CN102130092A

CN102130092A - 熔丝器件及制备方法

Info

Publication number: CN102130092A
Application number: CN2010100231313A
Authority: CN
Inventors: 蔡孟峰; 邹晓东
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明公开了一种熔丝器件，该熔丝器件包括：衬底；形成于衬底上的第一绝缘层；以及金属层，所述金属层具有熔断部并形成于所述第一绝缘层上。本发明中的熔丝器件的关键尺寸的宽度和厚度相对于多晶硅熔丝可以被刻蚀的很小，并且熔断该熔丝器件的熔断部需要的电压较小。另外，本发明的熔丝器件可以进行修补刻蚀。

Description

熔丝器件及制备方法

技术领域

本发明涉及集成电路器件，更具体地，涉及半导体集成电路中的可熔断连接器件。

背景技术

随着半导体内存组件集成度的增加，相对地，产品的良率可能下降。然而，鉴于这些电路高额的开发成本和加工成本，以及过长的研制周期，为了提升良率，现有技术是采用冗余电路或可编程电路来提高半导体内存组件的良率。

现有的冗余电路中包含有多个多晶硅熔丝，假如经测试主要的存储器件后发现有缺陷存储器，即可通过烧断冗余电路中设置的多晶硅熔丝，并采用备用存储器来取代有缺陷存储器，由此修补该半导体内存组件。

现有可编程电路通常包含可编程链接，可编程链接是由最终用户在集成电路器件制作完成之后，为了启用和禁用所选定的电节点而在所选定的电节点处断开或创建的电互接。在这种情况下，可编程链接被广泛应用于可编程存储器器件(PROM)中。可编程存储器件可以为电路应用提供灵活多样和价格低廉的解决方案，而在该可编程链接中，最普通的可编程连接形式为可熔断链接，即采用具有熔断部的多晶硅熔丝放置于绝缘层上，作为大规模集成电路装置的一部分。

如图1所示，图1示出了现有技术中的多晶硅熔丝结构的示意性版图，图中所示的第一宽度D₁为多晶硅熔丝100中多晶硅层的宽度，第二宽度D₂为该多晶硅熔丝100的熔断部101的宽度，该第二宽度D₂小于第一宽度D₁，以及使得该熔断部101的长度L也大于所述熔断部101的宽度D₂，实现快速熔断所述熔断部101，进而保证将该多晶硅熔丝器件连接的电路/电节点断开。该结构的多晶硅熔丝不仅适用于上述冗余电路和可编程电路，还可用于电路的基准电压调整等多种领域。

制备上述多晶硅熔丝的步骤主要包括，提供一单晶硅衬底，在该衬底上形成第一绝缘层，以化学气相沉积(CVD)法在所述第一绝缘层上沉积多晶硅层，再在该多晶硅层上沉积第二绝缘层。然而，由于多晶硅的熔点高，使得熔断该多晶硅层的熔断部时，需要较高的电压脉冲，导致熔断该熔断部产生很高的焦耳热，因此，为防止连接于多晶硅熔丝的其他部件过热损伤，在制备该多晶硅熔丝时，对第二绝缘层的厚度要求严格。在实际器件应用时，熔断部的熔断常常会导致半导体器件中连接该多晶硅熔丝器件的氧化膜损伤。

此外，对于包含多晶硅熔丝器件的PROM器件，在对PROM的数据进行写入时，需完成可编程链接中的多晶硅熔丝的熔断，若发生该多晶硅熔丝在需要熔断时未被熔断，则无法对PROM的数据进行写入。在实际的芯片制备过程中，如果熔断需要长时间，由于继续长时间产生焦耳热，导致连接在发热的多晶硅熔丝上的热氧化膜及层间绝缘膜等受到熔化破坏等损伤，甚至于半导体器件和包含该半导体器件的PROM受到损伤。

因此，需要一种用以降低所需用于熔断和编程多晶硅熔丝的电压或电流中的熔丝器件成为当前需要解决的技术问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决上述多晶硅熔丝的缺点，本发明提供一种熔丝器件，该熔丝器件包括：衬底；形成于衬底上的第一绝缘层；以及金属层，所述金属层具有熔断部并形成于所述第一绝缘层上。

进一步地，所述金属层材料为钨、铜、铝、银或金。

进一步地，所述金属层与衬底之间还设置一阻挡层，该阻挡层的材料选自SiN、TiN或TaN。

进一步地，所述金属熔丝器件的熔断部的厚度和宽度依据所述金属熔丝器件的电阻值设定。

进一步地，所述熔丝的熔断电流密度为10MA/cm²至50MA/cm²，以及，所述金属熔丝器件的电阻值为50欧姆至400欧姆。

进一步地，所述金属层的熔断电压是0.5伏特至5伏特。

进一步地，在所述金属层的上设置有第二绝缘层。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种制备金属熔丝的方法，其包括：在衬底上形成第一绝缘层；将所述金属层沉积在第一绝缘层上；在所述金属层上刻蚀出熔断部。

根据本发明的熔丝器件，该熔丝器件的关键尺寸的宽度和厚度相对于多晶硅熔丝可以被刻蚀的很窄，以及熔断该熔丝器件的熔断部需要较小的电压或功率。特别地，在制备该熔丝器件时，由于采用熔点低的导电金属材料，使得熔断该熔丝器件时产生较少的焦耳热，不会损伤连接该熔丝器件的氧化膜或其他部件，相应地，可以减少熔丝器件上用于绝热的第二绝缘层的厚度，使制备熔丝器件的步骤简化。此外，本发明的熔丝器件还可以进行多次的修补刻蚀，达到实际需求的熔丝器件。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1为现有技术中的多晶硅熔丝结构的示意性版图；

图2A至图2C为本发明的一种制备金属熔丝器件的结构剖面图；

图3为本发明的金属熔丝器件的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本发明提供的熔丝器件和如何制备具有金属熔丝的半导体器件。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所习知的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明主要是提供一种熔丝器件以及制备该熔丝器件的方法，采用熔点低的导电材料替换现有的熔丝器件中的多晶硅，实现熔断所述熔丝器件时产生较少的焦耳热，在使用本发明的熔丝器件时不会损伤周围连接于该熔丝器件的氧化膜以及PROM器件。

结合图2A至图2C对本发明涉及的熔丝器件的结构进行详细说明。图2A和图2B为根据本发明制备的一种熔丝器件的结构剖面图。具体地，本实施例中以金属熔丝器件进行说明，所述金属熔丝器件包括：衬底201，设置于该衬底上的第一绝缘层202和位于所述第一绝缘层上的金属层203。

其中，所述衬底201可以包含但不限于硅、锗、铟、镓、砷等，该衬底还可以是蓝宝石衬底或玻璃衬底。而对于采用化学气相沉积的方式沉积于所述衬底201上的第一绝缘层202可以为本领域技术人员熟知的介电材料，该介电材料可以是二氧化硅、聚酰亚胺或旋转涂布玻璃等，另外，该处的第一绝缘层只是概括说明，所述第一绝缘层可以包括多层介电材料结构，也可以是一层介电材料结构。然后将金属层203通过离子溅射的方式沉积在所述第一绝缘层202上，进一步对该金属层203的关键尺寸进行光刻形成熔断部206(如图2A所示)。本实施例中，该金属层203的材料一般选用熔点低的导电材料，如钨、铜、铝、银和金等，优选使用金属铝和金属铜。优选地，在金属层203上进一步形成用于绝热的第二绝缘层204(如图2B所示)，该第二绝缘层204的形成方式类同于第一绝缘层202的形成方式，其材料也可以与第一绝缘层202的材料相同。本实施例中采用第一绝缘层202和第二绝缘层204的双层结构主要是用于防止该金属层熔断时产生的焦耳热损伤层间氧化膜或周围的部件。

参照图2C所示，图2C示出的是对本实施例中金属层进行刻蚀的纵向剖视图。对于上述金属熔丝器件的金属层的光刻，首先是选择金属层中的关键尺寸位置，本实施例中关键尺寸的位置是预先在版图结构中设计，进一步对关键尺寸进行刻蚀。由于金属材料的不同，关键尺寸的刻蚀厚度也会出现不同，本领域技术人员一般是通过电阻值R＝ρ*L/S，(ρ为金属的电阻率，L为关键尺寸的长度，S关键尺寸的面积)预先设定不同导电材料的关键尺寸的长度L和厚度H1。由此在制备金属熔丝器件时，只需要将沉积在第一绝缘层上的金属层的关键尺寸进行光刻形成熔断部206。在本实施例中，对金属层的关键尺寸进行光刻的主要工艺包括：涂覆光刻胶、曝光、显影、主刻蚀(包括干刻蚀和湿刻蚀)、光刻胶剥离和清洗。从图2C中可以看出，沉积在第一绝缘层202上的金属层203关键尺寸CD的厚度为H₂，刻蚀后关键尺寸的厚度为H₁。将刻蚀后的金属层在SEM下进行分析，以及可以通过万用电表对该熔断部206的电阻值进行测量。当测量该金属层的电阻值不满足金属熔丝器件的要求时，可以多次对上述刻蚀后的熔断部再进行修补刻蚀，达到符合需求金属熔丝器件的熔断部。

需要说明的是，位于所述金属层上的第二绝缘层的厚度相比较于传统的多晶硅熔丝来说更薄，主要是由于熔断本实施例中的金属熔丝器件的熔断部需要的功率很小，产生焦耳热较少，因此，对于金属层上面不需要设置较厚的第二绝缘层。本实施例中的金属熔丝器件在实际的应用中不会损伤连接于该金属熔丝器件的热氧化膜及层间绝缘膜。

另外，在溅射沉积金属层时可以在该金属层的两端设置用于外加电压的引线205(如图2A所示)，该引线205将该金属熔丝器件连接于半导体器件或PROM器件中。最终的金属熔丝器件的形状可以如图1所示的哑铃形状，即第一宽度D₁远远大于第二宽度D₂，以及该关键尺寸的长度L也远远大于第二宽度D₂，最终使所述金属熔丝器件的熔断部的电阻非常大。举例来说，在65nm半导体工艺下的金属熔丝器件的第一宽度D₁大于5um，第二宽度D₂最小为0.09um，其长度L大于10um，只需要在该金属熔丝器件的两端施加电流密度为10MA/cm²至50MA/cm²的电流，即可将该金属熔丝器件的熔断部熔断。

进一步地，为更好的制备所述金属熔丝器件，本实施例还可以在所述金属层与衬底之间设置一阻挡层(图中未示出)，以防止后续形成的金属层的扩散及电子的转移，该阻挡层的材料可以选择为氮化钛(TiN)、氮化硅(SiN)、或钨化钛等，优选使用氮化硅。

本实施例中采用金属铝和金属铜材料制备的熔丝器件的熔断部的纵向厚度(如图2C中的H₁)是依据实际的半导体器件需求设定。一般地，多晶硅的熔断部的纵向厚度700埃到2000埃，使用金属层替换现有中的多晶硅层之后，该金属熔丝器件的熔断部的纵向厚度是上述多晶硅的熔断部厚度的20％-70％。本实施例中选用铝或铜制备的金属熔丝器件的电阻值可以为50欧姆至400欧姆之间，相应地，熔断电压是0.5伏特至5伏特之间。

以下结合图3对上述金属熔丝器件的制备方法进行详细描述。图3为本发明的一种制备金属熔丝器件的流程图，该方法的步骤主要包括：

步骤S301：提供一半导体基材的衬底，另外采用化学机械研磨法对衬底的上表面进行平坦化处理以使该衬底的上表面平坦。

步骤S302：在所述衬底上沉积第一绝缘层，该第一绝缘层可以采用介电材料，以及该处的第一绝缘层可以包括多层的介电材料结构。

步骤S303：在上述的第一绝缘层上再沉积一阻挡层，以防止后续形成的金属层的扩散及电子的转移，该阻挡层的材料可以选择为SiN、TiN、TaN、或TiW等。

步骤S304：接着，在所述阻挡层上通过离子溅射的方式沉积金属层，该金属层的厚度可以预先通过版图设定。所述金属层优选使用铜或铝。

步骤S305：再者，在金属层的关键尺寸处进行光刻，获取符合需求的熔断部。对上述金属层的关键尺寸进行光刻的主要工艺包括：涂覆光刻胶、曝光、显影、主刻蚀(包括干刻蚀和湿刻蚀)、光刻胶剥离和清洗。需要说明的是，本实施例中对上述金属层的关键尺寸处的刻蚀主要是采用干刻蚀方式进行，既可以通过等离子体刻蚀和离子束打磨刻蚀实现，该处选择干刻蚀的优点是干刻蚀可以做的很精细，容易达到符合工艺需求。

步骤S306：在金属层上采用电化学沉积的方式形成一第二绝缘层，用于防止熔断所述金属熔丝器件的熔丝时产生的焦耳热损伤周围连接的氧化膜，所述第二绝缘层的结构和形成方式与第一绝缘层类同。

优选地，对于本发明中的关键尺寸的选择可以为制备好的晶片上的有缺陷的部分，达到有效利用各个晶片的目的，节省成本。

本实施例中的金属熔丝器件的熔断部的电阻足够高，上述的熔丝可以通过低的电流或者低的功率熔断，并且不会对附近的氧化层或其他图形产生影响，并且可以实现多次修补式的刻蚀过程，减少制备程序同时减少制造成本。通过上述方法制备的金属熔丝器件可以具备开关功能。金属熔丝器件具有小于第一宽度的第二宽度，使用该金属熔丝器件的半导体器件能够免于受到过高电压和/或电流损害，还可以选择性地使半导体器件彼此相连/或断开。另外，上述的金属熔丝器件应用于可编程链接中，以减缓对结构的物理破坏，在与多晶硅熔丝器件的烧蚀或熔化相比，金属熔丝器件的熔断需要较少的能量，并能够减少各个部件之间连接的间距以及减小对临近结构的破坏。此时，包含该金属熔丝器件的可编程链接被广泛应用于可编程存储器器件(PROM)中，且可以在多种电路中得到广泛的应用。

根据如上所述的实施例制造的包含金属熔丝器件的半导体器件可应用于多种集成电路(IC)中。根据本发明的IC例如是存储器电路，如随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、或只读存储器(ROM)等等。根据本发明的IC还可以是逻辑器件，如可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)、合并式DRAM逻辑集成电路(掩埋式DRAM)或任意其他电路器件。根据本发明的IC芯片可用于例如用户电子产品，如个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机、数码相机、手机等各种电子产品中，尤其是射频产品中。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种熔丝器件，其特征在于，包括：

衬底；

形成于衬底上的第一绝缘层；以及

金属层，所述金属层具有熔断部并形成于所述第一绝缘层上。

2.如权利要求1所述的熔丝器件，其特征在于，所述金属层材料为钨、铜、铝、银或金。

3.如权利要求1所述的熔丝器件，其特征在于，所述金属层与衬底之间还设置一阻挡层，该阻挡层的材料选自SiN、TiN或TaN。

4.如权利要求1所述的熔丝器件，其特征在于，所述金属熔丝器件的熔断部的厚度和宽度依据所述金属熔丝器件的电阻值设定。

5.如权利要求1所述的熔丝器件，其特征在于，所述熔丝的熔断电流密度为10MA/cm²至50MA/cm²。

6.如权利要求1所述的熔丝器件，其特征在于，所述金属熔丝器件的电阻值为50欧姆至400欧姆。

7.如权利要求1所述的熔丝器件，其特征在于，所述金属层的熔断电压是0.5伏特至5伏特。

8.如权利要求1所述的熔丝器件，其特征在于，在所述金属层的上设置有第二绝缘层。

9.一种半导体器件，其特征在于，

该半导体器件包含有权利要求1-8任一所述的熔丝器件。

10.一种包含如权利要求1所述的熔丝器件的集成电路，所述集成电路选自随机存取存储器、动态随机存取存储器、同步随机存取存储器、静态随机存取存储器、只读存储器、可编程逻辑阵列、专用集成电路和掩埋式DRAM、射频器件。

11.一种包含如权利要求1所述的熔丝器件的电子设备，其中所述电子设备选自个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机和数码相机。

12.一种用于制备熔丝器件的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

在衬底上形成第一绝缘层；

将所述金属层沉积在第一绝缘层上；

在所述金属层上刻蚀出熔断部。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述刻蚀为干刻蚀。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述金属层与衬底之间还设置一阻挡层，该阻挡层的材料选自SiN、TiN或TaN。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述熔丝器件的电阻值为50欧姆至400欧姆。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述金属层的上沉积第二绝缘层。