CN105762137B - 熔丝结构以及其监控方式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种熔丝结构以及其监控方式。该熔丝结构包括一基底、一熔丝主体以及一辅助元件。熔丝主体设置于基底上。辅助元件包括一源极区以及一漏极区分别设置于熔丝主体的两相对侧，辅助元件用以监控并诊断熔丝主体。熔丝主体与源极区以及漏极区电性分离。一种熔丝结构的监控方式包括施加一漏极电压信号至辅助元件的漏极区、施加一栅极电压信号至熔丝主体以及分析由源极区所获得的一信号以诊断熔丝主体的状况。

Description

熔丝结构以及其监控方式
技术领域
本发明涉及一种熔丝结构及其监控方式，尤其是涉及一种具有辅助元件对熔丝主体进行电性测量的熔丝结构及其监控方式。
背景技术
在半导体制作工艺中，随着微小化与复杂度的提高，半导体元件变得更容易受到各式缺陷或杂质的影响，而单一金属连线、二极管或晶体管等的失效状况往往即会导致整个芯片的缺陷。为了解决此问题，现行技术便会在集成电路中形成一些可熔断的连接线(fusible links)，也就是熔丝(fuse)，用以确保集成电路的可利用性。
一般而言，熔丝与集成电路中的冗余电路(redundancy circuit)电连接，若是检测发现部分电路具有缺陷时，这些连接线就可用于修复(repairing)或取代这些有缺陷的电路。另外，目前的熔丝设计还可以提供编程(programming elements)的功能，用以使各种客户可依不同的功能设计来编程电路。
从操作方式来说，熔丝大致上可分为通过激光切割(Laser zip)提供断路条件(open circuit condition)的热熔丝(thermal fuse)，以及根据电致迁移(electro-migration，EM)效应通过合适的电流提供断路条件的电熔丝(efuse)。此外，半导体元件中的电熔丝可为例如多晶硅电熔丝(poly efuse)、MOS电容反熔丝(MOS capacitor anti-fuse)、扩散电熔丝(diffusion fuse)、接触插塞电熔丝(contact efuse)、接触插塞反熔丝(contact anti-fuse)等等。
一般来说，针对熔丝的状况会以测量其电阻值来进行监控。然而，由于熔丝在断开状况上的差异并无法单独由其电阻值来进行判断，因此若将电阻值标准定得过高，则会导致将可正常运作的熔丝判断为异常的状况而造成良率上的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种熔丝结构及其监控方式，利用辅助元件对熔丝主体进行电性测量，用以监控并诊断熔丝主体的状况。
为达上述目的，根据本发明的一实施例，本发明提供了一种熔丝结构包括一基底、一熔丝主体以及一辅助元件。熔丝主体设置于基底上。辅助元件包括一源极区以及一漏极区分别设置于熔丝主体的两相对侧，辅助元件用以监控并诊断熔丝主体，且熔丝主体与源极区以及漏极区电性分离。
根据本发明的另一实施例，本发明还提供了一种熔丝结构的监控方式。首先，提供一熔丝结构，包括一基底、一熔丝主体以及一辅助元件。熔丝主体设置于基底上。辅助元件包括一源极区以及一漏极区分别设置于熔丝主体的两相对侧，辅助元件用以监控并诊断熔丝主体，且熔丝主体与源极区以及漏极区电性分离。然后，施加一漏极电压信号至辅助元件的漏极区，施加一栅极电压信号至熔丝主体以及分析由源极区所获得的一信号以诊断熔丝主体的状况。
本发明所提供的熔丝结构以及其监控方法，能通过辅助元件对熔丝主体进行电性测量，由此监控并诊断熔丝主体的状况，故可用以在熔丝主体的电阻值之外提供另一诊断熔丝主体状况的方式。
附图说明
图1为本发明的一优选实施例的熔丝结构的俯视示意图；
图2为沿图1中A-A’剖线所绘示的剖视图；
图3为沿图1中B-B’剖线所绘示的剖视图；
图4为本发明的第一优选实施例的熔丝结构监控方式的电路示意图；
图5为本发明的熔丝结构于进行烧断前以第一优选实施例的监控方式所获得的栅极电压与漏极电流的关系图；
图6为本发明的熔丝结构于进行烧断后以第一优选实施例的监控方式所获得的栅极电压与漏极电流的关系图；
图7为本发明的第二优选实施例的熔丝结构监控方式的电路示意图；
图8为本发明的熔丝结构于进行烧断前以第二优选实施例的监控方式所获得的栅极电压脉冲信号与反应电压脉冲信号的对应状况比较图；
图9为本发明的熔丝结构于进行烧断后以第二优选实施例的监控方式所获得的栅极电压脉冲信号与反应电压脉冲信号的对应状况比较图。
主要元件符号说明
10 基底
11 浅沟绝缘区
12 主动区
13 氧化物层
20 熔丝主体
21 硅层
22 硅化物层
23 阳极
24 阴极
30 辅助元件
31 源极区
32 漏极区
33 栅极
41 第一导电插塞
42 第二导电插塞
100 熔丝结构
D1 第一方向
D2 第二方向
L1 第一线段
L2 第二线段
L3 第三线段
L4 第四线段
S1 漏极电压信号
S2 栅极电压信号
S3 信号
具体实施方式
请参阅图1至图3。图1所绘示为本发明的一实施例的熔丝结构的俯视示意图。图2为沿图1中A-A’剖线所绘示的剖视图。图3为沿图1中B-B’剖线所绘示的剖视图。如图1至图3所示，本实施例提供一熔丝结构100，包括一基底10、一熔丝主体20以及一辅助元件30。本实施例的基底10可包括硅基底(silicon substrate)、外延硅基底(epitaxial siliconsubstrate)、硅锗半导体基底(silicon germanium substrate)、碳化硅基底(siliconcarbide substrate)或硅覆绝缘(silicon-on-insulator,SOI)基底等，但并不以此为限。熔丝主体20设置于基底10上。辅助元件30包括一源极区31以及一漏极区32分别设置于熔丝主体20的两相对侧，辅助元件30用以监控并诊断熔丝主体20的状况。熔丝主体20与源极区31以及漏极区32电性分离。
更进一步说明，熔丝主体20可为一条状熔丝沿一第一方向D1延伸，而源极区31以及漏极区32分别设置于熔丝主体20于一第二方向D2上的两相对侧，第二方向D2与第一方向D1正交。此外，本实施例的辅助元件30的源极区31以及漏极区32设置于基底10中，而源极区31与漏极区32可为基底10中的掺杂区，但并不以此为限。熔丝主体20可包括一硅层21以及一硅化物层22设置于硅层21之上，但并不以此为限。硅层21可包括多晶硅层，而硅化物层22可包括硅化金属层，但并不以此为限。
此外，熔丝结构100还包括一阳极23以及一阴极24分别设置于熔丝主体20于第一方向D1上的两端并与熔丝主体20电连接。阳极23与阴极24于第二方向D2上的宽度大于熔丝主体20于第二方向D2上的宽度。阴极24可与一熔断装置(blowing device，未图示)，例如一晶体管的漏极电连接，但并不以此为限。通过于阳极23上施加一电压并控制晶体管，可使电流由阳极23经过熔丝主体20流向阴极24，电子流(e-)则由阴极24流向阳极23，当电流密度增加而导致电致迁移状况太过剧烈时则可于熔丝主体20中或熔丝主体20与阳极23/阴极24的接面处形成断开。
值得说明的是，本实施例的基底10可包括一浅沟绝缘(shallow trenchisolation，STI)区11以及一主动区12，浅沟绝缘区11则是围绕主动区12。熔丝结构100的阳极23与阴极24设置于浅沟绝缘区11上，熔丝主体20设置于阳极23与阴极24之间，且至少部分设置于主动区12上。辅助元件30的源极区31及漏极区32设置于主动区12中，浅沟绝缘区11围绕辅助元件30的源极区31与漏极区32。源极区31及漏极区32之间部分的熔丝主体20用来当作辅助元件30的一栅极33。换句话说，辅助元件30还包括栅极33，且栅极33包括源极区31与漏极区32之间的部分的熔丝主体20。此外，熔丝结构100可还包括一氧化物层13设置于熔丝主体20与基底10之间，故可通过对熔丝主体20(或可视为对栅极33)以及辅助元件30的源极区31与漏极区32进行电性测量来辅助判断熔丝主体20的状况。
此外，本实施例的熔丝结构100可还包括多个第一导电插塞41以及多个第二导电插塞42。第一导电插塞41设置于源极区31与漏极区32上，而第二导电插塞42设置于阳极23与阴极24上。第一导电插塞41与第二导电插塞42可穿过层间介电层(未图示)，用以分别与源极区31、漏极区32、阳极23以及阴极24接触而形成电连接，且第一导电插塞41与第二导电插塞42的上端可与其他导电层电连接，但并不以此为限。值得说明的是，本实施例的各第二导电插塞42的剖面的形状与面积大小可大体上相同，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，也可视需要使部分的第二导电插塞42具有不同的剖面形状与面积大小，由此控制熔丝主体20的断开位置。
另请注意，本实施例的熔丝结构100以电熔丝的设计进行说明，但本发明并不以此为限。在本发明也可视需要应用于其他类型的熔丝结构，例如通过激光切割提供断路条件的热熔丝。
请参阅图4至图6并请一并参阅图1。图4所绘示为本发明的第一优选实施例的熔丝结构监控方式的电路示意图，图5所绘示为本发明的熔丝结构于进行烧断前以本实施例的监控方式所获得的栅极电压与漏极电流的关系图，而图6所绘示为本发明的熔丝结构于进行烧断后以本实施例的监控方式所获得的栅极电压与漏极电流的关系图。如图1与图4所示，本发明的第一优选实施例提供了一种熔丝结构的监控方式，包括下列步骤。首先，提供如上述实施例所述的熔丝结构100。然后，施加一漏极电压信号S1至辅助元件30的漏极区32，施加一栅极电压信号S2至栅极33(亦即源极区31及漏极区32之间部分的熔丝主体20)以及分析由源极区31所获得的一信号S3以诊断熔丝主体20的状况。
举例来说，当施加于熔丝主体20的栅极电压信号S2由0伏至1.3伏之间进行扫描变化，施加于辅助元件30的漏极区32的漏极电压信号S1为0.1伏或1.3伏时，由源极区31所获得的信号S3可为一漏极电流，并可由此绘示出如图5与图6所示的关系图，其中第一线段L1代表漏极电压信号S1为1.3伏时的信号S3的状况，而第二线段L2代表漏极电压信号S1为0.1伏时的信号S3的状况。如图1、图4以及图5所示，当熔丝结构100于进行烧断前，在特定的栅极电压信号S2下其漏极电流(即信号S3)相对来说非常低，例如当栅极电压信号S2为0.3V时，其漏极电流约为数纳安培(nA)。而相对地，如图1、图4以及图6所示，当熔丝结构100于进行烧断后，在特定的栅极电压信号S2下其漏极电流(即信号S3)相对来说会比较高，例如当栅极电压信号S2为0.3V时，其漏极电流约为数微安培(μA)。而如下列表1所示，即使当熔丝结构100于进行烧断后，熔丝主体20的电阻值上有所差异(例如会大于等于1E+12欧姆或介于数百欧姆至1E+12欧姆之间)，但仍可通过本实施例的监控方式测量其漏极电流，通过此漏极电流的状况来判断此熔丝主体20是否要被烧断以及其是否可正常运作。本实施例的测量方式的原理如同一般熔丝式一次写入唯读存储器(One-Time-Programmable，OTP)的状况，在熔丝经过烧断后会造成电流的增加。
表1
熔丝主体的电阻值 漏极电流
烧断前 500欧姆 数nA
烧断后-1 1E+12欧姆 数μA
烧断后-2 1E+5欧姆 数μA
请参阅图7至图9并请一并参阅图1。图7所绘示为本发明的第二优选实施例的熔丝结构监控方式的电路示意图，图8所绘示为本发明的熔丝结构于进行烧断前以本实施例的监控方式所获得的栅极电压脉冲信号与反应电压脉冲信号的对应状况比较图，而图9所绘示为本发明的熔丝结构于进行烧断后以本实施例的监控方式所获得的栅极电压脉冲信号与反应电压脉冲信号的对应状况比较图。如图1与图7所示，本发明的第二优选实施例所提供的熔丝结构的监控方式与上述第一优选实施例不同的地方在于，本实施例的栅极电压信号S2为一栅极电压脉冲信号，且由源极区31所获得的信号S3为一反应电压脉冲信号。
举例来说，当施加于熔丝主体20的栅极电压信号S2为一500奈秒(ns)的栅极电压脉冲信号时，由源极区31所获得的信号S3可为一反应电压脉冲信号，并可由此绘示出如图8与图9所示的关系图，其中第三线段L3代表栅极电压脉冲信号，而第四线段L4代表反应电压脉冲信号。如图1、图7以及图8所示，当熔丝结构100于进行烧断前，栅极电压脉冲信号与反应电压脉冲信号的时序与波形大体上是相符合的。而相对地，如图1、图7及图9所示，当熔丝结构100于进行烧断后，反应电压脉冲信号需要较长时间才逐渐增加(以图9为例，在栅极电压脉冲信号输入40奈秒后，其对应的反应电压脉冲信号仍未随之增加)，且于栅极电压脉冲信号结束后仍需较长时间才能回复到原先的数值(以图9为例，约需40.5奈秒)。而如下列表2所示，在本实施例的监控方式下，在栅极电压脉冲信号输入后的时间内，在熔丝主体20未进行烧断前的状况下，其漏极电流会较高而为约数微安培(μA)。相对地，在熔丝主体20进行烧断后的状况下，其漏极电流会较低而为约数纳安培(nA)。因此，也可通过此漏极电流的状况来判断此熔丝主体20是否要被烧断以及其是否可正常运作。
表2
熔丝主体的阻值 漏极电流(脉冲信号)
烧断前 500欧姆 数μA
烧断后-1 1E+12欧姆 数nA
烧断后-2 1E+5欧姆 数nA
值得说明的是，本发明并不以上述实施例的熔丝结构的监控方式为限。在其他实施例中也可在本发明的熔丝结构100下使用其他适合测量方式进行监控或分别进行上述第一优选实施例以及第二优选实施例的监控方式后同时分析其测量结果并进行比对来进一步确认熔丝主体20的状况。
综上所述，本发明的熔丝结构以及其监控方法是利用辅助元件对熔丝主体进行电性测量，由此监控并诊断熔丝主体的状况，故可用以在熔丝主体的电阻值之外提供另一诊断熔丝主体状况的方式。因此，本发明的熔丝结构以及其监控方法可用以避免实际上可正常运作的熔丝结构因其电阻值相对较低而被判定为异常，进而避免整体良率受到影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种熔丝结构的监控方式，包括：
提供熔丝结构，该熔丝结构包含：
基底，该基底包括浅沟绝缘区以及主动区；
熔丝主体，至少部分该熔丝主体设置于该主动区上；
阳极以及阴极，分别设置于该熔丝主体的两端，且位于该浅沟绝缘区上；以及
辅助元件，该辅助元件包括源极区以及漏极区，分别设置于该熔丝主体的两相对侧，且位于该主动区上，该辅助元件用以监控并诊断该熔丝主体，且该熔丝主体与该源极区以及该漏极区电性分离；
施加一漏极电压信号至该辅助元件的该漏极区；
施加一栅极电压信号至该熔丝主体；
分析由该源极区所获得的一信号以诊断该熔丝主体的状况，其中该栅极电压信号为一栅极电压脉冲信号，且由该源极区所获得的该信号为一反应电压脉冲信号；以及
比对该栅极电压脉冲信号与该反应电压脉冲信号的时序与波形。
2.如权利要求1所述的熔丝结构的监控方式，其中该辅助元件还包括栅极，且该栅极包括该源极区与该漏极区之间的部分的该熔丝主体。
3.如权利要求1所述的熔丝结构的监控方式，其中该辅助元件的该源极区与该漏极区设置于该基底中。
4.如权利要求1所述的熔丝结构的监控方式，其中该熔丝主体包括硅层以及硅化物层设置该硅层之上。
5.如权利要求1所述的熔丝结构的监控方式，还包括氧化物层，设置于该熔丝主体与该基底之间。
6.如权利要求1所述的熔丝结构的监控方式，其中该浅沟绝缘区围绕该辅助元件的该源极区与该漏极区。
7.如权利要求1所述的熔丝结构的监控方式，其中该源极区与该漏极区是该基底中的掺杂区。
8.如权利要求1所述的熔丝结构的监控方式，其中该基底包括硅基底或硅覆绝缘基底。
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