出和说明的绝缘层220可是二氧化硅层或氮化硅层。
在一个实施中，熔断器件100、300、500、600可在绝缘体上硅(SOI)晶圆上形成，其中硅衬底可被埋覆氧化物(BOX)层覆盖。熔丝材料层212可设置在埋覆氧化物层上，其将熔丝材料层212与晶圆衬底电和热隔离。
在一个实施中，熔断器件100、300、500、600可在浅槽隔离(STI)区域中形成并且熔丝材料层212可在绝缘材料层上形成，例如在氮化硅层或二氧化硅层上。
如关于图8-9示出和说明的电路800、900可在单个集成电路上实施。或者，电路800、900可分布在几个集成电路上。例如，传感电路846和/或编程开关器件842可在包括熔断器件600的集成电路上实施。
尽管主题已经以具体到结构特征和/或方法作用的语言说明，要理解在附加权利要求中限定的主题不必须限于说明的具体的特征或行为。反而，具体的特征和行为以实施权利要求的例子的形式公开。
Claims (9)
1.一种熔断器件，包括：
多个接触元件，所述多个接触元件中的至少一个接触元件限制在编程操作期间可用；
其中，所述熔断器件还包括熔断体区域，其在所述熔断体区域的第一端与第一接触区域电耦合，并且在所述熔断体区域的第二端与第二接触区域电耦合，其中所述第二接触区域包括所述多个接触元件；并且
其中，所述多个接触元件中的至少另外一个接触元件在读取操作期间可用。
2.如权利要求1所述的熔断器件，其中所述第一接触区域包括所述熔断器件的阳极接触，并且其中所述第二接触区域包括所述熔断器件的阴极接触。
3.如权利要求1所述的熔断器件，其中所述多个接触元件中的所述至少一个接触元件比所述多个接触元件中的在读取操作期间可用的一个接触元件离所述熔断体区域更远。
4.如权利要求1所述的熔断器件，其中所述第一接触区域的宽度与所述熔断体区域的宽度相等或比其更宽，并且其中所述第二接触区域的宽度与所述熔断体区域的宽度相等或比其更宽。
5.如权利要求1所述的熔断器件，其中熔丝材料层设置在半导体衬底之上并且布线层设置在所述熔丝材料层之上，其中所述多个接触元件在所述熔丝材料层和所述布线层之间形成电连接。
6.如权利要求5所述的熔断器件，还包括在所述布线层中形成的连接器，其中所述多个接触元件中的所述至少一个接触元件与所述连接器电耦合。
7.如权利要求1所述的熔断器件，其中所述多个接触元件中的所述至少另外一个接触元件比其他接触元件中之一更靠近所述熔断体区域放置。
8.如权利要求1所述的熔断器件，还包括在布线层中形成的第一连接器，其中所述多个接触元件中的所述至少另外一个接触元件与所述第一连接器电耦合，并且其中所述第一连接器限制在所述读取操作期间可用。
9.如权利要求8所述的熔断器件，还包括在所述布线层中形成的第二连接器，其中所述至少一个接触元件与所述第二连接器电耦合，并且其中所述第二连接器限制在所述编程操作期间可用。
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