CN102428563B - 形成用于集成电路的电断金属熔丝的结构和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于集成电路装置的熔丝结构，包括延长的金属互连层(106)，限定在绝缘层中；金属盖层(108)，仅形成在该金属互连层的上表面的一部分上；以及电介质盖层(112)，形成在金属盖层(108)和该金属互连层上没有形成该金属盖层(108)的剩余部分上；其中，该金属互连层上没有形成该金属盖层(108)的剩余部分对电迁移失效机制敏感，从而便于通过经该延长的金属互连层(106)施加电流而对该熔丝结构进行编程。

Description

形成用于集成电路的电断金属熔丝的结构和方法

技术领域

本发明一般涉及集成电路(IC)装置的制造，并且尤其涉及形成用于集成电路的电断金属熔丝的结构和方法。

背景技术

在集成电路装置中，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路，常常需要能够永久地存储信息，或者在制造之后形成集成电路的永久连接。熔丝或者形成可断开连接的装置经常用于这个目的。例如，熔丝也可用于编程冗余元件以替换同样的有缺陷元件。此外，熔丝可用于存储芯片识别或其它这样的信息，或者用于通过调整电流路径的电阻来调整电路的速度。

一种类型的熔丝装置被“编程”或者“断开”，在处理和钝化半导体装置之后，采用激光以通过暴露于高能量光而打开连接，由此(例如)激活冗余电路。这种特定类型的熔丝装置需要使激光精确对准在熔丝装置上，以避免损坏相邻装置。这种和其它类似途径可导致装置钝化层损坏，从而引起可靠性问题。例如，当熔丝材料移位时，断开熔丝的工艺可引起钝化层中出现孔。

另一种类型的熔丝装置基于硅化多晶硅(silicided polysilicon)的断裂、积聚或者电迁移。这些类型的熔丝包括硅化物层，其设置在多晶硅层上，并且被诸如氮化硅的绝缘层覆盖。硅化物层具有第一电阻，而多晶硅层具有大于第一电阻的第二电阻。在完整未损状态下，熔丝连接具有由硅化物层的电阻确定的电阻。在一般应用中，当施加编程电压时，在一段时间上在熔丝元件上提供必须的电流和电压，硅化物层开始随机受损，最终导致硅化物层的某些部分电性断开或者断裂。因此，熔丝连接具有由多晶硅层的电阻确定的所得电阻(即，编程的熔丝电阻随着第一电阻的阻值而增加)，然而，这种类型的熔丝装置可能导致周围结构损坏和/或遭受不可靠的检测，这是因为断裂工艺的不一致性以及在编程的电阻中典型提供的相对小变化。此外，这些类型的装置由于所需的编程电势(即，在必需的时间长度上的电流和电压水平)而与许多最新工艺一起使用可能是不可行的。

在又一种类型的熔丝中，即电迁移熔丝，经由阴极和阳极将电势施加到导电熔丝连接上，其中该电势的幅度和方向引起了从半导体熔丝的一个区域的硅化物电迁移，这减少熔丝连接的导电性。电迁移指的是，构成互连材料的金属原子(例如铜或者铝)的质量转移(mass transport)现象，作为通过互连材料的单向或者DC电流传导的结果。更具体地，电子流与金属离子发生碰撞，由此沿着电流行进的方向将其推进。通过响应于施加的电势在熔丝连接与阴极之间产生温度梯度而增强电迁移。即使对于电迁移熔丝，熔丝的编程仍然受多晶硅材料控制。由于多晶硅膜包括大量的缺陷，因此最终的电阻具有广泛的分布。这有时会导致编程的熔丝被错误地检测，从而导致芯片失效。

总之，集成电路熔丝传统上为通过暴露于高能量光而激光断开或者通过该结构引入的高电流而电学断开。典型地，当熔丝材料为金属时，采用激光来断开熔丝结构，而当熔丝材料为多晶硅时，采用高电流来电断熔丝结构。对于这两种编程机制，电断熔丝一般是优选的，这是因为可采用与用于测试独立芯片的相同晶片探针来将电信号施加到晶片。换句话说，激光断开熔丝需要附加工具设置，以及增加测试晶片的时间。另一方面，金属熔丝结构的有利之处尤其在于，它们对于其在集成电路装置中的位置而言很灵活。电断熔丝的另一个优点(相对于激光断开熔丝)是编程除了可以在装置的制造期间实施之外，还可以在现场实施。

因此，需要提供一种金属熔丝结构，其为电断，但不使用过大的电压和电流来完成编程。

发明内容

在示例性实施例中，通过用于集成电路装置的熔丝结构，可克服或者减少现有技术中的上述缺点和不足，该熔丝结构包括延长的金属互连层，限定在绝缘层中；金属盖层，仅形成在金属互连层的上表面的一部分上；以及电介质盖层，形成在金属盖层和该金属互连层的其上没有形成该金属盖层的剩余部分上；其中，其上没有形成该金属盖层的该金属互连层的剩余部分对电迁移失效机制敏感，从而便于通过经该延长的金属互连层施加电流而对该熔丝结构进行编程。

在另一个实施例中，一种用于集成电路装置的电断金属熔丝结构，包括：延长的铜互连层，限定在绝缘层中，并且在其侧表面和底表面上由衬垫层围绕；金属盖层，仅形成在该铜互连层的上表面的一部分上；以及电介质盖层，形成在金属盖层和该铜互连层上没有形成该金属盖层的剩余部分上；其中，该铜互连层上没有形成该金属盖层的剩余部分对电迁移失效机制敏感，从而便于通过经该延长的铜互连层施加电流而对该熔丝结构进行编程。

在另一个实施例中，一种形成用于集成电路的熔丝结构的方法包括：在绝缘层中限定延长的金属互连层；仅在该金属互连层的上表面的一部分上形成金属盖层；以及在该金属盖层和该金属互连层上没有形成该金属盖层的剩余部分上形成电介质盖层，其中该金属互连层上没有形成该金属盖层的剩余部分对电迁移失效机制敏感，从而便于通过经该延长的金属互连层施加电流而对该熔丝结构进行编程。

在又一个实施例中，一种形成用于集成电路的电断熔丝结构的方法包括：在绝缘层中限定延长的铜互连层，该铜互连层在其侧表面和底表面上由衬垫层围绕；仅在该铜互连层的上表面的一部分上形成金属盖层；以及在该金属盖层和该铜互连层的其上没有形成该金属盖层的剩余部分上形成电介质盖层，其中该铜互连层的其上没有形成该金属盖层的剩余部分对电迁移失效机制敏感，从而便于通过经该延长的铜互连层施加电流而对该熔丝结构进行编程。

附图说明

参照示例性附图，其中相同的元件以相同的标号表示，在这几幅图中：

图1为根据本发明实施例的用于集成电路的电断金属熔丝结构的截面图；

图2(a)至图2(c)为形成图1的结构的示例性方法的截面图；

图3为抗蚀剂图案化之后图2(a)的电断金属熔丝结构的俯视图；

图4为图2(a)的电断金属熔丝结构的可选实施例的俯视图。

具体实施方式

这里公开的是用于集成电路的金属熔丝结构，其设计为电断而不对其产生广泛的损坏。即，只有金属熔丝的特定区域被断开，而该结构的剩余部分保持相对完整。简言之，该金属熔丝结构通过有意地减少用于金属互连形成工艺中的传统材料而形成，从而使该结构的特定区域变得更易于因为高电流应力而失效。以这种方式，改善的金属熔丝结构可实施为用于IC设计。

双金属镶嵌互连结构中的电迁移(EM)是铜金属化的重要可靠性问题。当电流从通路流到上方的线时，失效可能发生在通路中或者线中。通路中形成的孔隙称为早期失效，而线中形成的孔隙称为后期失效。反之，当电流从通路流到下方的线时，失效仅发生在线自身中。因此，众所周知，双金属镶嵌互连的上表面是EM工艺期间的主要扩散路径。

通常，电介质盖诸如氮化硅(Si₃N₄)或者碳化硅(SiC)沉积在互连的顶部上，以避免Cu扩散到周围的层间电介质材料中。近来表明，金属盖，诸如钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钴钨磷化物(CoWP)以及钌(Ru)可应用于顶部界面，以获得更好的EM可靠性。这样，寿命改善是非常显著的，这是因为相比于仅具有电介质盖层材料的互连，具有金属盖的Cu互连能够处理更高的电流密度。实际上，已经表明对于电介质盖层，空隙非常早地发生在Cu互连中；因此，在高应力条件下相对快速地引起损坏。因此，这里已经认识到，如果金属盖层有意地不形成在互连结构的特定区域中，则这个区域将变得对电迁移失效更为敏感。

下面参照图1，其示出根据本发明实施例的用于集成电路的电断金属熔丝结构100的截面图。如图所示，层间电介质层102(例如，低介电常数层，也称为“低K”层)，诸如SiCOH(掺杂碳的氧化物)，具有衬垫层104(例如，钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)等等)以及形成于衬垫层104中限定的图案化沟槽的延长铜层106，根据已知的双镶嵌处理技术。所得的金属线可对应于例如集成电路装置的M1级。诸如CoWP的金属盖层形成在金属线的相对端，使得在铜层106上表面的大约中心部分处存在区域110，这里不存在金属盖材料。电介质盖层112(例如硅碳氮化物(SiCN))形成在整个的熔丝装置100上，包括不存在金属盖层的区域110。

通过在熔丝结构100的选定区域110中有意地省去金属盖层的形成，由此该结构变得更易于电迁移失效。由此，通过迫使电流经过结构100，只有线而没有金属盖层的区域110失效，而具有金属盖层的线的剩余部分不会受到损坏。为了使结构100有利地用作熔丝装置，采用充分高的电流而使得在非常短的时间内发生失效。在一个示例性实施例中，实施这种高电流应力技术的方法可参见Filippi，Jr等人的美国专利6,603,321，该专利被转让给本申请的受让人，并且这里通过引用其全文而结合其内容。

更具体地，高电流应力技术基于等温应力，其中经过金属线的电流密度增加，直到由焦耳加热引起的温度升高达到大约400℃(其中，该温度通过测量结构的电阻来确定)。引起这样失效所需的电流密度为大约10⁷A/cm²或者更大的量级，并且其中对于具有传统电介质盖层材料的Cu线而言该线应该在大约1分钟内失效。通过增加电流密度并由此增加应力温度可进一步减少失效时间。由于宽线比窄线产生更多的功率，因此窄线比宽线所需的电流密度更高。这意味着在给定的相同应力条件下，宽线将比窄线更早失效，这允许该结构有许多设计变化。

图2(a)至图2(c)为形成图1的结构的示例性方法的截面图。在图2(a)中，图案化的阻挡掩模114(例如，光致抗蚀剂材料)形成在Cu层106的中心部分上，以防止互连金属的部分具有沉积在其上的金属盖。如图2(b)所示，在阻挡掩模114的图案化之后，CoWP盖108局部地沉积在Cu层106的暴露区域上以及衬垫层104上，在阻挡掩模114的相对侧上。一旦去除了阻挡掩模114(例如，通过抗蚀剂剥离溶剂)，SiCN电介质盖层112沉积在整个结构上，如图2(c)所示。

可应用于提出的电断金属熔丝结构的一个特定尺寸参数为没有CoWP(图2(c))的区域的长度L大于关于电迁移短长度效应的“临界”长度。如以上表明，电迁移是用于金属互连的可靠失效机制，其中金属原子在电场和电子流的影响下迁移，对于Cu互连的情况，沿着电子流的方向迁移。在电迁移期间，电子风(electron wind)施加一个力，其产生由以下方程给出的原子流量J：

$J={\mathrm{nv}}_e=n\left[\frac{D}{\mathrm{kT}}\right]\mathrm{j\ρe}{Z}^{*}$ (方程1)

其中，n是原子的密度，V_e是迁移原子的漂移速度，D是有效扩散率、k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，j是电流密度、ρ是电阻系数，以及eZ^*是有效离子电荷。原子从线的阴极端迁移导致在这个区域中形成空隙，这最终导致线的电阻增加。

然而，在存在扩散阻挡层的情况下，原子聚集在阳极端，并且使导体的阴极端耗尽，从而导致应力梯度和原子的反向扩散(参见，例如I.A.Blech，J.Appl.Phys.47，1203(1976))。电迁移和原子的应力诱生反向流的结合引起在稳定状态由以下方程给出的净原子通量J_eff：

$J_{\mathrm{eff}}=n(v_e-v_b)=\frac{\mathrm{nD}}{\mathrm{kT}}[{\mathrm{j\ρeZ}}^{*}-\frac{\mathrm{\Δ\σ\Ω}}{L}]$ (方程2)

其中，v_b是原子的反向流动速度，Δσ是阴极端与阳极端之间的应力差异，Ω是原子体积，而L是导体长度。当反向应力梯度平衡了电迁移作用力时，质量转移完全被抑制。这种现象称为电迁移阈值或短长度效应，并且发生在互连足够短以及电流密度低的情况。从上述J_eff关系式来定义阈值条件为：

${\left(\mathrm{jL}\right)}_{\mathrm{th}}=\frac{\mathrm{\Δ\σ\Ω}}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{eZ}}^{*}}$ (方程3)

其中，(jL)_th称为阈值长度乘积。对于小于(jL)_th的jL值，在互连结构中没有电迁移失效。如果j和L正好对应于阈值条件，则互连的长度对应于所谓的临界长度。

一般对于互连结构而言，需要短长度的益处，这是因为其实现时可增进/消除电迁移。然而，在将电迁移有利地用于产生金属熔丝结构的本实施例中，应该超过临界长度，使得原子的质量转移不会被平衡的反向应力梯度抑制。

重新参照上述示例，假设阈值长度乘积(jL)_th约为5000A/cm，而熔丝编程电流密度约为10⁷A/cm²，则临界长度约为5微米(μm)。然而，在大部分情况下，所需的长度实际上小于这个值，这是因为采用相对更高的电流密度可造成EM失效，从而断开熔丝。举例来说，可以设想的是，根据阈值长度乘积(jL)_th和熔丝编程电流密度，临界长度可低至1μm。

最后，图3和图4是如图2(a)所示在抗蚀剂图案化之后的金属熔丝结构100的俯视图。应该注意的是，熔丝结构100的特定布局对于确保熔丝结构正确工作来说可能不是关键的。而是，实际设计可以变化以实现所需的失效时间，例如可改变去除金属盖层的区域的宽度。在图3中，用于阻挡CoWP形成的图案化阻挡掩模114是以所谓“狗骨头”的配置方式覆盖金属层106的狭窄部分的大部分长度上；而在图4中，金属层106的狭窄部使用相对更长的长度。因此，通过在沉积金属盖层之前简单使用抗蚀剂阻挡掩模，即可产生有效的电断金属熔丝。

尽管参照一个优选实施例或多个优选实施例描述了本发明，但是本领的域技术人员可以理解，在不背离本发明范围的情况下，可以进行各种改变并且对其元件可替换为等同物。此外，可进行许多修改以使特定情形或者材料适应于本发明的教导，而不背离其基本范围。因此，本发明不旨在限于作为预期实施本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而本发明将包括落入随附权利要求书范围之内的所有实施例。

工业适用性

本发明可用于半导体装置的领域中，并且尤其可用于熔丝结构。

Claims (10)

1.一种用于集成电路装置的熔丝结构，包括：

延长的金属互连层（106），限定在绝缘层中；

金属盖层（108），仅形成在所述金属互连层的上表面的一部分上；以及

电介质盖层，形成在所述金属盖层（108）和所述金属互连层的其上没有形成所述金属盖层（108）的剩余部分上；

其中，所述金属互连层的其上没有形成所述金属盖层（108）的剩余部分对电迁移失效机制敏感，从而便于通过经所述延长的金属互连层（106）施加电流而对所述熔丝结构进行编程，

其中所述金属盖层（108）形成在所述延长的金属互连层（106）的相对端处，而所述金属互连层的其上没有形成所述金属盖层（108）的剩余部分对应于所述相对端之间的所述金属互连层的中心部分，

并且其中金属互连层（106）具有宽部分和狭窄部分，所述金属互连层的其上没有形成所述金属盖层（108）的剩余部分位于狭窄部分的大部分长度上。

2.根据权利要求1所述的熔丝结构，其中与在所述金属互连层的相对端的所述金属盖层（108）之间的距离对应的长度L，对于施加的熔丝编程电流密度的给定值，对应于与避免电迁移短长度效应有关的至少临界长度。

3.根据权利要求2所述的熔丝结构，其中所述熔丝编程电流密度为至少10⁷A/cm²，并且其中L为1微米（μm）或更大。

4.根据权利要求1所述的熔丝结构，其中所述金属互连层的其上没有形成有所述金属盖层（108）的剩余部分对应于与在沉积所述金属盖层（108）之前形成的阻挡掩模（114）的位置。

5.根据权利要求1所述的熔丝结构，其中：

所述金属盖层（108）包括选自钽（Ta）、氮化钽（TaN）、钴钨磷化物（CoWP）以及钌（Ru）的组的材料；以及

所述电介质盖层（112）包括选自氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）与碳氮化硅（SiCN）的组的材料。

6.一种用于集成电路装置的电断金属熔丝结构，包括：

延长的铜互连层（106），限定在绝缘层中，并且在所述铜互连层表面和底表面上由衬垫层围绕；

金属盖层（108），仅形成在所述铜互连层的上表面的一部分上；以及

电介质盖层（112），形成在所述金属盖层（108）和所述铜互连层的其上没有形成所述金属盖层（108）的剩余部分上；

其中，所述铜互连层的其上没有形成所述金属盖层（108）的剩余部分对电迁移失效机制敏感，从而便于通过经所述延长的铜互连层（106）施加电流而对所述熔丝结构进行编程，

其中所述金属盖层（108）形成在所述延长的铜互连层（106）的相对端处，而所述铜互连层的其上没有形成所述金属盖层（108）的剩余部分对应于所述相对端之间的所述铜互连层的中心部分，

并且其中铜互连层（106）具有宽部分和狭窄部分，所述铜互连层的其上没有形成所述金属盖层（108）的剩余部分位于狭窄部分的大部分长度上。

7.根据权利要求6所述的熔丝结构，其中，与在所述铜互连层的相对端之间的所述金属盖层（108）的距离对应的长度L，对于施加的熔丝编程电流密度的给定值，对应于与避免电迁移短长度效应有关的至少临界长度。

8.根据权利要求7所述的熔丝结构，其中所述熔丝编程电流密度为至少10⁷A/cm²，并且其中L为1微米（μm）或更大。

9.根据权利要求6所述的熔丝结构，其中所述铜互连层的其上没有形成有所述金属盖层（108）的剩余部分对应于与在沉积所述金属盖层（108）之前形成的阻挡掩模（114）的位置。

10.根据权利要求6所述的熔丝结构，其中：

所述金属盖层（108）包括选自钽（Ta）、氮化钽（TaN）、钴钨磷化物（CoWP）以及钌（Ru）的组的材料；以及

所述电介质盖层（112）包括选自氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）与碳氮化硅（SiCN）的组的材料。

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