CN105097772A - 一种电可编程熔丝结构及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电可编程熔丝结构及电子装置，所述电可编程熔丝结构，包括：熔丝连接元件；第一端部和第二端部，分别与所述熔丝连接元件的两端相连接；其中，所述第一端部呈矩形，且边长小的一端与所述熔丝连接元件相连；所述第二端部与所述熔丝连接元件相连接的区域呈锥形结构。本发明为了解决现有技术的熔丝结构中存在迁移效应和熔丝熔化的问题，对所述熔丝结构做了进一步的改进，降低阴极区域的面积，同时提高阳极区域的面积，以增加阳极区域中接触孔的数目，提高编程电流，并且通过迁移和熔断结合的方法，避免了现有技术中温度过高造成熔丝结构熔化的问题，提高了熔丝结构熔断的可靠性。

Description

一种电可编程熔丝结构及电子装置

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种电可编程熔丝结构及电子装置。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，电可编程熔丝结构(ElectricallyProgrammableFuseStructure，E-fuse)得到广泛的应用，其中，电可编程硅化物多晶硅熔丝(Electricallyprogrammablesilicidedpolysiliconfuse)由于和CMOS技术具有更好的兼容性，而且使用时更加简便，该熔丝结构作为一次性可编程(one-time-programmable，OTP)熔丝在电路中得到广泛应用。

其中，熔丝结构的电迁移(electromigration，EM)是评价熔丝性能的重要参数，目前熔丝结构中电迁移效应会导致熔丝连接元件中的原子也会发生迁移，从而在熔丝连接元件区域形成空隙(void)，所述空隙会阻止所述自对准硅化物和掺杂离子从阳极到阴极的进一步迁移，降低了编程后熔丝结构的电阻和熔断的可靠性。

此外，如何保证所述熔丝在编程后具有足够的电阻，以使半导体器件更加容易读取，以及如何保持良好的稳定性也是需要考虑的问题，对熔丝结构的设计提出了更高的要求。

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。

本发明为了克服目前存在问题，提供了一种电可编程熔丝结构，包括：

熔丝连接元件；

第一端部和第二端部，分别与所述熔丝连接元件的两端相连接；

其中，所述第一端部呈矩形，且边长小的一端与所述熔丝连接元件相连；所述第二端部与所述熔丝连接元件相连接的区域呈锥形结构。

可选地，所述第一端部为阴极，所述第二端部为阳极。

可选地，所述第二端部与所述熔丝连接元件相连的一端呈锥形结构，另一端呈方形结构。

可选地，所述第一端部的宽度小于所述第二端部中所述方形结构的宽度。

可选地，所述熔丝连接元件包括：

绝缘层，位于半导体衬底上；

多晶硅层，位于所述绝缘层上；

硅化物层，位于所述多晶硅层上；

覆盖层，位于所述硅化物层上，并覆盖所述半导体衬底。

可选地，所述熔丝连接元件中的多晶硅层为N型掺杂、P型掺杂或者N型掺杂和P型掺杂形成的PN结。

可选地，所述熔丝结构还进一步包括接触孔，所述接触孔呈矩形，位于所述第一端部和所述第二端部区域中。

可选地，所述第二端部的所述锥形结构的边缘与所述熔丝连接元件的边缘形成135°的钝角。

可选地，所述第二端部的宽度和所述熔丝连接元件的宽度的比为11.5。

本发明还提供了一种电子装置，包括上述的电可编程熔丝结构。

本发明为了解决现有技术的熔丝结构中存在迁移效应和熔丝熔化的问题，对所述熔丝结构做了进一步的改进，降低阴极区域的面积，同时提高阳极区域的面积，以增加阳极区域中接触孔的数目，提高编程电流，并且通过迁移和熔断结合的方法，避免了现有技术中温度过高造成熔丝结构熔化的问题，提高了熔丝结构熔断的可靠性。

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-1b为现有技术中所述电可编程熔丝结构的俯视图和局部剖视图；

图2为现有技术所述电可编程熔丝结构中熔丝连接元件熔化的SEM图；

图3a-3b为本发明实施例中所述电可编程熔丝结构的俯视图和局部剖视图；

图4为本发明实施例中所述电可编程熔丝结构熔断时电流流向示意图；

图5为本发明实施例中所述电可编程熔丝结构的SEM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。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。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。

实施例1

目前所述半导体器件中常用熔丝结构如图1a-1b所示，其中所述熔丝结构包括第一端部10和第二端部11，以及连接所述第一端部10和所述第二端部11的熔丝连接元件12，其中所述第一端部10和第二端部11在编程过程中分别作为阴极和阳极，在所述阴极和阳极上施加电压，以实现所述熔丝结构的编程。

其中图1b为所述熔丝连接元件12的剖视图，其中所述熔丝连接元件12包括绝缘层101，以及位于所述绝缘层101上方的多晶硅103、自对准硅化物(silicide)104以及覆盖层102，在编程过程中，所述自对准硅化物104和多晶硅103中的掺杂离子会沿着电子流的方向移动，在先进技术中，所述多晶硅103中的硅原子由于电迁移效应也会随着电子流移动，在熔丝连接元件区域形成空隙(void)，其中，所述空隙会阻止所述自对准硅化物和掺杂离子从阳极到阴极的进一步迁移，编程后在熔丝连接元件中形成了自对准硅化物或者掺质离子的残留，降低了编程后熔丝结构的电阻和熔断的可靠性。

进一步，在更为先进的技术中，熔丝连接元件12的宽度更小，在较高的温度下在硅化物迁移耗尽之前所述熔丝连接元件发生熔化，如图2所示，其中箭头所指区域即为发生熔化的区域，由于所述多晶硅103发生熔化，降低了编程后熔丝结构的电阻和熔断的可靠性。

本发明为了解决上述问题，提供了一种新的熔丝结构，其中所述熔丝结构包括：

熔丝连接元件22；

第一端部21和第二端部20，分别与所述熔丝连接元件22的两端相连接；

其中，所述第一端部21呈矩形，且边长小的一端与所述熔丝连接元件22相连；所述第二端部20与所述熔丝连接元件22连接的部位呈锥形结构。

下面结合附图3a-3b对所述熔丝结构做进一步的说明。

如图3a所示，所述电可编程熔丝结构包括第一端部21和第二端部20，并通过所述熔丝连接元件22连接；其中所述第一端部21和第二端部20中具有多个接触孔23，所述接触孔23用于与所述第一端部21和第二端部20底部的器件电连接。

可选地，其中所述第一端部21为阴极，所述第二端部20为阳极。

其中，所述第一端部21为矩形，并且边长小的一端与所述熔丝连接元件22相连接，其中所述第一端部21的尺寸远小于目前熔丝结构中的第一端部的尺寸，其中所述第一端部21的宽度为L2，所述熔丝连接元件22的宽度为L1，在所述结构中降低所述L2/L1的比值，以降低在所述第一端部21和所述熔丝连接元件22连接区域聚集的电流，减小所述电熔丝结构在该区域的耗尽，因为该区域的迁移导致编程时间更长，同时引起熔丝连接元件22区域不完全的迁移。

可选地，所述第二端部的宽度和所述熔丝连接元件的宽度的比为11.5。

所述第二端部20与所述熔丝连接元件22连接部位呈锥形结构，而远离熔丝连接元件22的一端为矩形，为了方便理解可以将所述第二端部20看成是一个矩形加上一个锥形组合而形成的图形，其中所述锥形的一段与所述熔丝连接元件22相连接。

进一步，在所述第二端部20与所述熔丝连接元件22相连接的区域中，所述第二端部边缘与所述熔丝连接元件22的边缘形成135°的钝角，如图3a中所示。通过所述设置所述第二端部20(阳极)区域产生的电流均匀的聚集在所述熔丝连接元件区域，降低了电流拥挤(currentcrowding)，从而使所述熔丝连接元件区域的温度降低，较低的温度可以避免熔丝连接元件22区域中多晶硅层严重的熔化，或者还可以延迟所述熔丝连接元件区域中形成较大的空隙，从而使所述多晶硅层中的掺杂离子或者硅化物能够更好的迁移。

可选地，所述熔丝连接元件22相对于现有技术中的熔丝元件，其尺寸更小，更细。

其中所述接触孔23规则排列形成接触孔阵列，如图3a所示，在所述第一端部21中形成有两行矩形接触孔，每行四个，形成4×2的接触孔阵列，在所述第二端部20形成有两列矩形接触孔，每列四个，形成2×4的接触孔阵列，所述第二端部20设置为锥形加方形的结构还可使所述第二端部区域中包含更多的接触孔，以便于提供更多的编程电流，使所述熔丝连接元件22熔断，而不会熔化。

进一步，为了支持较大的编程电流，其中所述接触孔23选用矩形形状，以提高熔丝编程的可靠性。

图3b为本发明所述电可编程熔丝连接元件22的截面图，所述熔丝连接元件22包括：绝缘层201，位于半导体衬底上；多晶硅层203，位于所述绝缘层201上；硅化物层204，位于所述多晶硅层203上；覆盖层202，位于所述硅化物层上。

具体地，如图3b所示，位于底层的为半导体衬底(所述图中并未标示出)，所述半导体衬底可以为硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。

其中，所述绝缘层201可以为氧化物绝缘层，所述氧化物绝缘层可以为浅沟槽隔离氧化物，所述浅沟槽隔离氧化物的形成可以选用本领域常用方法，所以在此不再做详细说明。

位于该绝缘层201上方多晶硅层203可以为P型掺杂或N型掺杂，例如利用硼或砷的掺杂剂注入晶体硅中，并不局限于该实施例。

可选地，所述多晶硅层203还可以为部分P型掺杂，部分N型掺杂，以在所述熔丝连接元件区域形成PN结(二极管)，例如可以在晶体硅的一侧注入硼，在另一侧注入砷，还可以选用其他方式。

所述PN结(二极管)可以在编程中传导较大的电流，但同时会抑制多晶硅层中硅原子和掺杂离子沿电流方向迁移，在读取操作中，所述二极管反向偏置，呈现高电阻。所述硅化物层204可以选用自对准硅化物，例如硅化钴层。

所述熔丝连接元件22还包括覆盖层202，其中所述覆盖层202选用正硅酸乙酯TEOS。

可选地，在本发明中所述熔丝连接元件22中多晶硅层的侧壁基本上被填充的介质所包围，所述填充介质选用基本上不在所述多晶硅层上施加额外应力的材料，可以选用氮化物，例如氮化硅等。

在未编程状态下，所述熔丝连接的电阻由绝缘层、多晶硅层以及上面的硅化物层各自的电阻并联而成，在编程过程中所述电流如图4所示，电流集中在靠近阳极区域的硅化物204的边缘(如圆圈部分)，该区域为缺陷区域，具有较高的温度，使熔丝连接元件22的断开，如图5中箭头所指区域，从图中可以看出所述熔丝结构熔断性能良好，而且不会发生多晶硅层的熔化。

本发明为了解决现有技术的熔丝结构中存在迁移效应和熔丝熔化的问题，对所述熔丝结构做了进一步的改进，降低阴极区域的面积，同时提高阳极区域的面积，以增加阳极区域中接触孔的数目，提高编程电流，并且通过迁移和熔断结合的方法，避免了现有技术中温度过高造成熔丝结构熔化的问题，提高了熔丝结构熔断的可靠性。

实施例2

本发明还提供了一种电子装置，包括实施例1所述的电编程熔丝结构。本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括所述半导体器件的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的半导体器件，因而具有更好的性能。

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 (10)

1.一种电可编程熔丝结构，包括：

熔丝连接元件；

第一端部和第二端部，分别与所述熔丝连接元件的两端相连接；

其中，所述第一端部呈矩形，且边长小的一端与所述熔丝连接元件相连；所述第二端部与所述熔丝连接元件相连接的区域呈锥形结构。

2.根据权利要求1所述的电可编程熔丝结构，其特征在于，所述第一端部为阴极，所述第二端部为阳极。

3.根据权利要求1所述的电可编程熔丝结构，其特征在于，所述第二端部与所述熔丝连接元件相连的一端呈锥形结构，另一端呈方形结构。

4.根据权利要求3所述的电可编程熔丝结构，其特征在于，所述第一端部的宽度小于所述第二端部中所述方形结构的宽度。

5.根据权利要求1所述的电可编程熔丝结构，其特征在于，所述熔丝连接元件包括：

绝缘层，位于半导体衬底上；

多晶硅层，位于所述绝缘层上；

硅化物层，位于所述多晶硅层上；

覆盖层，位于所述硅化物层上，并覆盖所述半导体衬底。

6.根据权利要求1或5所述的电可编程熔丝结构，其特征在于，所述熔丝连接元件中的多晶硅层为N型掺杂、P型掺杂或者N型掺杂和P型掺杂形成的PN结。

7.根据权利要求1所述的电可编程熔丝结构，其特征在于，所述熔丝结构还进一步包括接触孔，所述接触孔呈矩形，位于所述第一端部和所述第二端部区域中。

8.根据权利要求1所述的电可编程熔丝结构，其特征在于，所述第二端部的所述锥形结构的边缘与所述熔丝连接元件的边缘形成135°的钝角。

9.根据权利要求1所述的电可编程熔丝结构，其特征在于，所述第二端部的宽度和所述熔丝连接元件的宽度的比为11.5。

10.一种电子装置，包括权利要求1至9之一所述的电可编程熔丝结构。