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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von elektronischen Sicherungen im Metallisierungssystem des Halbleiterbauelements, um bauteilinterne Programmierressourcen in komplexen integrierten Schaltungen vorzusehen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In modernen integrierten Schaltungen wird eine sehr große Anzahl einzelner Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren in Form von CMOS-, NMOS-, PMOS-Elementen, als Widerstände, Kondensatoren und dergleichen auf einer einzelnen Chipfläche vorgesehen. Typischerweise werden die Strukturgrößen dieser Schaltungselemente mit der Einführung jeder neuen Schaltungsgeneration verringert, so dass aktuell integrierte Schaltungen mit hohem Leistungsvermögen im Hinblick auf Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme verfügbar sind. Eine Verringerung der Größe der Transistoren ist wichtiger Aspekt beim stetigen Verbessern des Leistungsverhaltens komplexer integrierter Schaltungen, etwa von CPU's. Die Verringerung der Größe der Transistoren ist üblicherweise mit der Zunahme der Schaltgeschwindigkeit verknüpft, wodurch das Signalverarbeitungsverhalten verbessert wird. Zusätzlich zu der großen Anzahl an Transistoren ist eine Vielzahl passiver Schaltungselemente, etwa Kondensatoren, Widerstände und dergleichen in einer integrierten Schaltung vorzusehen, die für eine Vielzahl an Zwecken verwendet werden.
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Auf Grund der geringeren Abmessungen der Schaltungselemente wird nicht nur das Leistungsverhalten der einzelnen Transistorelemente verbessert, sondern auch ihre Packungsdichte wächst an, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, immer mehr Funktionen in eine vorgegebene Chipfläche zu integrieren. Aus diesem Grunde wurden sehr komplexe Schaltungen entwickelt, die unterschiedliche Schaltungsarten, etwa Analogschaltungen, Digitalschaltungen, und dergleichen aufweisen können, wodurch vollständige Systeme auf einem einzelnen Chip (SoC) bereitgestellt werden.
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In modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen nunmehr ungefähr 50 nm und weniger erreicht, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, diverse Funktionsschaltungsbereiche in eine gegebene Chipfläche zu integrieren, wobei jedoch die diversen Schaltungsbereiche ein deutlich unterschiedliches Leistungsverhalten besitzen können, beispielsweise im Hinblick auf die Lebensdauer, die Zuverlässigkeit und der gleichen. Beispielsweise hängt die Arbeitsgeschwindigkeit eines digitalen Schaltungsbereichs, etwa eines CPU-Kerns und dergleichen, von dem Aufbau der einzelnen Transistoren ab, und hängt auch von den Eigenschaften des Metallisierungssystems ab, das eine Vielzahl gestapelter Metallisierungsschichten aufweisen kann, um damit der erforderlichen komplexen Schaltungsstruktur Rechnung zu tragen. Daher sind sehr komplexe Fertigungstechniken erforderlich, um die minimalen kritischen Strukturgrößen der geschwindigkeitskritischen Schaltungskomponenten bereitzustellen. Beispielsweise werden aufwendige Digitalschaltungen auf der Grundlage von Feldeffekttransistoren hgergestellt, die Schaltungskomponenten repräsentieren, in denen die Leitfähigkeit eines Kanalgebiets auf der Grundlage einer Gateelektrode gesteuert ist, die von dem Kanalgebiet durch eine dünne dielektrische Materialschicht getrennt ist. Das Leistungsvermögen der einzelnen Feldeffekttransistoren ist u. a. durch die Fähigkeit des Transistors bestimmt, von einem hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand mit hoher Geschwindigkeit umzuschalten, wobei auch ein ausreichend hoher Strom im niederohmigen Zustand geführt werden muss. Dieser Durchlassstrom ist u. a. durch die Länge des leitenden Kanals bestimmt, der sich in dem Kanalgebiet beim Anlegen einer geeigneten Steuerspannung an die Gateelektrode aufbaut. Aus diesem Grunde und im Hinblick auf eine Erhöhung der gesamten Packungsdichte in komplexen Halbeiterbauelementen wird die Kanallänge und damit die Länge der Gateelektrode ständig verringert, was wiederum eine geeignete Anpassung der kapazitiven Kopplung der Gateelektrode an das Kanalgebiet erforderlich macht. Folglich muss die Dicke des Gatedielektrikumsmaterials ebenfalls verringert werden, um die Steuerbarkeit des leitenden Kanals auf einem gewünschten hohen Niveau zu halten. Die Verringerung der Dicke des Gatedielektrikums ist jedoch mit einer exponentiellen Zunahme der Leckströme verknüpft, die direkt durch das dünne Dielektrikumsmaterial tunneln, wodurch zu einer höheren Leistungsaufnahme und somit Abwärme beigetragen wird, was zu anspruchsvollen Bedingungen während des Betriebs des Halbleiterbauelements führt. Ferner können Ladungsträger in das Gatedielektrikumsmaterial eingeprägt werden und diese können ebenfalls zu einer ausgeprägten Degradation der Transistoreigenschaften führen, etwa einer Erhöhung der Schwellwertspannung der Transistoren, wodurch ebenfalls zu einer Variabilität der Transistoreigenschaften über die Lebensdauer des Produkts hinweg beigetragen wird. Folglich sind die Zuverlässigkeit und das Leistungsverhalten gewisser komplexer Schaltungsbereiche durch Materialeigenschaften und Prozesstechniken zur Herstellung höchst komplexer Schaltungselemente bestimmt, während andere Schaltungsbereiche weniger kritische Bauelemente enthalten, die somit ein anderes Verhalten über die Lebensdauer hinweg im Vergleich zu kritischen Schaltungsbereichen besitzen. Daher kann die Kombination diverser Schaltungsbereiche in einem einzelnen Halbleiterbauelement zu einem deutlich unterschiedlichen Verhalten im Hinblick auf Leistungsverhalten und Zuverlässigkeit führen, wobei auch die Schwankungen des gesamten Fertigungsablaufes zu einer weiteren Diskrepanz zwischen den diversen Schaltungsbereichen beitragen können. Aus diesen Gründen werden in komplexen integrierten Schaltungen häufig zusätzliche Mechanismen eingerichtet, um es der Schaltung zu ermöglichen, sich im Hinblick auf das Leistungsverhalten gewisser Schaltungsbereiche anzupassen, um damit dem Leistungsverhalten anderer Schaltungsbereiche zu genügen, beispielsweise nach der Beendigung des Fertigungsprozesses und/oder während der Nutzung des Halbleiterbauelements, wenn beispielsweise gewisse kritische Schaltungsbereiche nicht mehr den entsprechenden Leistungskriterien genügen, wodurch eine Anpassung gewisser Schaltungsbereiche erforderlich ist, etwa das Neueinstellen einer internen Versorgungsspannung, das Neueinstellen der Gesamtschaltungsgeschwindigkeit und dergleichen.
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Aus diesem Grunde werden sogenannte elektronische Sicherungen oder E-Sicherungen in den Halbleiterbauelementen vorgesehen, die elektronische Schalter repräsentieren, die einmal aktiviert werden, um damit eine gewünschte Schaltungsanpassung zu ermöglichen. Daher können die elektronischen Sicherungen so betrachtet werden, als dass sie einen hochohmigen Zustand besitzen, der typischerweise einen „programmierten” Zustand beschreibt, und dass diese auch einen niederohmigen Zustand besitzen, der im Allgemeinen einem nicht-programmierten Zustand der elektronischen Sicherung darstellt. Da diese elektronischen Sicherungen einen wesentlichen Einfluss auf das Gesamtverhalten der gesamten integrierten Schaltung ausüben, ist eine zuverlässige Erkennung des nicht-programmierten und des programmierten Zustands zu gewährleisten. Da typischerweise diese elektronischen Sicherungen lediglich einmal der Lebensdauer des betrachteten Halbleiterbauelements aktiviert werden, muss eine entsprechende Programmieraktivität sicherstellen, dass ein gewünschter programmierter Zustand der elektronischen Sicherung zuverlässig erzeugt wird, um damit gut definierte Bedingungen für die weitere Betriebslebensdauer des Bauelements zu schaffen. Mit der zunehmenden Verringerung kritischer Abmessungen von Bauelementen in komplexen Halbleiterbauelementen erfordert jedoch die Zuverlässigkeit für das Programmieren entsprechender elektronischer Sicherungen knapp bemessene Prozessgrenzen für die jeweiligen Spannungen und Ströme, die zum Programmieren der elektronischen Sicherungen verwendet werden, was ggf. nicht mit den gesamten Spezifikationen des Halbleiterbauelements verträglich ist oder zumindest einen wesentlichen Einfluss auf die Flexibilität beim Betreiben des Bauelements ausübt.
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In konventionellen Strategien werden die Sicherungen auf der Grundlage eines Halbleitermaterials, etwa Polysilizium und dergleichen, hergestellt, wie es typischerweise auch für die Herstellung von Leitungen in der Bauteilebene des Halbleiterbauelements verwendet wird, beispielsweise für Gateelektrodenstrukturen von Feldeffekttransistoren, wobei der an sich negative Effekt der Elektromigration in Verbindung mit einer Ladungsträgerverarmung in dem Halbleitermaterial vorteilhaft ausgenutzt wird, um damit eine signifikante Degradation der elektronischen Sicherung hervorzurufen, indem ein Strom zum Programmieren der Sicherung in einem hochohmigen Zustand angewendet wird. Es ist gut bekannt, dass die Elektromigration ein Phänomen ist, in welchem eine hohe Stromdichte in Leitungen, die mit Gleichspannung betrieben werden, zu einer „Diffusion” von Metallatomen führt, die durch den Impulsübertrag des sehr dichten Elektronenstromes hervorgerufen wird. In Polysiliziumleitungen wird typischerweise ein Metallsilizidmaterial so vorgesehen, dass die Leitfähigkeit des halbleiterbasierten Materials erhöht wird und eine ausgeprägte Elektromigrationswirkung somit beabsichtigt in dem Metallsilizidmaterial hervorgerufen, wodurch zunehmend eine Metallverarmung an der Kathode auftritt, während eine Materialansammlung in Richtung der Anode beobachtet wird. Des weiteren kann die Elektromigrationswirkung erhöht werden kann, indem lokal höhere Temperaturen erzeugt werden, was bewerkstelligt werden, indem lokal ein gewünschter hoher Widerstand für einen gegebenen Gesamtstrom bereitgestellt wird, der durch die elektronische Sicherung getrieben wird. Daher werden geeignete laterale Abmessungen für die Sicherungskörper, d. h. die Bereiche der elektronischen Sicherungen, in denen eine Elektromigrationswirkung und somit eine Leitungsdegradation in Gang zu setzen ist, für eine gegebene Materialzusammensetzung und Dicke der elektronischen Sicherungen vorgesehen, wobei dies gemäß der gesamten Prozessstrategie zur Herstellung der komplexen Gateelektrodenstrukturen der Feldeffekttransistoren erfolgt. Beispielsweise wird die Querschnittsfläche der Sicherungskörper reduziert, indem eine minimale Breite der Sicherungskörper eingestellt wird, während gleichzeitig die Länge der Sicherungskörper vergrößert wird, wodurch sich die gesamte Elektromigrationswirkung erhöht.
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Auf Grund der zunehmenden Gesamtkomplexität von Halbleiterbauelementen muss jedoch auch eine größere Anzahl an elektronischen Sicherungen vorgesehen werden, das jedoch zu einem ausgeprägten Verlust an wertvoller Chipfläche in der Bauteilebene der Halbleiterbauelement führt. Ferner wurden in der jüngeren Vergangenheit sehr komplexe Gateelektrodenstrukturen in sehr komplexen Halbleiterbauelementen eingerichtet, um das Transistorverhalten zu verbessern, wobei die konventionellen Gatematerialien, etwa Siliziumdioxid als Gatedielektrikum und Polysilizium in Verbindung mit einem Metallsilizid als ein Elektrodenmaterial durch ein dielektrisches Material mit großem ε in Verbindung mit einem Elektrodenmetall, etwa Aluminium, und dergleichen ersetzt werden. Folglich werden die Materialien mit höherer Leitfähigkeit auch in den Sicherungskörpern eingebaut, sofern nicht zusätzliche Maßnahmen mit großem Aufwand getroffen werden, um das konventionelle Polysilizium/Metallsilizidmaterialsystem für die elektronischen Sicherungen lokal zu bewahren. Daher haben der Einbau gut leitender Metalle, etwa Aluminium, und dergleichen, in der Bauteilebene und die Forderung für eine Vergrößerung der Gesamtpackungsdichte in Halbleiterbauelementen in jüngerer Vergangenheit zu einem Konzept geführt, in welchem elektrisch programmierbare Sicherungen auf der Grundlage von Metallen vorgesehen werden, wodurch ebenfalls die Möglichkeit geschaffen wird, „dreidimensionale” Sicherungen einzurichten, die somit in dem Metallisierungssystem des Halbleiterbauelements vorgesehen sind.
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In komplexen Halbleiterbauelementen werden typischerweise Metallisierungssysteme, d. h. eine Vielzahl gestapelter Metallisierungsebenen vorgesehen, in denen Metallleitungen die elektrische Verbindung innerhalb einer Ebene schaffen, und sogenannte Kontaktdurchführungen, d. h. „vertikale” Verbindungsstrukturen, die Verbindung zwischen den Ebenen bilden, wodurch das komplexe Verbindungsnetzwerk geschaffen wird, um damit die einzelnen Schaltungselemente, die in der Bauteilebene vorgesehen sind, gemäß den erforderlichen Schaltungsaufbau elektrisch miteinander zu verbinden. Die Metallleitungen und Kontaktdurchführungen enthalten typischerweise ein gut leitendes Metall, etwa Kupfer, da eine geringere Elektromigrationswirkung zeigt, und insgesamt eine höhere Leitfähigkeit besitzt im Vergleich zu Aluminium. Auf Grund der Eigenschaften des Kupfers, effizient in einer Vielzahl an gut etablierten dielektrischen Materialien zu diffundieren, etwa in Siliziumdioxid und siliziumdioxid basierten dielektrischen Materialien mit kleinem ε, die typischerweise in Verbindung mit Kupfermaterial eingesetzt werden, um die Signalausbreitungsverzögerung, die durch die parasitäre Kapazität im Metallisierungssystem hervorgerufen wird, zu verringern, wird ein leitendes Barrierenmaterial, etwa Tantal, Tantalnitrid, und dergleichen, in den Metallleitungen und Kontaktdurchführungen vorgesehen.
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Da di Zuverlässigkeit und die Lebensdauer komplexer Halbleiterbauelemente wesentlich durch die Haltbarkeit des Metallisierungssystems bestimmt sind, werden große Anstrengungen unternommen, um Leitungsdegradationsmechanismen in Metallisierungssystemen zu untersuchen, die durch Elektromigration hervorgerufen sind, da eine komplexe Wechselwirkung zwischen dielektrischen Materialien, dem leitenden Kupfermaterial und der Geometrie der leitenden Teile berücksichtigt werden muss, um quantitativ das Gesamtverhalten und die Degradation von Metallstrukturelementen über die Lebensdauer hinweg abzuschätzen. Andererseits kann jegliche Technologiekenntnis über die Elektromigrationsmechanismen in kupferbasierten Metallisierungssystemen vorteilhaft ausgenutzt werden, um geeignete elektronische Sicherungen zu gestalten, in denen die Elektromigrationswirkung ausgenutzt wird, um eine permanente Leitungsdegradation zu schaffen, die somit zuverlässig einen programmierten Zustand der elektronischen Sicherung anzeigt.
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Mit Bezug zu den 1a und 1b wird nunmehr eine Metallsicherung, die in einem Metallisierungssystem hergestellt ist, detaillierter beschrieben, um einige der Nachteile aufzuzeigen, die mit konventionellen Metallsicherungen verknüpft sind.
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1a zeigt schematisch eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements 100 mit einem Metallisierungssystem 150, das auf der Grundlage von Kupfermaterial in Verbindung mit komplexen dielektrischen Materialien, etwa dielektrische Materialien mit kleinem ε und dergleichen, aufgebaut ist. Das Metallisierungssystem 150 umfasst typischerweise mehrere gestapelte Metallisierungsschichten, wobei der Einfachheit halber eine erste Metallisierungsschicht 110 schematisch so dargestellt ist, dass diese eine erste und eine zweite Metallleitung 111, 112 aufweist. Die Metallleitungen 111 und 112 sind typischerweise in einem dielektrischen Material eingebettet, das in 1a nicht gezeigt ist und das mit Bezug zu 1b näher beschrieben wird. Ferner ist eine zweite Metallisierungsschicht 120 vorgesehen, die eine elektronische Sicherung 120 aufweist, die durch eine Metallleitung 121 in Verbindung mit mehreren Kontaktdurchführungen 133 und 134a, 134b gebildet ist, die die Metallleitung 131 mit entsprechend der Metallleitungen 112, 111 verbinden. In dem in 1a gezeigten Beispiel ist die elektronische Sicherung 130 so gestaltet, dass diese auf der Grundlage eines Gleichstrompulses betrieben wird, in welchem ein Elektronenstrom in der Metallleitung 112 durch die Kontaktdurchführung 133 in die Metallleitung 131 und weiter in die Kontaktdurchführungen 134a, 134b und schließlich in der Metallleitung 111 hervorgerufen wird. Gemäß diesem Aufbau ist die elektronische Sicherung 130 so gestaltet, dass beim Erzeugen einer geeigneten Stromdichte in der elektronischen Sicherung 130 eine Leitungsdegradation in einem gut definierten Teil der elektronischen Sicherung 130 auftritt, der in dem gezeigten Beispiel durch die Kontaktdurchführung 133 und einen Teil der Metallleitung 131 dargestellt ist, der zwischen der Kontaktdurchführung 133 und der Kontaktdurchführung 134a ausgebildet ist und eine Länge besitzt, die durch 130l bezeichnet ist. In ähnlicher Weise ist eine Breite 130w der Metallleitung 131 entsprechend den Entwurfsregeln für die Metallisierungsschicht 120 gewählt, d. h. typischerweise wird die Breite 130w so gewählt, dass diese der minimalen kritischen Abmessung in der Metallisierungsebene 120 entspricht, um damit eine reduzierte Querschnittsfläche in der Metallleitung 131 zu schaffen, so dass das Erzeugen von Wärme in der Metallleitung 131 und somit auch das Verstärken der Elektromigration in der elektronischen Sicherung 120 intensiviert wird. In ähnlicher Weise ist die Länge 130l geeignet so im Hinblick auf die Breite 130w und eine Dicke der Metallleitung 131 angepasst, dass die gewünschten elektronischen Eigenschaften für die elektronische Sicherung 120 erreicht werden.
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1b zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 100. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement 100 ein Substrat 101, das als ein beliebiges geeignetes Trägermaterial und ein geeignetes Halbleitermaterial zu verstehen ist, in und über welchem Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen, vorgesehen sind, die der Einfachheit halber in den 1a und 1b nicht gezeigt sind. Es sollte beachtet werden, dass entsprechende Schaltungselemente auch komplexe Transistoren enthalten, etwa Feldeffekttransistoren mit einer Gatelänge von 50 nm und weniger in komplexen Bauelementen. Ferner können entsprechende Schaltungselemente auch eine Schaltung für die elektronische Sicherung 130 aufweisen, um damit einen gewünschten Stromfluss darin beim Programmieren der Sicherung 130 zu erzeugen und auch um den Status der elektronischen Sicherung 130 zu bestimmen. Beispielsweise werden entsprechende Transistoren zum Zuführen des Programmierstromes mit einer geeigneten Transistorbreite vorgesehen, um damit in zuverlässiger Weise den Strom ein- und auszuschalten, der zum Programmieren der elektronischen Sicherung 130 erforderlich ist, so dass die Transistorgröße an die elektronischen Eigenschaften der Sicherung 130 anzupassen ist. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement 100 eine geeignete Kontaktstruktur (nicht gezeigt) derart, dass eine Schnittstelle zwischen den halbleiterbasierten Schaltungselementen und dem Metallisierungssystem 150 geschaffen wird. Die Metallisierungsschicht 110 umfasst ein geeignetes dielektrisches Material 115, das zumindest teilweise in Form eines dielektrischen Materials mit kleinem ε vorgesehen ist, wobei dies vom elektronischen Verhalten abhängt, das in der Metallisierungsschicht 110 erforderlich ist. Wie gezeigt, sind die Metallleitungen 111, 112 in dem dielektrischen Material 115 eingebettet und weisen typischerweise ein leitendes Füll- oder Kernmetall 112a in Form von Kupfer und ein leitendes Barrierenmaterial oder Materialsystem 112b, etwa Tantalnitrid, Tantal und dergleichen auf. Ferner ist ein Ätzstoppmaterial oder ein dielektrisches Barrierenmaterial 116, beispielsweise in Form von Siliziumnitrid, stickstoffangereichertem Siliziumkarbid und dergleichen auf dem dielektrischen Material 115 und auf den Metallleitungen 111 und 112 ausgebildet.
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In ähnlicher Weise umfasst die Metallisierungsschicht 120 ein dielektrisches Material 125, etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε und dergleichen, in welchem die elektronische Sicherung 130, d. h. die Metallleitung 131 und die Kontaktdurchführungen 133, 134a, 134b eingebettet sind. Auch in diesem Falle wird ein gut leitendes Kupferkernmetall 131a in Verbindung mit einem geeigneten Barrierenmaterial 131b vorgesehen. Des weiteren ist eine dielektrische Ätzstoppmaterial- oder Deckschicht 126, die grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die Schicht 116 besitzen kann, auf dem dielektrischen Material 125 und der Metallleitung 131 ausgebildet.
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Das in den 1a und 1b gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozessstrategien hergestellt werden. Nach der Ausbildung von jeglichen halbleiterbasierten Schaltungselementen in und über dem Substrat 101 wird eine Kontaktstruktur vorgesehen, etwa auf der Grundlage gut etablierter Fertigungsstrategien. Daraufhin wird das Metallisierungssystem 150 hergestellt, beispielsweise durch Abscheiden des dielektrischen Materials 115 für die Metallisierungsschicht 110 auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Abscheidetechnik. Es sollte beachtet werden, dass eine oder mehrere Metallisierungsschichten unter der Metallisierungsschicht 110 ausgebildet sein können, wenn dies als geeignet erachtet wird. Daraufhin wird das dielektrische Material 115 so strukturiert, dass geeignete Gräben für die Metallleitungen 111, 112 erzeugt werden, die nachfolgend mit dem Barrierenmaterial 112b und dem Kupfermaterial 112a aufgefüllt werden. Nach dem Entfernen von jeglichem überschüssigen Material wird die Ätzstoppschicht 116 auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik aufgebracht, wobei bei Bedarf ein leitendes Deckmaterial (nicht gezeigt) auf dem Kupfermaterial 112a hergestellt werden kann. In ähnlicher Weise wird die Metallisierungsschicht 120 hergestellt, indem das dielektrische Material 125 abgeschieden und dieses so strukturiert wird, dass Öffnungen für die Kontaktdurchführungen 133, 134a, 134b und ein Graben für die Metallleitung 131a geschaffen werden. Es sollte beachtet werden, dass gleichzeitig Öffnungen für andere Metallleitungen und Kontaktdurchführungen in der Metallisierungsschicht 120 erzeugt werden, was bewerkstelligt werden kann auf der Grundlage gegebener Entwurfsregeln, die die minimale Linienbreite und die minimalen Abstände festlegen, die zuverlässig in der Metallisierungsschicht 120 für gegebene prozessabhängige Schwankungen hergestellt werden können. Wie zuvor erläutert ist, muss die Geometrie der elektronischen Sicherung 130 im Hinblick auf das Erreichen der gewünschten Leitungsdegradation in der elektronischen Sicherung 120 den vorgegebenen Regeln für die Metallisierungsschicht 120 angepasst werden. D. h., eine Dicke 130t und die Breite 130w (siehe 1a) sind im Wesentlichen durch die gesamten Entwurfsregeln festgelegt, da beispielsweise die Breite 130w nicht unterhalb der minimalen kritischen Strukturgröße in der Metallisierungsschicht 120 verwendet werden kann, ohne dass nicht ausgeprägte Ungleichmäßigkeiten eingeführt wurden. Folglich muss die Länge 130l (siehe 1a) geeignet ausgewählt werden, typischerweise als Kompromiss zwischen Platzbedarf und akzeptabler Gesamtleitfähigkeit der Sicherung 130, um damit die erforderlichen elektronischen Eigenschaften zu erhalten. D. h., das Auswählen einer größeren Länge führt generell zu einem höheren Widerstand der elektronischen Sicherung 130, was andererseits mehr Platz in dem Metallisierungssystem 150 beansprucht. Andererseits erfordert eine geringere Länge deutlich höhere Programmierstrompulse, die wiederum entsprechend dimensionierte Transistoren in der Bauteilebene des Bauelements 100 erfordern, was ebenfalls zu einer größeren lateralen Größe des Halbleiterbauelements 100 beiträgt. Typischerweise erfordern elektronische Sicherungen, die in dem Metallisierungssystem 150 ausgebildet sind, dennoch einen Programmierstrom mit einer Größe, die bis zu drei mal und mehr höher ist im Vergleich zu konventionellen halbleiterbasierten elektronischen Sicherungen, die in der Bauteilebene vorgesehen sind, wie dies zuvor erläutert ist.
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Beim Beitreiben des Bauelements 100 wird ein Stromfluss in einem Stromflusspfad erzeugt, wenn die elektronische Sicherung 130 programmiert wird, wobei ein Teil des Stromflusspfades durch die Metallleitung 112, die Kontaktdurchführung 133, die Metallleitung 131, die Kontaktdurchführungen 134a, 134b und die Metallleitung 111 repräsentiert ist. Wie angegeben, ist der Elektronenstrom von der Metallleitung 112 zu der Metallleitung 111 über die elektronische Sicherung 130 gerichtet. Wie zuvor angegeben ist, ist die Elektromigration ein sehr komplexer dynamischer Prozess, in welchem der Impulsaustausch zwischen Ladungsträgern, d. h. Elektronen, und den Metallatomen, d. h. den Kupferatomen, zu einer kollektiven Wanderung der Metallatome geführt, wenn eine ausreichend hohe Stromdichte erreicht wird. Da allgemein geringere Querschnittsflächen in den Metallleitungen komplexer Metallisierungssysteme vorgesehen sind und auf Grund der Tatsache, dass im Prinzip die Metallleitungen in einem dielektrischen Material eingeschlossen sind, das eine effiziente Wärmeübertragung in den umgebenden Chipbereich ermöglicht, können extrem hohe Stromdichten von ungefähr 106 Ampere/m2 erreicht werden, woraus sich ausgeprägte Elektromigrationseffekte ergeben. Sofern die Metallisierungsstruktur eines Halbleiterbauelements nicht so gestaltet und hergestellt ist, dass derartige hohe Stromdichten zuverlässig in einem Metallgebiet des Halbleiterbauelements vermieden werden können, tritt somit Elektromigration während des Betriebs des Bauelements 100 auf. Es werden daher große Anstrengungen unternommen, um in geeigneter Weise die Elektromigrationswirkung in Metallisierungssystemen abzuschätzen und damit die Lebensdauer des Metallisierungssystems zu bewerten, da die Herstellung von im Wesentlichen „unsterblichen” Metallisierungsstrukturen ansonsten deutlich größere Gesamtabmessungen erfordern würde, was nicht mit den ökonomischen Rahmenbedingungen im Hinblick auf die Herstellung komplexer Halbleiterbauelemente verträglich ist. Andererseits wird in der elektronischen Sicherung 130 die Elektromigrationswirkung absichtlich hervorgerufen, um damit einen hochohmigen Zustand als den programmierten Status der elektronischen Sicherung 130 zu schaffen. Dadurch werden die Kontaktdurchführungen 133 und die Metallleitung 131 mit einem Aufbau so vorgesehen, dass absichtlich ein deutlicher Schaden und somit eine Leitungsdegradation beim Erzeugen eines Stromflusses in der elektronischen Sicherung 130 hervorgerufen werden. Somit tritt die Elektromigration in der Kontaktdurchführung 133 und in der Metallleitung 131 so auf, dass zunehmend Metall entlang der Stromflussrichtung transportiert wird, wodurch das Material in der Metallleitung in Richtung zur Anode der elektronischen Sicherung 130 verdichtet wird, d. h. in Richtung der Kontaktdurchführungen 134a, 134b. Andererseits tritt eine Materialverarmung in der Kontaktdurchführung 133 und in der Metallleitung 131 in einem Bereich in der Nähe der Kontaktdurchführung 133 auf. Es sollte beachtet werden, dass ausgeprägte Elektromigrationseffekte in der Metallleitung 112 vermieden werden, indem geeignete Querschnittsabmessungen ausgewählt werden und somit eine geringere Stromdichte geschaffen wird, wobei zusätzlich das Barrierenmaterial 121b an der Unterseite der Kontaktdurchführung 133 ebenfalls eine Kupferdiffusion von der Metallleitung 112 in die Kontaktdurchführung 133 unterdrückt. In ähnlicher Weise kann eine ausgeprägte Elektromigration in den Kontaktdurchführungen 124a, 124b auf Grund der insgesamt größeren Querschnittfläche vermieden werden. Folglich führen die Materialansammlung in Richtung der Kontaktdurchführung 134a, 134b und die Materialverarmung in der Nähe der Kontaktdurchführung 133 zu einer ausgeprägten Modifizierung des Leitfähigkeitszustands der elektronischen Sicherung 130, was durch geeignete periphere Schaltungen erkannt werden kann.
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Wie zuvor angegeben ist, sind trotz einer effizienten Elektromigrationswirkung dennoch deutlich höhere Ströme zum zuverlässigen Programmieren der Metallsicherung 130 erforderlich. Auf Grund der insgesamt größeren Leitfähigkeit der metallbasierten Sicherungen im Vergleich zu halbleiterbasierten Sicherungen ist auch die Erzeugung von Wärme, die ebenfalls die gesamte Elektromigrationswirkung beim Programmieren der Sicherung 130 erhöht, verringert, wodurch ebenfalls zu einem insgesamt größeren Gesamtstrom beim „Schmelzen” der elektronischen Sicherung 130 beigetragen wird. Schließlich kann die gewünschte Elektromigration und somit die Materialwanderung entlang der Metallleitung 131 in Richtung der Kontaktdurchführungen 134a, 134b zu einem Kupferaustritt führen, d. h. das Kupfer tritt aus der Metallleitung 131 aus und trifft in das umgebende dielektrische Material 125 ein, was wenig wünschenswert ist insbesondere wenn komplexe dielektrische Materialien mit kleinem ε verwendet sind, da dann eine ausgeprägte Kupferdiffusion in dem Material 125 in einer höchst unvorhersagbaren Weise auftreten kann. Um einen nichtvorhersagbaren Kupferaustritt in das dielektrische Material 125 zu unterdrücken, werden häufig zusätzliche „Austrittsleitungen oder Extrusionsleitungen” vorgesehen, d. h. Metallleitungen benachbart zu der Metallleitung 131, wodurch der Kupferaustritt auf einen speziellen Bereich innerhalb des dielektrischen Materials 125 „beschränkt” wird. In diesem Falle werden jedoch die thermischen Bedingungen durch die Anwesenheit zusätzlicher Extrusionsleitungen deutlich beeinflusst, da diese Metallleitungen als effiziente Wärmesenken dienen, um Abwärme abzuführen, die in der elektronischen Sicherung 130 erzeugt wurde, wodurch noch höhere Stromwerte beim zuverlässigen Programmieren der elektronischen Sicherung 130 erforderlich sind.
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Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente mit Metallsicherungen, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Allgemein stellt die vorliegende Erfindung elektronische Metallsicherungen in einem Halbleiterbauelement bereit, wobei die Programmiereffizienz verbessert wird, während insgesamt ein kompakter Gesamtaufbau erreicht wird. Dazu wird die elektronische Metallsicherung auf der Grundlage eines Aufbaus vorgesehen, in welchem thermische Bedingungen während des Programmierens der Sicherung erreicht werden, wodurch die Elektromigrationswirkung für einen vorgegebenen Strom erhöht wird, so dass das Anwenden geringerer Programmierströme möglich ist, was wiederum zu einer geringeren Größe entsprechender Transistorelemente in der Bauteilebene des Halbleiterbauelements führt. Dazu wird die Metallleitung der elektronischen Sicherung in einer kompakten zweidimensionalen Konfiguration bereitgestellt, wobei ein zentraler Leitungsbereich lateral zumindest in einigen lateralen Richtungen durch andere Leitungsbereiche „eingeschlossen” ist, was zu einer erhöhten Wärme der Mitte der elektronischen Sicherung führt. Beispielsweise wird in einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen eine spiralartige zweidimensionale Konfiguration vorgesehen, die für bessere thermische Bedingungen sorgt. Folglich kann für im Wesentlichen die gleiche Leitungslänge wie in konventionellen Metallsicherungen ein geringerer Programmierstrom ausreichend sein, so dass in zuverlässiger Weise die Elektromigration in der elektronischen Sicherung in Gang gesetzt wird. Der kompakte zweidimensionale Aufbau mit einem lateralen „Einschluss” eines zentralen Leitungsbereichs sorgt ebenfalls für bessere Bedingungen im Hinblick auf den Metallaustritt aus der Metallleitung, da periphere Leitungsbereiche der Metallsicherungen als effiziente „Extrusionsleitungen” dienen, wodurch eine nicht-vorhersagbare Kupferwanderung in das umgebende dielektrische Material vermeidbar ist.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst ein Metallisierungssystem mit einer ersten Metallisierungsschicht und einer zweiten Metallisierungsschicht, die über der ersten Metallisierungsschicht ausgebildet ist. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner eine erste Metallleitung, die in der ersten Metallisierungsschicht gebildet ist, und eine zweite nicht geradlinige Metallleitung, die in der zweiten Metallisierungsschicht gebildet ist. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner eine Kathodenkontaktdurchführung, die in der zweiten Metallisierungsschicht ausgebildet ist und die zweite Metallleitung mit der ersten Metallleitung verbindet, wobei die Kathodenkontaktdurchführung so angeordnet ist, dass diese lateral von der zweiten Metallleitung entlang zweier orthogonaler lateraler Richtungen im Wesentlichen um den gleichen Betrag lateral versetzt ist. Die Kathodenkontaktdurchführung und die zweite Metallleitung bilden einen Sicherungskörper einer elektronischen Sicherung.
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Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst ein Metallisierungssystem und eine in dem Metallisierungssystem ausgebildete elektronische Sicherung. Die elektronische Sicherung weist einen Sicherungskörper auf, der wiederum eine zusammenhängende nicht geradlinige Metallleitung mit einem zentralen Leitungsbereich aufweist, der lateral zwischen mehreren peripheren Leitungsbereichen der zusammenhängenden nicht geradlinigen Metallleitung angeordnet ist.
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Ein noch weiteres anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst eine spiralartige Metallleitung, die in einer Metallisierungsschicht eines Metallisierungssystems ausgebildet ist. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner eine Kontaktdurchführung, die in der Metallisierungsschicht ausgebildet ist und einen zentralen Leitungsbereich der spiralartigen Metallleitung mit einem Metallgebiet verbindet, das in einer tieferliegenden Metallisierungsschicht des Metallisierungssystems ausgebildet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus den folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a und 1b schematisch eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements zeigen, das eine elektronische Sicherung aufweist, die in Metallisierungssystem auf der Grundlage eines konventionellen Konzepts hergestellt ist;
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2a schematisch eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements zeigt, das eine elektronische Sicherung in dem Metallisierungssystem umfasst, wobei eine bessere zweidimensionale Konfiguration auf der Grundlage einer nicht-geradlinigen Metallleitung der elektronischen Sicherung für bessere thermische Bedingungen gemäß anschaulicher Ausführungsformen sorgt; und
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2b und 2c schematisch Querschnittsansichten einer Metallsicherung der 2a gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigen.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt allgemein Halbleiterbauelemente mit metallbasierten elektronischen Sicherungen bereit, in denen eine bessere Zuverlässigkeit beim Erzeugen eines programmierten Zustands und beim Bewahren des Zustands mit einem hohen Grad an Erkennbarkeit über die Lebensdauer des Halbleiterbauelements hinweg erreicht wird. Dazu wird die Elektromigrationswirkung in dem Sicherungskörper erhöht, indem bessere thermische Bedingungen geschaffen werden. Zu diesem Zweck wird eine zweidimensionale Anordnung der elektronischen Sicherung, d. h. einer Metallleitung davon, so vorgesehen, dass eine höhere Temperatur zumindest in einigen Leitungsbereichen der Metallleitung bei einer vorgegebene Gesamtkonfiguration der Metallleitung entsprechend den Entwurfserfordernissen einer entsprechenden Metallisierungsschicht hervorgerufen wird. Dazu wird ein Leitungsbereich lateral zwischen zwei oder mehr anderen Leitungsbereichen angeordnet, wodurch eine kontinuierliche bzw. zusammenhängende nicht geradlinige Metallleitung der elektronischen Sicherung so geschaffen wird, dass eine höhere Temperatur in einem zentralen Bereich der nicht-geradlinigen Metallleitung und in dem entsprechenden dielektrischen Material hervorgerufen wird, was somit eine gewünschte Metalldegradation innerhalb der elektronischen Sicherung verbessert. Beispielsweise wird eine spiralartige Konfiguration so vorgesehen, dass ein zentraler Bereich eine höhere Temperatur auf Grund einer effizienten Wärmeerzeugung jeglicher peripherer Leitungsbereiche erfährt. Die peripheren Leitungsbereiche repräsentieren auch effiziente Barrieren für das Abgrenzen eines entsprechenden Volumens innerhalb des dielektrischen Materials der betrachteten Metallisierungsschicht, so dass eine nicht-kontrollierte Metallextrusion oder Metallaustritt unterdrückt wird, wie er typischerweise in konventionellen Gestaltungsformen auftritt, wobei erfindungsgemäß keine zusätzlichen Extrusionsleitungen erforderlich sind. In diesem Falle wird ein Teil der zusammenhängenden nicht-geradlinigen Metallleitung der elektronischen Sicherung selbst als eine Extrusionsleitung wirksam, während gleichzeitig dieser Bereich auch als der Sicherungskörper der elektronischen Sicherung dient. Der zentrale Leitungsbereich der nicht-geradlinigen Metallleitung kann effizient mit einer Stromversorgungsleitung mit einer benachbarten Metallisierungsschicht gekoppelt werden, die unter oder über der betrachteten Metallisierungsschicht angeordnet ist, wobei die entsprechende Kontaktdurchführung ebenfalls eine Zone erhöhter Metallwanderung darstellt, wodurch ein hoher Grad an Kompatibilität zu konventionellen „dreidimensionalen” elektronischen Sicherungen erreicht wird, die Kontaktdurchführungen und Metallleitungen enthalten. Auf Grund der zweidimensionalen nicht-geradlinigen Konfiguration wird ferner ein sehr kompakter Aufbau zumindest in einer lateralen Abmessung erreicht, wobei die Gesamtlänge der nicht-geradlinigen Metallleitung vergleichbar ist oder kleiner ist im Vergleich zu konventionellen Gestaltungsformen, während gleichzeitig der Programmierstrom verringert ist.
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Die verbesserte zweidimensionale Gestalt, etwa die spiralartige Konfiguration, kann mit anderen zusätzlichen elektromigrationshervorrufenden Mechanismen kombiniert werden, etwa das Vorsehen spezieller Grenzflächen, die als wesentliche Diffusionspfade für die strominduzierte Metallwanderung erkannt werden, und dergleichen, wodurch die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit der elektronischen Sicherung weiter gesteigert wird, während gleichzeitig die erforderlichen Programmierströme verringert werden können.
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Mit Bezug zu den 2a bis 2c werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a und 1b verwiesen wird.
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2a zeigt schematisch eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements 200, das ein Metallisierungssystem 250 aufweist, das wiederum mehrere gestapelte Metallisierungsschichten enthält, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben ist. Der Einfachheit halber sind zwei benachbarte Metallisierungsschichten 210 und 220 schematisch in 2a dargestellt, wobei zu beachten ist, dass die Schichten 210, 220 beliebige benachbarte Metallisierungsschichten an einer vertikalen Position innerhalb des Metallisierungssystems 250 darstellen. Beispielsweise ist die Schicht 210 die aller erste Metallisierungsschicht, während in anderen Fällen eine oder mehrere Metallisierungsschichten unter der Metallisierungsschicht 210 vorgesehen sind. Wie gezeigt, umfasst die Metallisierungsschicht 210 mehrere Metallstrukturelemente, wie dies zum Verbinden von Halbleiterelementen und dergleichen erforderlich ist, wobei der Einfachheit halber derartige Metallstrukturelemente in 2a nicht gezeigt sind. Des weiteren enthält die Metallisierungsschicht 210 eine erste Metallleitung 212 und eine zweite Metallleitung 211, die als Versorgungsleitungen dienen, um einen Stromfluss für eine elektronische Sicherung 230 zu erzeugen, die in der Metallisierungsschicht 220 gebildet ist. In der in 2a gezeigten Konfiguration ist die Metallisierungsschicht 210 „unter” der Metallisierungsschicht 220 angeordnet, während in anderen Fällen die Metallisierungsschicht 210 über der Metallisierungsschicht 220 vorgesehen ist, wobei dies von den gesamten Prozess- und Bauteilerfordernissen abhängt. Die Metallleitungen 211, 212 besitzen eine beliebige geometrische Struktur, so dass im Wesentlichen ausgeprägte Elektromigratinswirkungen vermieden werden und so dass die Stromtreiberfähigkeit bereitgestellt wird, um einen geeigneten Programmierstrom zu der Sicherung 230 während eines Programmiervorganges zuzuführen.
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Die Metallsicherung 230 ist in der Metallisierungsschicht 220 vorgesehen, die auch andere Metallstrukturelemente aufweist, wie sie zum Verbinden von Schaltungselementen des Halbleiterbauelements 200 erforderlich sind. Der Einfachheit halber sind derartige Metallstrukturelemente in 2a nicht gezeigt. Die elektronische Sicherung 230 besitzt eine geeignete zweidimensionale Struktur im Hinblick auf eine Metallleitung 231, so dass eine bessere Elektromigrationswirkung bei einer vorgegebenen Länge der Metallleitung 231 im Vergleich zu einer im Wesentlichen linearen Konfiguration erreicht wird, wie sie beispielsweise zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben ist. Dazu besitzt die zusammenhängende nicht-geraldlinige Metallleitung 231 eine geeignete geometrische Gestalt derart, dass ein zentraler Leitungsbereich 231c thermisch effizient mit zumindest zwei oder mehr anderen Leitungsbereichen gekoppelt ist, so dass eine höhere Temperatur an und in der Nähe des zentralen Leitungsbereichs 233 erreicht wird. In der gezeigten Ausführungsform ist der zentrale Leitungsbereich 233 parallel zwischen mindestens zwei weiteren Leitungsbereichen 231e und 231e angeordnet, die, wenn sie zum Führen eines ausreichend hohen Stromes betrieben werden, entsprechend Wärme erzeugen, die somit auch effizient in Richtung des zentralen Leitungsbereichs 233 geführt wird, wodurch die lokale Temperatur an und in der Nähe des Leitungsbereichs 233 erhöht wird. Weitere Leitungsbereiche, etwa Leitungsbereiche 231d, 231f sorgen ebenfalls für einen effizienten thermischen „Einschluss” des zentralen Leitungsbereichs 233, der somit einen „heißen Punkt” der elektronischen Sicherung 230 repräsentiert. In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfasst die zusammenhängende Metallleitung 231 mehrere geradlinige Leitungsbereiche, etwa die Bereiche 231c, 231d, 231e, 231f, 231g und 231h, wobei zumindest einige davon auf der Grundlage von kritischen Abmessungen hergestellt sind, die der Metallisierungsschicht 220 entsprechen. D. h., zumindest einige dieser Leitungsbereiche sind, und in einer anschaulichen Ausführungsform ist jeder der mehreren Leitungsbereiche, mit Ausnahme des Leitungsbereichs 231h, ein Sicherungskörper der elektronischen Sicherung 230 und besitzt eine Breite 230w, die einer minimalen Breite entspricht, die mit den Entwurfsregeln der Metallisierungsschicht 220 verträglich ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der Raumbereich zwischen gewissen Bereichen der nicht-geradlinigen Metallleitung 231 ebenfalls als minimaler kritischer Abstand gewählt, beispielsweise wie dies durch 230s angegeben, wodurch eine effiziente thermische Kopplung des zentralen Leitungsbereichs 231c an andere Leitungsbereiche, etwa periphere Leitungsbereiche 231e, 231f, 231g, geschaffen wird. Folglich ist in der in 2a gezeigten Ausführungsform der zentrale Leitungsbereich 231c lateral zwischen den Leitungsbereichen 231e und 231g angeordnet, die im Wesentlichen den gleichen Abstand 230s von dem Bereich 231c besitzen, wobei dies so zu verstehen ist, dass der gleiche Abstand vorgesehen ist mit Ausnahme von entsprechend prozessabhängigen Schwankungen. In ähnlicher Weise ist der Leitungsbereichs 231f mittels des Abstands 230s so getrennt, dass in diesem Falle die spiralartige Konfiguration auf der Grundlage linearer Leitungsbereiche mit kritischen Leitungsbreiten und Abständen erreicht wird, wie dies durch 230w und 230s angegeben ist. Ferner ist der zentrale Leitungsbereich 231c mit der darunter liegenden Metallisierungsschicht 210 über eine Kontaktdurchführung 233 verbunden, die eine „Kathodenkontaktdurchführung” repräsentiert, da die Elektronenfliessrichtung von der Metallleitung 212 in die Metallleitung 231 und durch Kontaktdurchführungen 234a, 234b in die Metallleitung 211 gerichtet ist. Folglich repräsentieren in diesem Stromflusspfad die Kontaktdurchführung 233, der zentrale Bereich 231c und die Leitungsbereiche 231d, 231e, 21f, 231g den eigentlichen Sicherungskörper, in welchem eine ausgeprägte Kupferwanderung hervorgerufen wird, während der Leitungsbereich 231h in Verbindung mit den Kontaktdurchführungen 234a, 234b eine geeignete Gestalt besitzt, um damit eine ausgeprägte Elektromigration darin zu vermeiden. Die Abmessungen des Leitungsbereichs 231h sind ebenfalls so gewählt, dass diese als ein Verspannungspuffergebiet dienen können, das somit eine ausgeprägte Menge der kompressiven Verspannung aufnimmt, die typischerweise in dem verbleibenden Leitungsbereich 231 erzeugt wird, wenn zunehmend eine Metallwanderung von dem zentralen Bereich 230 in Richtung des Leitungsbereichs 231h hervorgerufen wird. D. h., wie zuvor erläutert ist, beim Hervorrufen einer durch Strom und Wärme hervorgerufenen Diffusion an Metallatomen innerhalb der Metallleitung 231 trifft eine Materialverarmung beginnend von der Kontaktdurchführung 233 und dem zentralen Leitungsbereich 231c auf, die zunehmend zu einer Materialverdichtung führt, beispielsweise durch „Auffüllen” von Korngrenzen, wodurch größere Metallkornbereiche erzeugt werden, was wiederum zu einer ausgeprägten kompressiven Verspannung führt, die somit effizient in die Leitungsbereiche 231h übertragen werden, wodurch bessere Elektromigrationsbedingungen geschaffen werden, da eine geringere kompressive Verspannung eine weitere Metalldiffusion in der Leitung 231 unterstützt.
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Es sollte beachtet werden, dass allgemein eine andere „spiralartige” Konfiguration angewendet werden kann, indem beispielsweise andere Winkel gewählt werden, um die Leitungsbereiche 231c, ..., 231h miteinander zu verbinden, anstelle der ungefähr 90 Grad Winkel, wenn dies im Hinblick auf ein Hervorrufen eines höheren Grades an Stromeinschnürung innerhalb der einzelnen Übergangsbereiche zwischen den geradlinigen Leitungsbereichen der Metallleitung 231 als geeignet erachtet wird. Es sollte beachtet werden, dass abhängig von den Lithographie- und Strukturierungsmöglichkeiten der entsprechenden Prozesstechnologie auch gewisse Abweichungen erzeugt werden können beim tatsächlichen Implementieren der spiralartigen Gestalt der elektronischen Sicherung 230. Beispielsweise können Ecken zwischen den linearen Leitungsbereichen der zusammenhängenden Metallleitung 231 zu einem gewissen Grade verrundet sein, wenn 90 Grad-Winkel für das Verbinden zweier benachbarter nicht-kolinearer Leitungsbereiche verwendet werden, wie dies in 2a gezeigt ist. In diesem Falle können andere Winkel zum Verbinden nicht-kolinearer Leitungsbereiche angewendet werden, was zu einem gewissen Grad an geringerem Einschluss zu Gunsten etwas weniger kritischer Strukturierungsbedingungen führen kann. In diesem Falle wird ein „polygonale” Konfiguration zu einem gewissen Grade erreicht, anstatt dass eine im Wesentlichen „quadratische” Spirale erhalten wird, wie dies in 2a gezeigt ist.
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2b zeigt schematisch eine Querschnittsansicht gemäß der Schnittlinie IIb in 2a. Wie gezeigt, umfasst das Halbleiterbauelement 200 ein Substrat 201, das ein beliebiges geeignetes Material oder Materialschichten aufweist, um Schaltungselemente, etwa Transistoren, Widerstände und dergleichen in Verbindung mit einer Kontaktstruktur herzustellen, die in geeigneter Weise die Schaltungselemente mit dem Metallisierungssystem 250 verbindet, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbeleiterbauelement 100 erläutert ist. Wie gezeigt, umfasst die Metallisierungsschicht 210 ein dielektrisches Material 215e, in welchem die Metallleitung 211 eingebettet ist, woran sich eine dielektrische Deckschicht oder Ätzstoppschicht 216 anschließt. Im Hinblick auf Eigenschaften dieser Komponenten gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert sind, wenn auf die Komponenten 115, 111 und 116 verwiesen ist. In ähnlicher Weise umfasst die Metallisierungsschicht 220 ein dielektrisches Material 225, in welchem die elektronische Sicherung 230 eingebettet ist, wobei der zentrale Leitungsbereich 231c in Kombination mit den „peripheren” Leitungsbereichen 231e und 231g in dem Schnitt aus 2b gezeigt ist. Ferner verbindet die Kontaktdurchführung 233 die Metallleitung 211 mit dem zentralen Leitungsbereich 231c. Wie gezeigt sind die Leitungsbereiche 231c, 231e, 231g mit kritischen Abmessungen im Hinblick auf die Linienbreite und die Abstände vorgesehen, wodurch ein sehr kompakter Gesamtaufbau geschaffen wird, wobei auch für eine bessere thermische Kopplung der Leitungsbereiche 231g, 231e und den zentralen Bereichs 231c gesorgt wird. Folglich sind die Kontaktdurchführung 233 in Verbindung mit dem zentralen Leitungsbereich 233c als ein heißer Punkt der elektronischen Sicherung 230 zu betrachten, wodurch eine höhere Elektromigration zumindest in der Kontaktdurchführung 233 und dem zentralen Bereich 231c erreicht wird. Ferner kann die Metallisierungsschicht 220 eine Ätzstoppschicht oder eine dielektrische Deckschicht 226 aufweisen, wobei auch im Hinblick auf Materialeigenschaften und Aufbau jeglicher Metallgebiete die gleichen Kriterien gelten, wie sie zuvor auch mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert sind.
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2c zeigt schematisch eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie IIc aus 2a, wobei der Leitungsabschnitt 231a in der Metallisierungsschicht 220 mit der Metallleitung 212 in der Metallisierungsschicht 210 mittels der Kontaktdurchführungen 234a, 234b verbunden ist.
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Das in den 2a bis 2c gezeigte Halbleiterbauelement kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozessstrategien hergestellt werden, beispielsweise auf der Grundlage ähnlicher Techniken, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert sind. Es sollte jedoch beachtet werden, das eine geeignete Lithographiemaske so vorgesehen wird, dass die gewünschte verbesserte zweidimensionale Konfiguration der zusammenhängenden nicht geradlinigen Metallleitung 231 (siehe 2a) in Verbindung mit einem geeigneten Strukturierungsschema erhalten wird.
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Beim Betreiben des Halbleiterbauelements 200 und beim Initiieren einer Programmieraktivität für die elektronische Sicherung wird ein Stromfluss auf der Grundlage des Betreibens geeigneter Transistorelemente in dem Bauelement 200 erzeugt, so dass schließlich ein Strom hervorgerufen wird, wobei die Kontaktdurchführung 233 (siehe 2b) als eine Kathode der elektronischen Sicherung 230 dient, die einen geeigneten Elektronenstrom aus der Metallleitung 211 aufnimmt. Andererseits dient der Leitungsbereich 231b in Verbindung mit den Kontaktdurchführungen 234a, 234b (siehe 2c) als eine Anode, wobei eine ausgeprägte Elektromigration in der Anode der elektronischen Sicherung 230 auf Grund geeignet ausgewählter Gesamtabmessungen reduziert wird, was zu einer nicht-kritischen Stromdichte darin führt.
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Wenn folglich der Elektronenstrom aus der Kontaktdurchführung 233 (siehe 2a) erzeugt wird, wird zunehmend Wärme innerhalb der Metallleitung 231 hervorgerufen und es wird eine durch Wärme und Storm hervorgerufene Metalldiffusion innerhalb der Kontaktdurchführung 233 und entlang der Leitungsbereiche 231c, 231d, 231e, 231f, 231g hervorgerufen. Wie zuvor erläutert ist, wird durch die besseren thermischen Bedingungen in dem zentralen Bereich der elektronischen Sicherung 230, d. h. um den zentralen Leitungsbereich 231c und um durch die Kontaktdurchführung 233 herum, eine bessere Metalldiffusion bei einem vorgegebenen Programmierstrom erreicht, wobei zusätzlich die Leitungsbereiche 231e, 231f, 231g als effiziente „Extrusionsleitungen” dienen, die effizient einen Kupferaustritt in das dielektrische Material der Schicht 220 außerhalb der Spirale der elektronischen Sicherung 230 unterdrücken oder vermeiden. Im Falle eines Kupferaustritts ist ferner eine entsprechende Materialwanderung im Wesentlichen auf das Innere der Spirale der Sicherung 230 beschränkt. Folglich kann eine zuverlässige Degradation der Metallleitung 231 mit einem geringeren Strom im vergleich zu konventionellen Strategien erreicht werden, selbst wenn die Gesamtlänge 231 der Länge 130l der Sicherung 130 entspricht, wie sie in 1a gezeigt ist. Daher können Transistoren mit geringerer Breite für die elektronische Sicherung 230 vorgesehen werden, was zu einer erhöhten Packungsdichte führt, wobei auch zusätzliche Extrusionsleitungen weggelassen werden können.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente bereit, in denen Metallsicherungen mit besserer Programmiereffizienz in dem Metallisierungssystem bereitgestellt werden, indem eine im Wesentlichen spiralartige Konfiguration der Metallleitung der elektronischen Sicherung verwendet wird. Folglich können bessere Temperaturbedingungen im Zentrum der Spirale beim Programmieren der elektronischen Sicherung erreicht werden, was wiederum zu geringeren Programmierströmen bei einer vorgegebenen Gesamtlänge der Metallleitung führt. Auf Grund des lateralen Einschlusses des zentralen Leitungsbereichs kann ein nicht kontrollierter Kupferaustritt in das dielektrische Material der Metallisierungsschicht verringert werden. Folglich werden elektronische Sicherungen in Verbindung mit gewünschten komplexen Schaltungselementen, etwa komplexen Metallgateelektrodenstrukturen mit kleinem ε bereitgestellt, die auf der Grundlage eines Austauschgateverfahrens hergestellt werden können, d. h. auf der Grundlage einer Strategie, in der Polysiliziummaterial von Elektrodenstrukturen in der Bauteilebene in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase entfernt wird.
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Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher dient diese Beschreibung lediglich anschaulichen Zwecken und soll dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten Ausführungsformen vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
