CN103915411B - 电编程熔丝结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电编程熔丝结构，包括：阳极和阴极；位于所述阳极和阴极之间的熔丝区，所述熔丝区包括多条与所述阳极和阴极连接的熔丝，所述熔丝的宽度小于所述阳极和阴极的最小宽度，所述多条熔丝具有不同的宽度。由于熔丝的宽度不同，需要被熔断所需要的电流不同，即可实现在不同电流下，不同的熔丝被熔断，而使得剩下的E‑fuse的电阻不同，从而可实现可多次编程的可变电阻的电编程熔丝结构。

Description

电编程熔丝结构

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及电编程熔丝结构。

背景技术

在集成电路领域，熔丝（Fuse）是指在集成电路中形成的一些可以熔断的连接线。最初，熔丝是用于连接集成电路中的冗余电路，一旦检测发现集成电路具有缺陷，就利用熔丝修复或者取代有缺陷的电路。熔丝一般为激光熔丝（Laser Fuse）和电编程熔丝（Electrically Programmable Fuse，以下简称E-fuse）两种。随着半导体技术的发展，E-fuse逐渐取代了激光熔丝。

一般的，E-fuse可以用金属（铝、铜等）或硅制成，一种典型的结构如图1所示，其包括阳极10和阴极30，以及位于阳极10和阴极30之间与两者相连接的细条状的熔丝20。当阳极10和阴极30之间通过较大的瞬间电流时，熔丝20被熔断。根据熔丝20实际条宽和厚度，具体熔断熔丝20所需的电流不尽相同，通常为几百毫安。熔丝20未被熔断的状态下，E-fuse处为低阻态（如电阻为R），当熔丝20被熔断后的状态下，E-fuse处为高阻态（如电阻为无穷大）。由于其具有通过电流可实现低阻向高阻转化的特性，能够实现被编程的效果，E-fuse除了在冗余电路中的应用外，还具有更广泛的应用，如：内建自测（Build in self test，简称BIST）技术、自修复技术、一次编程（One Time Program，简称OTP）芯片、片上系统（SystemOn Chip，简称SoC）等等。更多E-fuse相关的信息可参考公开号为CN101300677A的中国专利申请。

而现有技术中，熔丝20被熔断是不可逆转的，所述E-fuse只具有从一种确定的低阻转向高阻的能力，只具有一次被编程的情况，应用有限。

发明内容

本发明解决的问题是E-fuse只能具有一种可被编程状态，应用有限的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种电编程熔丝结构，包括：

阳极和阴极；

位于所述阳极和阴极之间的熔丝区，所述熔丝区包括多条与所述阳极和阴极连接的熔丝，所述多条熔丝具有不同的宽度。

可选的，所述熔丝区包括n块子熔丝区，每块子熔丝区中各具有m条长度和宽度均相同的熔丝，不同子熔丝区中的熔丝宽度各不相同；其中，n大于等于2，m大于等于2。

可选的，不同子熔丝区中的熔丝的长度不同。

可选的，不同子熔丝区中的熔丝的长宽比相同。

可选的，所述熔丝的材质为多晶硅。

可选的，所述电编程熔丝结构的材质为多晶硅。

可选的，所述熔丝为长条状，所述熔丝的长宽比成正比关系。

可选的，所述熔丝的长宽比范围为2~8。

可选的，所述熔丝的长宽比相同。

可选的，所述阳极或阴极中的某一极紧邻所述熔丝区的一侧为平直的边缘，另一极紧邻所述熔丝区的一侧包括多条朝向所述熔丝区伸出的凸条，各凸条的长度各不相同，以适应连接不同长度的熔丝。

可选的，所述阳极和阴极中的某一极紧邻所述熔丝区一侧包括多条朝向所述熔丝区伸出的凸条，以适应连接不同长度的熔丝。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的技术方案提供一种电编程熔丝（E-fuse）的结构，其中包括位于阳极和阴极之间的多条宽度不同的熔丝。由于熔丝的宽度不同，需要被熔断所需要的电流不同，即可实现在不同电流下，不同的熔丝被熔断，而使得剩下的E-fuse的电阻不同，从而可实现可多次编程的可变电阻的电编程熔丝结构。

附图说明

图1是现有技术中一种典型的电编程熔丝结构的示意图；

图2是实施例一中提供一种电编程熔丝结构的示意图；

图3是实施例二中提供一种电编程熔丝结构的示意图。

具体实施方式

本发明的技术方案提供一种电编程熔丝（E-fuse）的结构，其中包括位于阳极和阴极之间的多条宽度不同的熔丝。由于熔丝的宽度不同，需要被熔断所需要的电流不同，即可实现在不同电流下，不同的熔丝被熔断，而使得剩下的E-fuse的电阻不同，从而可实现可多次编程的可变电阻的电编程熔丝结构。

在可选方案中，本发明的实施例提供了不同宽度的熔丝具有成等比关系的长宽比的E-fuse的结构。由于熔丝的宽长比决定了熔丝的电阻大小，熔丝的长宽比为等比关系，熔丝的电阻也具有等比关系，使得利用包括本发明的技术方案提供的E-fuse的可编程电路的设计人员方便根据电阻的等比关系进行电路的设计。而根据宽长比的不同比例关系，可以设计出多种不同的电阻变化的关系来，可适应多种需求和应用，丰富了电路设计人员的选择。在本发明的技术方案中提供的更便捷的实施例中，各熔丝的宽长比相同，这样可以使得各熔丝的电阻相同。

在可选方案中，本发明的实施例提供的E-fuse结构具有多个子熔丝区，各子熔丝区中的熔丝的宽度不同。在每个子熔丝区中具有多条熔丝，同一子熔丝区中的熔丝的宽度相同。这样的方式中，各块子熔丝区中熔丝被熔断的电流的差别变大，方便半导体工艺制程的实现。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

本发明的技术方案提供的E-fuse结构的一种实施情况如图2所示，其具有阳极100和阴极300。其中，在本发明的技术方案中，所述阳极100和阴极300的对应的形状并不受图2中所示形状的具体的局限。本实施例中，设置阳极100具有平整的边缘，而阴极300具有伸出的凸条。位于所述阳极100和阴极300中的熔丝区包括3条熔丝，分别为熔丝21、熔丝22和熔丝23，所述熔丝为整个E-fuse中宽度最小的部分，各条熔丝的长度各不相同，长宽比相同。在其它的实施方式中，各条熔丝的长宽比可以不相同，而只是成等比增大或缩小的关系。其中阳极100为长方形，使得紧邻所述熔丝区的一侧为平直的边缘。阴极300具有长方形的主体30，以及3条沿着所述长方形的主体朝向所述熔丝区的边沿伸出的凸条31、32和33。各凸条的长度各自不同，起到连接其对应的熔丝21、22或23到主体30的作用。

本实施例中的提供的E-fuse的具体制作工艺包括：在表面具有绝缘层的半导体衬底上形成E-fuse材料层；然后利用光刻刻蚀技术，使得所述E-fuse材料层具有图2中所述E-fuse的形貌。本实施例中，E-fuse的材质为多晶硅是为了便于结合CMOS工艺实现所述E-fuse的制作。并且，为了适应CMOS工艺，所述熔丝的长宽比范围为2~8。

电熔丝的熔断是电热效应的结果，即由电流引起熔丝自发热而熔断的。而发热熔断需要的能量是正比于材料总热容，而材料总热容是正比于材料面积，以A代表材料的面积，W代表材料的宽度，L代表材料的长度，E代表发热熔断需要的能量，所以有E∝A=(W×L) [1]

而能量E和电流I有如下关系E=I²×t [2]

即能量E和熔断电流I和脉冲时间宽度t的关系。

假设固定脉冲频率，即时间宽度t为常数，同时材料方块数N=L/W [3]。

将[2]和[3]代入[1]中，得到I²×t∝N×W²，两边开平方，整理后得到I∝W，即熔断电流I的大小之和熔丝的宽度成正相关。

由上推理可知，决定熔丝21、22或23被熔断的电流为多大的因素为熔丝21、22或23的粗细，熔丝越粗，需要越大的电流才能被熔断。为了使得熔丝21、22或23分别在不同的电流下被熔断，本发明的技术方案中设计所述熔丝21、22和23各自的粗细不同。继续以图2中所示的E-fuse为例，所述熔丝21的宽度大于熔丝22的宽度，熔丝22的宽度大于熔丝23的宽度。即熔丝21被熔断需要的电流I1、熔丝22被熔断需要的电流I2和熔丝23被熔断需要的电流I3的关系为I1＞I2＞I3。

而决定熔丝21、22或23的电阻的为熔丝21、22或23的长宽比，长宽比相同，熔丝的电阻相同。在本实施设置所述熔丝21、22和23的长宽比都相同，即各自的等效电阻相同，记为R。图2中可见，处于阳极100和阴极300之间的熔丝21、22或23为并联，当阳极100和阴极300中通过电流时，通过熔丝21、22或23的电流均相等。

当熔丝21、22和23均为连通状态时，所述E-fuse的总电阻为R/3；

当通过熔丝21、22或23的电流I满足I3≤I＜I2时，会使得熔丝23被熔断，使得所述E-fuse的总电阻为R/2；

当通过熔丝21、22或23的电流I满足I2≤I＜I1时，会使得熔丝23和熔丝22都被熔断，使得所述E-fuse的总电阻为R；

当通过熔丝21、22或23的电流I满足I≥I1时，会使得熔丝21、22和23都被熔断，使得所述E-fuse处于高阻状态（电阻为无穷大）。

综上所述，本实施例中的E-fuse能够提供四种状态，可以为编程提供更多的选择。

本发明的技术方案并不限于前述的各条熔丝的长宽比相同的实施情况，在各条熔丝的宽度各不相同，但电阻成等比关系的实施情况中，各条熔丝的电阻成正比关系。在通过不同大小的电流时，使得不同的熔丝被熔断，也能够实现类似上述的使得剩下的E-fuse结构的总电阻为不同的，成比例关系的阻值的情况。本领域技术人员能够通过上述类似的原理推导出具体的实施情况。

并且，本发明的技术方案不限于本实施例中所述熔丝区具有3条熔丝的情况。当所述熔丝区具有n条熔丝（n＞2）的情况下，所述E-fuse能够提供n+1种状态，为编程提供选择。本领域技术人员可以按照上述原理进行相应地修改、变形和替换，实现其它的所述熔丝区中具有n条（n＞1）熔丝的情况。

实施例二

本发明的技术方案提供的E-fuse的另一种实施情况如图3所示，具有阳极900和阴极500，以及位于所述阳极900和阴极500中的熔丝区，所述熔丝区包括3块子熔丝区，分别为子熔丝区A1、子熔丝区A2和子熔丝区A3，每块子熔丝区中各具有3条长条状的熔丝条：在子熔丝区A1中的熔丝为熔丝61、熔丝62和熔丝63，在子熔丝区A2中的熔丝为熔丝71、熔丝72和熔丝73，在子熔丝区A3中的熔丝为熔丝81、熔丝82和熔丝83。

每块子熔丝区中的熔丝长度和宽度都相等。在子熔丝区A1中的熔丝61、熔丝62与熔丝63的长度和宽度相等。在子熔丝区A2中的熔丝71、熔丝72和熔丝73的长度和宽度相等。在子熔丝区A3中的熔丝81、熔丝82和熔丝83的长度和宽度相等。而各块子熔丝区中的熔丝的长度各不相同，例如子熔丝区A1中的熔丝61、熔丝62与熔丝63与在子熔丝区A2中的熔丝71、熔丝72和熔丝73不同，也与在子熔丝区A3中的熔丝81、熔丝82和熔丝83不同。子熔丝区A2和子熔丝区A3中的熔丝的长度也与其它子熔丝区中的熔丝长度不同。但是各子熔丝区中的熔丝的长宽比相同。

其中阳极900为长方形，使得紧邻所述熔丝区的一侧为平直的边缘。阴极500具有长方形的主体50，以及3条沿着所述长方形的主体朝向所述熔丝区的边沿伸出的凸条51、52和53。各凸条的长度各自不同，起到连接其对应的子熔丝区A1、A2或A3中的熔丝到主体50的作用。

同实施例一类似的，本实施例中的提供的E-fuse的具体制作工艺包括：在表面具有绝缘层的半导体衬底上形成E-fuse材料层；然后利用光刻刻蚀技术，使得所述E-fuse材料层具有图3中所述E-fuse的形貌。本实施例中，E-fuse的材质为多晶硅是为了便于结合CMOS工艺实现所述E-fuse的制作。并且，为了适应CMOS工艺，所述熔丝的长宽比范围为2~8。

同实施例一类似的原理，同一子熔丝区中的熔丝具有相同的宽度，其被熔断的电流相同，而不同子熔丝区中的熔丝具有不同的宽度，被熔断的电流不同。并且所有子熔丝区中的熔丝具有相同的长宽比，其电阻相同，且在阳极和阴极通过电流时，流过各条熔丝的电流相等。

和实施例一类似的，本实施设置各熔丝的等效电阻记为R，子熔丝区A1中的每条熔丝被熔断需要的电流为I1，子熔丝区A2中的每条熔丝被熔断需要的电流为I2，子熔丝区A3中的每条熔丝被熔断需要的电流为I3，各电流之间关系为I1＞I2＞I3。

当子熔丝区A1、子熔丝区A2和子熔丝区A3中的熔丝均为连通状态时，所述E-fuse的总电阻为R/9；

当通过子熔丝区A1、子熔丝区A2和子熔丝区A3中每条熔丝的电流I满足I3≤I＜I2时，会使得子熔丝区A3中的熔丝被熔断，使得所述E-fuse的总电阻为R/6；

当通过子熔丝区A1、子熔丝区A2和子熔丝区A3中每条熔丝的电流I满足I2≤I＜I1时，会使得子熔丝区A2和子熔丝区A3中的熔丝都被熔断，使得所述E-fuse的总电阻为R/3；

当通过子熔丝区A1、子熔丝区A2和子熔丝区A3中每条熔丝的电流I满足I≥I1时，会使得子熔丝区A1、子熔丝区A2和子熔丝区A3中的熔丝都被熔断，使得所述E-fuse处于高阻状态（电阻为无穷大）。

而与实施例一相比，各块子熔丝区中熔丝被熔断的电流的差别变大了。具体分析如下：

对于子熔丝区A1、子熔丝区A2和子熔丝区A3来说，使得所有熔丝被熔断的需要的电流与其中每条熔丝被熔断需要的电流成倍数关系，所述倍数为子熔丝区中熔丝的数量。比如，对于子熔丝区A1来说，其中所有熔丝被熔断需要的电流为3I1，对于子熔丝区A2来说，其中所有熔丝被熔断需要的电流为3I2，对于子熔丝区A3来说，其中所有熔丝被熔断需要的电流为3I3。

子熔丝区A1和子熔丝区A2中熔丝被熔断需要的电流的差别为3（I2-I1），子熔丝区A2和子熔丝区A3中熔丝被熔断需要的电流的差别为3（I3-I2）。

这样，与实施例一中相比，需要通过不同电流的各条熔丝的宽度的差异相同的情况下，能够更显著的区别出不同电流状态下的不同编程状态，为不同的编程需求提供更明显的区别。

类似实施例一的情况，本发明的技术方案并不限于前述的各条熔丝的长宽比相同的实施情况，在各子熔丝区中的熔丝的宽度各不相同，但电阻成等比关系的实施情况中，各子熔丝区中的熔丝的电阻成正比关系。在通过不同大小的电流时，使得不同的熔丝被熔断，也能够实现类似上述的使得剩下的E-fuse结构的总电阻为不同的，成比例关系的阻值的情况。也能够达到使得不同子熔丝区中的熔丝被熔断的电流的差别变大的效果，本领域技术人员能够通过上述类似的原理推导出具体的实施情况。

并且，本发明的技术方案不限于本实施例中所述熔丝区具有3个子熔丝区，每个子熔丝区具有3条熔丝的情况。当所述熔丝区具有m个子熔丝区，每块子熔丝区具有n条熔丝（m＞2，n＞2）的情况下，所述E-fuse能够提供n+1种状态，为编程提供选择。本领域技术人员可以按照上述原理进行相应地修改、变形和替换，实现其它的所述熔丝区具有m个子熔丝区，每块子熔丝区具有n条熔丝（m＞2，n＞2）的情况。

实施例三

实施例三中的大部分结构类似于实施例一。两者差别仅在于，本实施例中的E-fuse结构具有多条宽度各不相同，长度相同的熔丝。由于各条熔丝的宽度不同，使得通过不同电流时，被熔断的熔丝不同。剩下的E-fuse的总电阻也会不同。本领域技术人员能够通过上述类似的原理推导出具体的实施情况，只不过相对于实施例一来说，剩下的E-fuse的总电阻的情况需要经过较复杂的计算。

实施例四

实施例四中的大部分结构类似于实施例二，E-fuse结构同样具有多个按照不同宽度划分的子熔丝区，每个子熔丝区中具有多条宽度长度均相同的熔丝。两者差别仅在于，本实施例中不同子熔丝区的熔丝长度也相同。由于不同子熔丝区中的熔丝的宽度不同，使得通过不同电流时，被熔断的子熔丝区不同，剩下的E-fuse的总电阻也会不同。并且，由于每个子熔丝区域中具有多条宽度相同的熔丝，使得不同子熔丝区中的熔丝被熔断的电流的差别变大，本领域技术人员能够通过上述类似的原理推导出具体的实施情况，只不过相对于实施例二来说，剩下的E-fuse的总电阻的情况需要经过较复杂的计算。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种电编程熔丝结构，其特征在于，包括：

阳极和阴极；

位于所述阳极和阴极之间的熔丝区，所述熔丝区包括多条与所述阳极和阴极连接的熔丝，多条所述熔丝具有不同的宽度；

所述熔丝区包括n块子熔丝区，每块子熔丝区中各具有m条熔丝，各条熔丝长度相同，且宽度相同，不同子熔丝区中的熔丝宽度各不相同；其中，n大于等于2，m大于等于2。

2.如权利要求1所述的电编程熔丝结构，其特征在于，不同子熔丝区中的熔丝的长度不同。

3.如权利要求1所述的电编程熔丝结构，其特征在于，不同子熔丝区中的熔丝的长宽比相同。

4.如权利要求1所述的电编程熔丝结构，其特征在于，所述熔丝的材质为多晶硅。

5.如权利要求1所述的电编程熔丝结构，其特征在于，所述电编程熔丝结构的材质为多晶硅。

6.如权利要求1所述的电编程熔丝结构，其特征在于，所述熔丝为长条状，

各熔丝的长宽比成正比关系。

7.如权利要求6所述的电编程熔丝结构，其特征在于，所述熔丝的长宽比范围为2～8。

8.如权利要求6所述的电编程熔丝结构，其特征在于，所述熔丝的长宽比相同。

9.如权利要求8所述的电编程熔丝结构，其特征在于，所述阳极或阴极中的某一极紧邻所述熔丝区的一侧为平直的边缘，另一极紧邻所述熔丝区的一侧包括多条朝向所述熔丝区伸出的凸条，各凸条的长度各不相同，以适应连接不同长度的熔丝。