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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der am 23. November 2010 angemeldeten US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 12/952 317 mit dem Titel „Structure of Metal e-Fuse”, deren Inhalt in vollem Umfang durch Bezugnahme hierin eingeschlossen wird.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Fertigung von Halbleitereinheiten und bezieht sich im Besonderen auf eine Struktur von Metall-E-Sicherungen und ihren Betrieb.
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HINTERGRUND
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Bei integrierten Halbleiterschaltungen ist die einmal programmierbare (one time programmable, OTP) elektronische Sicherung (E-Sicherung, e-fuse) als entscheidende Einheit bekannt, die häufig und gemeinhin dazu verwendet wird, eine Redundanz für verschiedene betriebsnotwendige Komponenten in einem Chip für eine automatische Fehlerbehebung in Situationen aufzubauen, in denen eine entscheidende Einheit ausfällt; um die Gesamtausbeute des integrierten Schaltungs(IC)-Chips zu verbessern, indem der Chip mit einer Funktionalität zur Konfiguration nach der Fertigung ausgestattet wird; und um ein Programmieren bestimmter Sicherheitsmerkmale wie zum Beispiel einer elektronischen Chip-Kennung (electronic chip identification, ECID) zu ermöglichen. Mit zunehmender Verkleinerung in der Technologie komplementärer Metalloxidhalbleiter (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) und der in jüngerer Zeit erfolgten Einführung des High-k-Metall-Gates werden Metall-E-Sicherungen sukzessive dazu verwendet, herkömmliche salicidierte Polysilicium-E-Sicherungen zu ersetzen.
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7(a) und 7(b) sind vereinfachte Veranschaulichungen einer typischen Metall-E-Sicherung nach dem Stand der Technik vor und nach dem Programmieren. Eine Metall-E-Sicherung 700 besteht üblicherweise aus einer Metallverbindung 703 (nach dem Stand der Technik als „M2” bekannt), die an zwei Enden 701 und 702 durch Durchkontaktierungen (nach dem Stand der Technik als „V1” bekannt) und Verdrahtungen (nach dem Stand der Technik als „M1” bekannt) begrenzt wird. Beim Programmieren wird, wie in 7(b) veranschaulicht, ein übermäßiger Elektronenstrom durch die M2-Metallverbindung getrieben, um an Flussdivergenzstellen eine Hohlraumbildung durch Elektromigration hervorzurufen. Eine solche Hohlraumbildung entwickelt sich häufig an der Unterseite einer Abschlussdurchkontaktierung wie zum Beispiel ein Hohlraum 710 an der V1-Durchkontaktierung, wo eine Flussdivergenz üblicherweise auftritt und wo eine Bedeckung der V1-Durchkontaktierung durch eine Auskleidung und Metall möglicherweise während der Fertigung der V1-Durchkontaktierung und der M2-Metallverbindung nicht gut gesteuert werden kann. Dennoch ist auch festgestellt worden, dass eine Hohlraumbildung bisweilen in den M1- oder M2-Verdrahtungen auftreten kann, was die Reproduzierbarkeit des Programmierens von E-Sicherungen beeinträchtigt, die die in 7(a) dargestellte Struktur einsetzen.
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Im Allgemeinen wird bisher vor allem über zwei Typen von Metall-E-Sicherungen berichtet, die beide unter Verwendung von Metallelektromigrations(EM)-Mechanismen unter einem gesteuerten Fluss eines Elektronenstroms programmiert werden. Ein erster Typ von Metall-E-Sicherungen funktioniert durch die Bildung eines Hohlraums in dem Draht wie zum Beispiel einem Kupfer(Cu)-Draht durch die EM im Draht (Drahtbetrieb). Ein zweiter Typ von Metall-E-Sicherungen funktioniert durch die Bildung eines Hohlraums in der Durchkontaktierung durch die EM in der Durchkontaktierung (Durchkontaktierungsbetrieb). Beide Typen von E-Sicherungen oder von E-Sicherungsbetriebsarten bringen gewisse Bedenken und Probleme mit der Zuverlässigkeit mit sich, darunter (1) die Programmierbarkeit (da die Position der Hohlraumbildung unvorhersagbar ist) und (2) die Zuverlässigkeit (die Möglichkeit einer Ausdiffusion von Metall nach dem Programmieren).
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Das Hauptproblem bei der E-Sicherung im Drahtbetrieb besteht darin, dass es grundsätzlich schwierig ist, eine Position einer Hohlraumbildung wie auch eine Hohlraumgröße zu steuern und zu reproduzieren, um eine enge Verteilung des E-Sicherungswiderstands nach dem Programmieren zu erzielen. Bei einer weiten und bisweilen ungesteuerten Verteilung des E-Sicherungswiderstands nach dem Programmieren wird es sehr schwierig, die Zuverlässigkeit einer solchen programmierten E-Sicherung zu bezeichnen, um eine sinnvolle Garantie für ihren sicheren Gebrauch zu geben. Demgegenüber besteht außerdem ein Zuverlässigkeitsproblem bei der E-Sicherung im Durchkontaktierungsbetrieb. Es ist zum Beispiel schwer, eine Ausdiffusion von Metall, üblicherweise Kupfer, einzudämmen, um einen Nebenschaden an angrenzenden Einheiten sowohl während eines Programmierens einer Metall-E-Sicherung wie auch danach zu verhindern. Zu solchen Schäden kann zum Beispiel gehören, dass eine Änderung des Widerstands einer angrenzenden Metallleitung oder Durchkontaktierung, ein Metallkurzschluss oder ein offener Stromkreis sowie ein Anstieg eines ILD-(Inner- oder Zwischendielektrikums-)Verlusts oder ein Ausfall bewirkt wird.
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KURZDARSTELLUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Halbleiterstruktur bereit. Die Halbleiterstruktur beinhaltet eine Durchkontaktierung aus einem ersten leitfähigen Material, die eine Unterseite und Seitenwände aufweist, wobei zumindest ein Abschnitt der Seitenwände durch eine leitfähige Auskleidung bedeckt ist und die Unterseite der Durchkontaktierung auf einer Oberseite einer dielektrischen Schicht ausgebildet ist; und einen ersten und einen zweiten Leitungsweg aus einem zweiten leitfähigen Material, die auf der Oberseite der dielektrischen Schicht ausgebildet sind, wobei der erste und zweite Leitungsweg durch, und nur durch, die Durchkontaktierung an den Seitenwänden leitend verbunden sind.
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Bei einer Ausführungsform ist die Leitfähigkeit zumindest des ersten Leitungswegs größer als die Leitfähigkeit der leitfähigen Auskleidung, die die Durchkontaktierung an dem Abschnitt der Seitenwände bedeckt. Bei einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Abschnitt der Seitenwände um eine Seitenwand zwischen dem ersten Leitungsweg und der Durchkontaktierung.
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Bei einer Ausführungsform ist zumindest ein Hohlraum im Inneren des ersten Leitungswegs an einer Position angrenzend an den Abschnitt der Seitenwände vorhanden, wobei der zumindest eine Hohlraum durch Elektromigration verursacht worden ist und mehr als die Hälfte eines Querschnitts des ersten Leitungswegs einnimmt.
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Bei einer Ausführungsform wird das erste leitfähige Material aus einer Gruppe gewählt, die aus Wolfram (W), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au) und einer Legierung davon besteht, und das zweite leitfähige Material wird aus einer Gruppe gewählt, die aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au) und einer Legierung davon besteht. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die leitfähige Auskleidung aus einem Material hergestellt, das aus einer Gruppe gewählt wird, die aus Titan (Ti), Tantal (Ta), Ruthenium (Ru), Wolfram (W), Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Rutheniumnitrid (RuN) und Wolframnitrid (WN) besteht, und die leitfähige Auskleidung ist in der Lage zu verhindern, dass das erste leitfähige Material der Durchkontaktierung dort hindurch diffundiert.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine elektronische Sicherung (E-Sicherung) bereit. Die E-Sicherung beinhaltet eine Durchkontaktierung aus einem ersten leitfähigen Material, die eine Unterseite und Seitenwände aufweist, wobei die Unterseite direkt auf einer Oberseite einer dielektrischen Schicht ausgebildet ist; einen ersten Leitungsweg, der auf der Oberseite der dielektrischen Schicht an einer ersten Seite der Durchkontaktierung ausgebildet ist und durch einen Hohlraum von den Seitenwänden der Durchkontaktierung getrennt ist; und einen zweiten Leitungsweg, der auf der Oberseite der dielektrischen Schicht an einer zweiten, anderen Seite der Durchkontaktierung ausgebildet ist und mit der Durchkontaktierung durch die Seitenwände in leitendem Kontakt steht, wobei ein Abschnitt der Seitenwände, der von dem ersten Leitungsweg getrennt ist, von einer leitfähigen Auskleidung bedeckt ist und wobei der erste und der zweite Leitungsweg aus einem zweiten leitfähigen Material hergestellt sind.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine weitere elektronische Sicherung (E-Sicherung) bereit. Die E-Sicherung beinhaltet eine Durchkontaktierung aus einem ersten leitfähigen Material, die eine Unterseite und Seitenwände aufweist, wobei die Seitenwände durch eine leitfähige Auskleidung bedeckt sind und die Unterseite auf einer Oberseite einer dielektrischen Schicht ausgebildet ist; und einen ersten und einen zweiten Leitungsweg aus einem zweiten leitfähigen Material, die auf der Oberseite der dielektrischen Schicht ausgebildet sind, wobei der erste und zweite Leitungsweg durch, und nur durch, die Durchkontaktierung an den Seitenwänden leitend verbunden sind. Darüber hinaus kann die E-Sicherung eine Metallkontaktschicht beinhalten, die auf einer Oberseite der Durchkontaktierung und in leitendem Kontakt mit dieser ausgebildet ist, wobei die Metallkontaktschicht über eine dielektrische Schicht außer durch die Durchkontaktierung elektrisch gegenüber dem ersten und zweiten Leitungsweg isoliert ist.
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Bei einer Ausführungsform ist der zweite Leitungsweg so gestaltet, dass er einen Elektronenstrom passieren lässt, der durch einen Fluss von Elektronen in eine Richtung zu dem ersten Leitungsweg durch die Durchkontaktierung verkörpert wird, wobei der Fluss von Elektronen ausreichend groß ist, um einen Hohlraum in dem ersten Leitungsweg an einer Position angrenzend an die Seitenwände zu bilden, die dem ersten Leitungsweg gegenüberliegen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Metallkontaktschicht so gestaltet, dass sie einen elektrischen Strom durch die Durchkontaktierung und durch den zweiten Leitungsweg passieren lässt, um eine durchgehende elektronische Verbindung davon sicherzustellen, nachdem der Hohlraum im Inneren des ersten Leitungswegs neben der Durchkontaktierung gebildet worden ist.
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Bei einer noch weiteren Ausführungsform kann kein elektrischer Strom von der Metallkontaktschicht durch die Durchkontaktierung und durch den ersten Leitungsweg passieren, nachdem der Hohlraum gebildet worden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich und nachvollziehbar, von denen:
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1(a) und 1(b) anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten einer Struktur einer elektronischen Sicherung (E-Sicherung) sind, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefertigt ist;
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2(a) und 2(b) anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten eines Programmierens der in 1 veranschaulichten E-Sicherung und von Strukturen davon nach dem Programmieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
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3(a) und 3(b) anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten eines Abtastens der in 1 veranschaulichten E-Sicherung und von Strukturen davon nach dem Programmieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
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4(a) bis 4(d) anschauliche Darstellungen eines Verfahrens zum Fertigen der in 1 veranschaulichten E-Sicherung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
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5(a) und 5(b) anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten einer Struktur einer elektronischen Sicherung (E-Sicherung) sind, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefertigt ist;
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6(a) und 6(b) anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten eines Programmierens der in 5 veranschaulichten E-Sicherung und von Strukturen davon nach dem Programmieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind; und
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7(a) und 7(b) vereinfachte Veranschaulichungen einer elektronischen Sicherung nach dem Stand der Technik sind.
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Es ist zu erkennen, dass der Einfachheit und Deutlichkeit der Darstellung halber Elemente in den Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Beispielsweise können die Abmessungen einiger der Elemente im Verhältnis zu denjenigen anderer Elemente der Deutlichkeit halber vergrößert sein.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein umfassendes Verständnis verschiedener Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen der Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten realisiert werden können.
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Um die Darstellung des Wesens und/oder von Ausführungsformen der Erfindung nicht unklar werden zu lassen, sind in der folgenden ausführlichen Beschreibung möglicherweise einige Bearbeitungsschritte und/oder -vorgänge nach dem Stand der Technik zur Darstellung und/oder Veranschaulichung zusammengefasst und in einigen Fällen nicht ausführlich beschrieben worden. In anderen Fällen werden einige Bearbeitungsschritte und/oder -vorgänge nach dem Stand der Technik möglicherweise überhaupt nicht beschrieben. Darüber hinaus sind einige bestens bekannte Techniken zur Bearbeitung von Einheiten möglicherweise nicht ausführlich beschrieben worden, und in einigen Fällen kann auf sonstige veröffentlichte Artikel, Patentschriften und/oder veröffentlichte Patentanmeldungen verwiesen werden, um die Beschreibung des Wesens und/oder von Ausführungsformen der Erfindung nicht unklar werden zu lassen. Es versteht sich, dass die folgenden Beschreibungen sich unter Umständen eher auf charakteristische Merkmale und/oder Elemente verschiedener Ausführungsformen der Erfindung konzentrieren.
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1(a) und 1(b) sind anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten der Struktur einer elektronischen Sicherung (E-Sicherung) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Genauer gesagt, eine E-Sicherung 100 kann eine(n) M1-Metalldraht oder -Metallverbindung 110 und eine V1-Durchkontaktierung 120 beinhalten, die darin ausgebildet ist. Mit anderen Worten, der Metalldraht 110 kann einen ersten Leitungsweg 111 und einen zweiten Leitungsweg 112 beinhalten, die durch, und nur durch, die V1-Durchkontaktierung 120 verbunden sind. Ein elektrischer Strom, der durch einen kontinuierlichen Fluss von Elektronen verkörpert wird, kann über die V1-Durchkontaktierung 120 von dem zweiten Leitungsweg 112 zu dem ersten Leitungsweg 111 fließen. Der erste und zweite Leitungsweg 111 und 112 können jeweils als elektrische Eingangs/Ausgangsanschlüsse für den Fluss des Elektronenstroms dienen. Gemäß einer Ausführungsform kann eine Metallkontaktschicht 130 so auf einer Oberseite der V1-Durchkontaktierung 120 ausgebildet werden, dass sie mit der V1-Durchkontaktierung 120 in leitendem Kontakt steht. Die Metallkontaktschicht 130 kann auch als M2-Metalldraht oder -Metallverbindung bezeichnet werden und ist im Allgemeinen (außer durch die V1-Durchkontaktierung 120) gegenüber der M1-Metallverbindung 110 elektrisch isoliert.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die V1-Durchkontaktierung 120 zumindest einen Abschnitt auf, der unterhalb einer oberen Fläche und im Inneren des M1-Metalldrahts 110 ausgebildet ist. Zumindest ein Abschnitt der Seitenwände der V1-Durchkontaktierung 120 ist mit einer vertikalen, leitfähigen Auskleidung 121 ausgebildet, die als Diffusionsbarriere dient. Wenn man zum Beispiel annimmt, dass ein Elektronenstrom während des Programmierens von dem Anschluss 112 (auf der rechten Seite) zu dem Anschluss 111 (auf der linken Seite) des M1-Metalldrahts 110 fließt, wird zumindest die Seitenwand der V1-Durchkontaktierung 120 auf der linken Seite, wo die Programmierungselektronen aus der V1-Durchkontaktierung 120 austreten, mit einer vertikalen, leitfähigen Auskleidung der Diffusionsbarriere 121 ausgebildet oder beschichtet. Bei einer Ausführungsform wird/werden ein wesentlicher Abschnitt der Seitenwände oder die gesamten Seitenwände der V1-Durchkontaktierung 120 mit der Diffusionsbarriere 121 beschichtet. Die vertikale Diffusionsbarriere 121, die zum Beispiel aus Titan (Ti), Tantal (Ta), Ruthenium (Ru), Wolfram (W), Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Rutheniumnitrid (RuN) und/oder Wolframnitrid (WN) hergestellt werden kann, wenngleich auch andere geeignete Materialien in Betracht gezogenen werden können, stellt im Inneren der Metall-E-Sicherung 100 eine Sperrgrenze für eine Flussdivergenz während des Programmierens bereit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die E-Sicherung 100 so gestaltet sein, dass sie eine geeignete Form in der M1-Metallschicht 110 aufweist. Genauer gesagt, ein kurzer verengter Bereich L1 kann so ausgebildet sein, dass er zum Beispiel eine Länge von 5–20 μm und eine Breite W1 aufweist, die schmaler als die Eingangs/Ausgangsanschlüsse 111 oder 112 ist. Daher kann der kurze verengte Bereich L1, der dadurch ausgebildet wird, wirksam eine Stromverdichtung auslösen und zu einer örtlich begrenzten Erwärmung führen, um das Programmieren der E-Sicherung 100 zu erleichtern. Eine Gesamtlänge 12 von der Stelle, an der die Elektronen aus der V1-Durchkontaktierung 120 an der Diffusionsbarriere 121 austreten, bis zu dem Eingangs/Ausgangsanschluss 111 kann in geeigneter Weise so konstruiert werden, dass sie eine größere Länge als eine Blech-Länge aufweist und dadurch einen Kurzlängeneffekt während einer Elektromigration verhindert.
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Eine Blech-Länge oder LBlech eines leitfähigen Materials steht mit einer Elektromigration von Atomen des leitfähigen Materials in Zusammenhang und wird im Allgemeinen durch die Gleichung LBlech = (jL)th/j ermittelt, wobei es sich bei (jL)th um den Blech-Schwellenwert des leitfähigen Materials und bei j um eine Strom-(oder Elektronen-)Dichte handelt, die durch das leitfähige Material in einer Richtung passiert, in der die Blech-Länge gemessen wird. Der Blech-Schwellenwert (jL)th eines Leitungsdrahts wird zum Beispiel im Allgemeinen durch die Leitfähigkeit des Materials beeinflusst, das den Leitungsdraht bildet, und bei einem aus Kupfer (Cu) hergestellten Leitungsdraht beträgt der Blech-Schwellenwert (jL)th üblicherweise etwa 200 Milliampere pro Mikrometer (mA/μm). Die Stromdichte kann im Allgemeinen zum Beispiel in einer Einheit Milliampere pro Quadratmikrometer (mA/μm2) gemessen werden. Daher kann bei einer Stromdichte von beispielsweise 20 mA/μm2, die seitlich durch den Leitungsdraht passiert, die Blech-Länge üblicherweise bei etwa 10 Mikrometern (μm) liegen.
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Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform kann die E-Sicherung 100 einen Abtastdraht beinhalten, der es einem Strom ermöglicht, durch die V1-Durchkontaktierung 120 zu fließen, um einen Zustand der E-Sicherung 100 entweder als den eines offenen oder eines geschlossenen Stromkreises zu erfassen. An dem M2-Metalldraht 130 kann ein elektrischer Kontakt so bereitgestellt werden, dass ein elektrischer Pfad zwischen dem M2-Metalldraht 130 und dem Eingangs/Ausgangsanschluss 111 oder zwischen dem M2-Metall 130 und dem Eingangs/Ausgangsanschluss 112 ausgebildet wird.
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2(a) und 2(b) sind anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten eines Programmierens der E-Sicherung 100 und einer Struktur der E-Sicherung 100 nach dem Programmieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Während des Programmierens der E-Sicherung 100 kann zum Beispiel ein Programmierungselektronenstrom 211 von dem Eingangs/Ausgangsanschluss 112 des M1-Metalldrahts 110 so eingespeist werden, dass er durch die V1-Durchkontaktierung 120 fließt und so austritt, dass er zu einem Elektronenstrom 212 in Richtung des Eingangs/Ausgangsanschlusses 111 wird. Aufgrund eines Unterschieds in der Diffusivität eines M1-Metallatoms wie zum Beispiel eines Kupferatoms und derjenigen der Diffusionsbarrierenschicht 121 tritt an dem Schnittpunkt zwischen der Diffusionsbarriere 121 und dem ersten Leitungsweg 111 der M1-Metallschicht 110 eine Elektromigrations-Flussdivergenz auf, die eine Verarmung an Metallatomen in der Nähe der Diffusionsbarriere 121 verursacht, sodass ein Hohlraum 122 gebildet wird. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Hohlraum 122 ausreichend groß sein, um eine erhebliche Verringerung des Elektronenflusses von dem zweiten Leitungsweg 112 zu dem ersten Leitungsweg 111 zu verursachen und ihn bevorzugt zu beenden. Beispielsweise kann der durch Elektromigration gebildete Hohlraum 122 zumindest mehr als die Hälfte eines Querschnitts des ersten Leitungswegs 111 einnehmen und bevorzugt den übrigen ersten Leitungsweg 111 vollständig von der V1-Durchkontaktierung 120 trennen. Beispielsweise kann der Hohlraum 122 den ersten Leitungsweg 111 nach dem Programmieren elektrisch gegenüber der V1-Durchkontaktierung 120 isolieren. In 2(b) wird der gestrichelte Pfeil 212 verwendet, um zu kennzeichnen, dass, nachdem der Hohlraum 122 gebildet worden ist, was zu einem offenen Stromkreis in dem M1-Metall 110 führt, keine Elektronen mehr in die durch den Pfeil 212 angegebene Richtung fließen.
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3(a) und 3(b) sind anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten eines Abtastens der in 1 veranschaulichten E-Sicherung und von Strukturen davon nach dem Programmieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann ein Elektronenstrom von dem M2-Metalldraht 130 durch die V1-Durchkontaktierung 120 in Richtung des Eingangs/Ausgangsanschlusses 111 des M1-Metalls 110 (oder in eine umgekehrte Richtung) fließen gelassen werden, und üblicherweise können Elektronen an dem Anschluss 111 erfasst werden, wenn sich die E-Sicherung 100 in einem unprogrammierten Zustand befindet. Nachdem die E-Sicherung 100 programmiert und der Hohlraum 122 gebildet worden ist, wird der elektrische Pfad von dem M2-Metalldraht oder der M2-Metallschicht 130 zu dem Anschluss 111 des M1-Metalldrahts 110 geöffnet, und es können keine Elektronen dazwischen fließen. Da der Hohlraum im Inneren des ersten Leitungswegs 111 auf der linken Seite der V1-Durchkontaktierung 120 gebildet wird, können demgegenüber Elektronen weiterhin von dem M2-Metalldraht 130 zu dem Anschluss 112 des M1-Metalldrahts 110 fließen. Durch Erfassen des Vorhandenseins eines „geschlossenen” Stromkreises zwischen dem M2-Metalldraht 130 und dem zweiten Leitungsweg 112, jedoch eines „offenen” Stromkreises zwischen dem M2-Metalldraht 130 und dem ersten Leitungsweg 111 kann festgestellt werden, dass ein Hohlraum im Inneren des ersten Leitungswegs 111 gebildet worden ist.
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4(a) bis 4(b) sind vereinfachte anschauliche Darstellungen eines Verfahrens zum Fertigen der E-Sicherung 100 in 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zunächst ein Bereitstellen einer dielektrischen Zwischenebenen-(interlevel dielectric, ILD-)Schicht 410 beinhalten, auf der die E-Sicherung 100 ausgebildet werden kann. Wie einem Fachmann bekannt ist, kann es sich bei der ILD-Schicht 410 um eine dielektrische Isolierschicht handeln, die auf einer Oberseite von sonstigen Back-End-of-Line(BEOL)-Verbindungsstrukturen abgeschieden und/oder direkt auf einer Oberseite eines Halbleitersubstrats abgeschieden ist, auf dem verschiedene aktive und/oder passive Halbleitereinheiten wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren gefertigt sein können.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren ein Ausbilden von Leitungswegen 421 (darunter eines ersten Leitungswegs auf der linken Seite und eines zweiten Leitungswegs auf der rechten Seite) einer M1-Metallschicht 420 auf einer Oberseite der ILD-Schicht 410 oder an einem oberen Abschnitt der ILD-Schicht 410 beinhalten, wobei ein Abschnitt einer ILD-Schicht 411 zwischen den Leitungswegen 421 verbleibt. Beim Ausbilden der Leitungswege 421 auf der Oberseite der ILD-Schicht 410 kann das Verfahren ein Abscheiden einer weiteren ILD-Schicht 411 auf der Oberseite der ILD-Schicht 410 beinhalten. Die ILD-Schicht 411 kann dasselbe dielektrische Material wie dasjenige der ILD-Schicht 410 beinhalten; und kann bevorzugt eine Dicke nahezu wie die diejenige der M1-Metallschicht 420 aufweisen, die darin ausgebildet werden soll. Es versteht sich, dass Ausführungsformen der Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt sind und dass verschiedene dielektrische Materialien und/oder verschiedene Dicken beim Ausbilden der ILD-Schicht 411 verwendet werden können. Der Leitungsweg 421 kann so ausgebildet werden, dass er während des Programmierens der E-Sicherung 100 elektrische Leistung oder Elektronen passieren lässt.
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Unabhängig davon, ob er im Inneren der ILD-Schicht 410 oder in der zusätzlich ausgebildeten ILD-Schicht 411 ausgebildet wird, kann gemäß einer Ausführungsform ein Standardphotolithographieprozess dazu verwendet werden, eine Struktur des Leitungswegs 421 zu erzeugen, und es kann ein selektiver Ätzprozess verwendet werden, um die Struktur in die ILD-Schicht 411 (oder in einen oberen Abschnitt der ILD-Schicht 410) zu übertragen, um Öffnungen für die Leitungswege auszubilden. Anschließend können leitfähige Materialien wie zum Beispiel Metall oder eine Metalllegierung dazu verwendet werden, die Öffnungen zu füllen, um im Inneren der ILD-Schicht 411 die Leitungswege 421 auszubilden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Ausbilden oder Erzeugen der Leitungswege 421 durch Anwenden sonstiger geeigneter bestehender BEOL-Prozesse und/oder künftig entwickelter Techniken beinhalten und kann zunächst ein Abscheiden einer leitfähigen Metallauskleidung auf der Oberseite der ILD-Schicht 410 beinhalten, bevor der Leitungsweg 421 durch Metallabscheidung ausgebildet wird. Zu für den Leitungsweg 421 geeigneten Materialien können zum Beispiel Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Silber (Ag), Gold (Au), und/oder Legierungen davon zählen.
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Wie in 4(a) dargestellt, können die Leitungswege 421 erste und zweite Leitungswege 421 beinhalten. Zwischen den ersten und zweiten Leitungswegen kann eine V1-Durchkontaktierung so ausgebildet werden, dass sie die ersten und zweiten Leitungswege durch Ersetzen des Abschnitts der ILD-Schicht 411 dazwischen durch ein anderes leitfähiges Material leitend verbindet. Eine seitliche Größe dieser ILD-Schicht 411 (die ersetzt wird), kann durch den Typ und eine Eigenschaft, beispielsweise die Leitfähigkeit, des leitfähigen Materials ermittelt werden, das für die V1-Durchkontaktierung verwendet wird. Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt sind. Beispielsweise kann eine Ausführungsform der Erfindung ein Ausbilden eines durchgehenden Leitungswegs 421 und ein anschließendes Wegätzen eines Abschnitts des durchgehenden Wegs 421 beinhalten, der durch eine leitfähige V1-Durchkontaktierung ersetzt werden soll.
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Nach dem Ausbilden des M1-Metalldrahts 421 kann eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Abscheiden einer dielektrischen Deckschicht 431 auf einer Oberseite des Leitungswegs 421 und der ILD-Schicht 411 und anschließend ein Abscheiden einer weiteren ILD-Schicht 430 auf einer Oberseite der dielektrischen Deckschicht 431 beinhalten. Die Verwendung der dielektrischen Deckschicht 431 kann dazu beitragen, eine Verunreinigung der ILD-Schicht 430 durch Materialien des Leitungswegs 421 zu verhindern und dadurch eine Gesamtisolation und/oder -isolierung des Leitungswegs 421 zu verbessern.
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Nach der Ausbildung der ILD-Schicht 430 kann eine Ausführungsform der Erfindung ein Abscheiden einer Photolackschicht 440 auf einer Oberseite der ILD-Schicht 430 und ein Erzeugen einer Struktur der V1-Durchkontaktierung in der Photolackschicht 440 neben sonstigen Strukturen beinhalten. Wie in 4(b) veranschaulicht, kann die Struktur der V1-Durchkontaktierung anschließend durch einen RIE-Prozess 441 auf die darunterliegende ILD-Schicht 430 übertragen werden, sodass Durchkontaktierungsöffnungen 442 und 443 teilweise im Inneren der ILD-Schicht 430 gebildet werden können. Im Anschluss an die teilweise Bildung der Durchkontaktierungsöffnungen 442 und 443 kann die Photolackstruktur 440 durch eine geeignete chemische Lösung entfernt oder abgelöst werden.
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Wie in 4(c) veranschaulicht, kann als Nächstes eine zweite Photolackschicht 450 auf einer Oberseite der ILD-Schicht 430 abgeschieden werden, und eine Photolackstruktur, die die M2-Metallschicht darstellt, kann durch bestens bekannte Photolithographieprozesse gebildet werden. Die Struktur des M2-Metallkontakts kann anschließend auf die ILD-Schicht 430 übertragen werden, wo sie auf einer Oberseite einer V1-Durchkontaktierungsstruktur wie zum Beispiel den Durchkontaktierungsöffnungen 442 und 443 platziert wird. Der Ätzprozess zum Bilden einer Öffnung für die M2-Metallschicht kann des Weiteren ein Ätzen der Durchkontaktierungsöffnung 442 bis hinunter auf die M1-Schicht 420 und der Durchkontaktierungsöffnung 443 bis hinunter auf die M1-Schicht 420 und weiter durch die verbleibende ILD-Schicht 411 bis hinunter unter die obere Fläche der M1-Metallschicht 420 bewirken.
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Bei einer Ausführungsform kann das Ätzen eine Öffnung bilden, deren Unterseite die ILD-Schicht 410 freilegt und die eine untere Fläche aufweisen kann, die sich auf oder unter der unteren Fläche der M1-Metallschicht 420 befindet. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Ätzen eine Öffnung bilden, deren Unterseite die ILD-Schicht 410 freilegt und die eine untere Fläche aufweisen kann, die sich über der unteren Fläche der M1-Metallschicht 420, jedoch unter der oberen Fläche der M1-Metallschicht 420 befindet, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 5 ausführlicher beschrieben wird.
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Wie in 4(d) veranschaulicht, kann eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Nächstes ein Abscheiden einer leitfähigen Auskleidung 461, zum Beispiel einer Metallauskleidung, über den inneren Seitenwänden und der Unterseite der Durchkontaktierungsöffnung 443 im Inneren der ILD-Schicht 430 und zwischen den Leitungswegen 421 beinhalten. Die leitfähige Auskleidung 461 kann als Diffusionsbarriere oder Diffusionsbarrierenschicht dienen. Das Material der leitfähigen Auskleidung 461 kann zum Beispiel Titan (Ti), Tantal (Ta), Ruthenium (Ru), Wolfram (W) und ein Nitrid davon wie zum Beispiel Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Rutheniumnitrid (RuN) und/oder Wolframnitrid (WN) beinhalten, wenngleich auch andere geeignete Materialien in Betracht gezogenen werden können. Die leitfähige Auskleidung 461 kann auch durch ein beliebiges sonstiges leitfähiges Material ausgebildet werden, dass als Barriere dienen kann und in der Lage ist zu verhindern, dass leitfähige Materialien wie zum Beispiel Kupfer dort hindurch diffundieren.
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Anschließend an die Ausbildung der leitfähigen Auskleidung 461 kann eine Ausführungsform der Erfindung ein Abscheiden eines leitfähigen Materials 460 in die Durchkontaktierungsöffnungen 442 und 443 und die Öffnungen darauf beinhalten, um eine M2-Metallschicht 460 auszubilden, wodurch Metallkontakte 462 und 463 gebildet werden, wobei der Metallkontakt 463 eine V1-Durchkontaktierung beinhaltet, die sich bis zwischen die ersten und zweiten Leitungswege der M1-Metallschicht 420 erstreckt. Das leitfähige Material, das die M2-Metallschicht 460 bildet, kann zum Beispiel Wolfram (W), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au) und eine Legierung davon beinhalten.
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5(a) und 5(b) sind anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten einer Struktur einer elektronischen Sicherung (E-Sicherung), die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefertigt ist. Genauer gesagt, eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine V1-Durchkontaktierung 503, die einen oberen Abschnitt aufweist, der an einer unteren Fläche davon mit einem Abschnitt einer oberen Fläche einer M1-Metallschicht (501 und 502) in Kontakt steht. Der obere Abschnitt der V1-Durchkontaktierung 503 weist eine Länge Lv1 und eine Breite Wv1 auf. Die V1-Durchkontaktierung 503 beinhaltet außerdem einen unteren Abschnitt, der ein erstes Teilstück (oder einen ersten Leitungsweg) 501 und ein zweites Teilstück (oder einen zweiten Leitungsweg) 502 der M1-Metallschicht leitend verbindet.
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Um die Programmierungsleistung zu verringern, kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Abschnitt der V1-Durchkontaktierung 503, der über das erste Teilstück 501 der M1-Metallschicht überlappt, wo Elektronen aus der V1-Durchkontaktierung 503 austreten, sodass sie zumindest einen Hohlraum und möglicherweise mehrere Hohlräume in dem ersten Teilstück 501 der M1-Metallschicht verursachen, eine Breite W, die zwischen 20 und 100% der Breite Wv1 der V1-Durchkontaktierung 503 beträgt, und eine Länge Lc aufweisen, die zwischen etwa 10 und 30% der Länge Lv1 der V1-Durchkontaktierung 503 beträgt (5(a)). Um den Widerstand der E-Sicherung im unprogrammierten Zustand zu senken, können die Leitungswege der M1-Metallschicht demgegenüber bevorzugt größer als die V1-Durchkontaktierung 503 gestaltet werden. Beispielsweise kann eine Breite des ersten Teilstücks 501 (W1) der M1-Metallschicht so gestaltet werden, dass sie zwischen 100 und 300% der Breite Wv1 der V1-Durchkontaktierung beträgt, und die Breite des zweiten Teilstücks 502 (W2) der M1-Metallschicht kann so gestaltet werden, dass sie zwischen 150 und 500% der Breite Wv1 der V1-Durchkontaktierung beträgt. Darüber hinaus können die V1-Durchkontaktierung 503 und das zweite Teilstück 502 der M1-Metallschicht so gestaltet werden, dass sie einen überlappenden Bereich aufweisen, dessen Länge LA etwa 50% der Gesamtlänge der Länge Lv1 der V1-Durchkontaktierung 503 beträgt. Beim Ausbilden der V1-Durchkontaktierung 503 wird eine leitfähige Auskleidung 510 um Seitenwände der V1-Durchkontaktierung 503 abgeschieden. Die leitfähige Auskleidung 510 weist einen höheren Widerstand (oder eine geringere Leitfähigkeit) als das leitfähige Material der M1-Metallschicht, insbesondere als das Material des ersten Teilstücks 501 der M1-Metallschicht, auf. Die geringere Leitfähigkeit trägt dazu bei, während des Programmierens, wenn ein starker Fluss von Elektronen durch die Grenzfläche zwischen der V1-Durchkontaktierung 503 und dem ersten Teilstück (oder dem ersten Leitungsweg) der M1-Metallschicht passiert, einen oder mehrere Hohlräume neben der V1-Durchkontaktierung 503 zu bilden.
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6(a) und 6(b) sind anschauliche Darstellungen von Draufsichten und Seitenansichten eines Programmierens der in 5 veranschaulichten E-Sicherung und einer Struktur davon nach dem Programmieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise können während des Programmierens, wenn eine positive Spannung von einem ersten Teilstück 601 (das dem Teilstück 501 in 5 entspricht) an ein zweites Teilstück 602 (das dem Teilstück 502 in 5 entspricht) der M1-Metallschicht angelegt wird, Elektronen 611 entgegen der Richtung der angelegten Spannung von dem zweiten Teilstück 602 der M1-Metallschicht zu dem ersten Teilstück 601 der M1-Metallschicht durch eine V1-Durchkontaktierung 603 (die der V1-Durchkontaktierung 503 in 5 entspricht) fließen. Im Vergleich zum Überwechseln von der V1-Durchkontaktierung 603 zu dem ersten Teilstück 601 der M1-Metallschicht können Elektronen beim Überwechseln von dem zweiten Teilstück 602 der M1-Metallschicht zu der V1-Durchkontaktierung 603 aufgrund einer verhältnismäßig großen Grenzfläche dazwischen und daher einer größeren Leitfähigkeit/eines geringeren Widerstandes einem verhältnismäßig geringeren Widerstand ausgesetzt sein.
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Aufgrund eines Unterschieds in der Diffusivität eines M1-Metallatoms wie zum Beispiel eines Kupferatoms innerhalb der Diffusionsbarrierenschicht 610 und derjenigen in dem M1-Metall tritt an dem Schnittpunkt zwischen der Diffusionsbarriere 610 und dem ersten Teilstück 601 der M1-Metallschicht eine Elektromigrations-Flussdivergenz auf, die eine Verarmung an Metallatomen in der Nähe der Diffusionsbarriere 610 verursacht, sodass ein Hohlraum 612 gebildet wird. Wenn die Elektronen von der V1-Durchkontaktierung 603 zu dem ersten Teilstück 601 der M1-Metallschicht fließen, wird aufgrund der leitfähigen Auskleidung 610, die als Diffusionsbarrierenschicht dient und dort eine Elektromigrations-Flussdivergenz erzeugt, ein durch Elektromigration verursachter Hohlraum 612 angrenzend an die Grenzfläche zwischen der V1-Durchkontaktierung 603 und dem ersten Teilstück 601 der M1-Metallschicht ausgebildet. Durch die Ausbildung des Hohlraums 612 wird die E-Sicherung erfolgreich programmiert, wobei die Position für den Hohlraum vorhersagbar ist.
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Es sind zwar bestimmte Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht und beschrieben worden, Fachleuten sind nun jedoch zahlreiche Modifizierungen, Ersetzungen, Änderungen und Entsprechungen ersichtlich. Es versteht sich daher, dass die beigefügten Ansprüche alle solche Modifizierungen und Änderungen abdecken sollen, die in den Wesensgehalt der Erfindung fallen.
