CN104576601B - 一种金属熔丝结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属熔丝结构，包括：第一金属线和第二金属线，所述第一金属线和所述第二金属线位于上下两层中；金属通孔，连接所述第一金属线和所述第二金属线；位于所述第二金属线下层的第一虚拟金属层，位于所述第一金属线和所述第二金属线两侧的第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构；其中所述第一虚拟金属层与所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构构成一U型结构环绕所述金属通孔。所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构结合所述第一虚拟金属层以及下方的若干金属层形成散热通道，将所述金属通孔中产生的热量及时消散，确保在所述金属通孔附近不会出现熔丝断裂的情况，提高熔丝结构的稳定性。

Description

一种金属熔丝结构

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种金属熔丝结构。

背景技术

在集成电路装置中，例如在互不金属氧化物半导体（CMOS）集成电路，常常需要能够永久的存储信息，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原件以替换同样的有缺陷的元件。此外，熔丝可用于存储芯片识别或者其他这样的信息，或者用于通过调整电流路径的电阻来调整电路的速度。

一类型的熔丝装置被编程或者断开，在处理或者钝化半导体装置之后，采用激光已通过暴露于高能量光而打开连接，由此激活冗余电路。这种特定类型的熔丝装置需要使激光准确的对准在熔丝装置上，以避免损坏相邻的装置。

随着半导体器件集成度的不断提高，器件的尺寸也越来越小，对于器件的稳定性要求也更高，但是由于器件尺寸的缩小，器件的物理极限受到限制，给器件的稳定性以及良率带来极大的挑战，例如在金属熔丝（metal fuse）工艺中，金属熔丝的稳定性成为一项重要的性能评价标准，特别是金属熔丝在高温存储寿命（High Temperature StorageLifetime，HTSL）的长短成为评价金属熔丝的关键。

现有技术中一种金属熔丝结构如图1b所示，所述金属熔丝包括第一金属线101，以及位于所述第一金属线101上方的第二金属线102，所述第一金属线101和第二金属线102之间通过通孔（via）103连通，当位于底部的第一金属线101发生断裂后，如图1a所示，当所述金属线断裂处距离所述通孔（via）103的距离较远时，在进行热压处理（thermal stress）时，所述金属熔丝断裂处重新被金属填充的可能性越小；此外，所述第一金属线101的长度越长，所述金属熔丝断裂后形成的孔洞（void）也离所述金属通孔也越远。

虽然通过增加所述金属线的长度可以在一定程度上解决所述金属熔丝的稳定性，但是这与器件尺寸不断缩小的趋势相违背，所述方法并不能很好的解决该问题，因此需要对金属熔丝结构做进一步的改进，以便提高金属熔丝的稳定性以及良率。

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。

本发明为了克服现有技术存在的问题，提供了一种金属熔丝结构，包括：

第一金属线和第二金属线，所述第一金属线和所述第二金属线位于上下两平面中；

金属通孔，连接所述第一金属线和所述第二金属线；

位于所述第二金属线下层的第一虚拟金属层，位于所述第一金属线和所述第二金属线两侧的第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构；

所述第一虚拟堆栈结构和所述第二虚拟堆栈结构均包括第二虚拟金属层、第三虚拟金属层、第一虚拟通孔和第二虚拟通孔；

所述第二虚拟金属层与所述第二金属线位于同层，所述第三虚拟金属层与所述第一金属线位于同层，所述第一虚拟通孔位于所述第一虚拟金属层与所述第二虚拟金属层之间，所述第二虚拟通孔位于所述第二虚拟金属层与所述第三虚拟金属层之间；

其中所述第一虚拟金属层与所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构构成一U型结构环绕所述金属通孔。

作为优选，所述第二金属线的长度大于所述第一金属线的长度。

作为优选，所述第一虚拟金属层下方还设置有若干虚拟金属层。

作为优选，所述若干虚拟金属层之间通过若干虚拟通孔连接。

作为优选，所述金属熔丝结构还包括位于所述若干虚拟金属层下面的半导体衬底，所述若干虚拟金属层形成从所述第二金属线到所述半导体衬底的散热通道。

作为优选，还包括设置于所述虚拟金属层一侧的虚拟金属块，用于抑制所述虚拟金属层的填充，以将所述第二金属线的孔洞形成位置控制在远离所述金属通孔的位置处。

作为优选，所述第一虚拟金属层的一侧设置有所述虚拟金属块。

作为优选，所述第三虚拟金属层的一侧设置有所述虚拟金属块。

作为优选，所述U型结构和所述金属通孔之间的距离不小于10um。

作为优选，所述金属通孔嵌于所述U型结构的中心。

本发明中通过在所述金属熔丝结构包括上下通过金属通孔连接的金属线，以及位于所述第二金属线下层的第一虚拟金属层，位于所述第一金属线和所述第二金属线两侧的第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构，其中所述第一虚拟金属层与所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构构成一U型结构环绕所述金属通孔，所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构结合所述第一虚拟金属层以及下方的若干金属层形成散热通道，将所述金属通孔中产生的热量及时消散，确保在所述金属通孔附近不会出现熔丝断裂的情况，提高熔丝结构的稳定性。

此外，为了进一步提高所述器件的稳定性，在所述金属熔丝的下方，所述第二虚拟堆栈结构的一侧设置虚拟金属块，所述虚拟金属块将所述金属熔丝加热位置控制在远离所述金属通孔的位置，进一步提高所述金属熔丝结构的稳定性，提器件的良率。

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，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1a为现有技术中所述金属熔丝断裂厚度SEM示意图；

图1b为现有技术中所述金属熔丝的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式中金属熔丝的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式中金属熔丝沿A-A剖面的示意图；

图4为本发明一具体实施方式中金属熔丝的侧视图；

图5为本发明一具体实施方式中金属熔丝的能量密度和温度差的示意图。

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而言显而易见的是，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。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所述金属熔丝的结构。显然，本发明的施行并不限于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。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。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

本发明为了解决现有技术中金属熔丝存在的各种问题，提供了一种稳定性更好的金属熔丝结构，在所述金属熔丝结构包括：

第一金属线和第二金属线，所述第一金属线和所述第二金属线位于上下两平面中；

金属通孔，连接所述第一金属线和所述第二金属线；

位于所述第二金属线下层的第一虚拟金属层，位于所述第一金属线和所述第二金属线两侧的第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构；

其中所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构分别包括与所述第二金属线位于同层的第二虚拟金属层、与所述第一金属线位于同层的第三虚拟金属层，以及位于所述第一虚拟金属层与所述第二虚拟金属层之间的第一虚拟通孔、位于所述第二虚拟金属层与所述第三虚拟金属层之间的第二虚拟通孔；

其中所述第一虚拟金属层与所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构构成一U型结构环绕所述金属通孔。

本发明中通过在所述金属熔丝的周围设置第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构，结合位于下方的多层虚拟金属层和虚拟金属通孔形成至半导体衬底的散热通道，将所述金属通孔中产生的热量及时消散，确保在所述金属通孔附近不会出现熔丝断裂的情况，提高熔丝结构的稳定性。

作为优选，为了进一步提高所述器件的稳定性，在所述第二金属熔丝的一侧设置虚拟金属块，所述虚拟金属块将所述金属熔丝加热位置控制在远离所述金属通孔的位置，进一步提高所述金属熔丝结构的稳定性，提器件的良率。

此外，所述虚拟金属块将所述加热位置控制在远离所述金属通孔的位置，在加热将位于下方的第二金属线熔断后，形成孔洞，完成编程，在完成编程后所述虚拟金属块还可以起到阻止所述虚拟堆栈结构进入所述熔断后形成的孔洞中，提高器件的稳定性。

进一步，为了提高所述熔丝结构的稳定性，需要调整所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构和所述第一金属线和所述第二金属线之间的距离，以得到更好地散热效果，作为优选，所述U型结构和所述第一金属线和所述第二金属线之间的距离不小于10um。

具体地，所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构下方还可以包含多层虚拟金属层和虚拟金属通孔，所述虚拟金属层为若干层，所述若干层虚拟金属层之间通过虚拟金属通孔相连通。

为了更好的说明本发明所述金属熔丝结构，下面结合附图对本发明的一具体实施方式中的金属熔丝作进一步的说明。

首先，参照图2-图4，图2为本发明一具体实施方式中金属熔丝结构的俯视图，图3为图2所述金属熔丝结构沿A-A线的剖视图，图4为本发明一具体实施方式中金属熔丝的侧视图；

所述金属熔丝包括第一金属线202和第二金属线201，其中所述第一金属线202和所述第二金属线201位于上下两层中，其中所述第一金属线202位于所述第二金属线201的上方，两者之间通过金属通孔203相互连接。如图4中圈出的部分即为加热热点。

作为优选，为了提高器件的稳定性，使所述第二金属线201熔断形成孔洞后不被重新填充，加大所述第二金属线201的长度，所述第二金属线201的长度比所述第一金属线201长，其具体长度并不局限于某一范围，可以根据器件的具体尺寸进行设定。

所述熔丝结构还包括位于所述第二金属线下层的第一虚拟金属层206，位于所述第一金属线202和所述第二金属线201两侧的第一虚拟堆栈结构10和第二虚拟堆栈结构20；

其中，所述第一虚拟堆栈结构10和第二虚拟堆栈结构20分别包括与所述第二金属线201位于同层的第二虚拟金属层208、与所述第一金属线202位于同层的第三虚拟金属层204，以及位于所述第一虚拟金属层206与所述第二虚拟金属层208之间的第一虚拟通孔209、位于所述第二虚拟金属层208与所述第三虚拟金属层204之间的第二虚拟通孔205；

作为优选，所述第三虚拟金属层204、第二虚拟金属层208上还可以设置有第一钝化层和第二钝化层（图中均为示出）。

所述第一虚拟金属层206的下方还包括若干虚拟金属层，所述若干金属层之间通过虚拟通孔连接，具体地，第一虚拟金属层206下方为第N金属层，所述第N金属层下方为第N-1金属层，之间通过第N金属通孔连接，依次类推从上往下至第一金属层，所述第一金属层位于所述半导体衬底之上，所述第一金属层和所述半导体衬底之间还可以设置有其他材料层或者有源器件，在此不再赘述，所述第一虚拟堆栈结构10和第二虚拟堆栈结构20结合所述第一虚拟金属层206以及位于下方的若干金属层形成了连接至所述半导体衬底的散热通道。

其中第一金属层（M1）210位于半导体衬底上，所述半导体衬底可以选用常用的半导体材料，优选为Si衬底，所述第一金属层210的形成可以选用多种常规的方法，例如所述的第一金属层210形成于介电质绝缘层中，具体步骤包括图案化，在绝缘层中蚀刻沟槽开口，形成阻挡层以排列开口，利用金属填充开口以及进行平坦化工艺，将填充金属进行平坦化，在平坦化之后形成第二金属通孔，第二金属通孔位于所述第一金属层210上方，连接所述第二金属层，依次类推向上形成所述金属层和金属通孔的叠层。所述金属层和所述金属通孔选用金属材料，例如铜、铝等。

所述第一虚拟金属层206位于所述金属通孔203的下方，和所述第三虚拟金属层204和第二虚拟金属层208位于所述金属通孔203的两侧不同，所述第一虚拟金属层206以及下方的各虚拟金属层为一体设置的，贯穿于整个平面，与两侧的第一顶部虚拟金属层204和第二顶部虚拟金属层208形成U形结构，将所述金属通孔203包围其中。

所述第一虚拟金属层206上方连接所述第三虚拟金属层204和第二虚拟金属层208，下面经过若干层金属层后连接所述第一金属层210，最后和硅衬底形成连接于衬底的散热通道，即使将所述金属通孔203附近产生的热量传导出去。

进一步，所述熔丝结构还进一步包括设置与所述虚拟金属层一侧的虚拟金属块207，所述虚拟金属块207用于阻止所述虚拟金属层和所述虚拟金属通孔在热工艺过程中对所述孔洞重新填充。

所述虚拟金属块207还可以将所述金属熔丝加热位置控制在远离所述金属通孔的位置，具体地，将所述第二金属线201的加热位置控制于远离所述金属通孔203的位置。

本发明所述金属熔丝具有良好的效果，其中如图5所示，该图为本发明的一具体地实施方式中，在不同的能量密度Dp下不同金属层之间的温度差，如图所示，所述图中示出了最低层Mn，以及最底层以上Mn-2，Mn-5层虚拟金属层上的温度差，通过该图可以看出，随着加热能量密度的提高，不同层之间的升温不一样，其中越往底层升温幅度越小，也越慢，说明在该金属熔丝结构中从第一顶部虚拟金属层到硅衬底的垂直热传导过程为辐射热传导（radiation path），也说明了在所述金属熔丝结构中能够形成良好的热传导路径，将所述金属通孔附近产生的热量及时的通过所述路径传导出去。

本发明中通过在所述金属熔丝结构包括上下通过金属通孔连接的金属线，以及位于所述第二金属线下层的第一虚拟金属层，位于所述第一金属线和所述第二金属线两侧的第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构，其中所述第一虚拟金属层与所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构构成一U型结构环绕所述金属通孔，所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构结合所述第一虚拟金属层以及下方的若干金属层形成散热通道，将所述金属通孔中产生的热量及时消散，确保在所述金属通孔附近不会出现熔丝断裂的情况，提高熔丝结构的稳定性。

此外，为了进一步提高所述器件的稳定性，在所述金属熔丝的下方，所述第二虚拟堆栈结构一侧设置虚拟金属块，所述虚拟金属块将所述金属熔丝加热位置控制在远离所述金属通孔的位置，进一步提高所述金属熔丝结构的稳定性，提器件的良率。

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 (7)

1.一种金属熔丝结构，包括：

第一金属线和第二金属线，所述第一金属线和所述第二金属线位于上下两层中；

金属通孔，连接所述第一金属线和所述第二金属线；

位于所述第二金属线下层的第一虚拟金属层，位于所述第一金属线和所述第二金属线两侧的第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构；

其中，所述第一虚拟堆栈结构和所述第二虚拟堆栈结构均包括第二虚拟金属层、第三虚拟金属层、第一虚拟通孔和第二虚拟通孔；

所述第二虚拟金属层与所述第二金属线位于同层，所述第三虚拟金属层与所述第一金属线位于同层，所述第一虚拟通孔位于所述第一虚拟金属层与所述第二虚拟金属层之间，所述第二虚拟通孔位于所述第二虚拟金属层与所述第三虚拟金属层之间；

其中所述第一虚拟金属层与所述第一虚拟堆栈结构和第二虚拟堆栈结构构成一U型结构环绕所述金属通孔；

所述第一虚拟金属层下方还设置有若干虚拟金属层，所述若干虚拟金属层之间通过若干虚拟通孔连接，所述金属熔丝结构还包括位于所述若干虚拟金属层下面的半导体衬底，所述若干虚拟金属层形成从所述第二金属线到所述半导体衬底的散热通道。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第二金属线的长度大于所述第一金属线的长度。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括设置于所述虚拟金属层一侧的虚拟金属块，用于抑制所述虚拟金属层的填充，以将所述第二金属线的孔洞形成位置控制在远离所述金属通孔的位置处。

4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述第一虚拟金属层的一侧设置有所述虚拟金属块。

5.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述第三虚拟金属层的一侧设置有所述虚拟金属块。

6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述U型结构和所述金属通孔之间的距离不小于10um。

7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述金属通孔嵌于所述U型结构的中心。