DE19620549C2 - Schmelzstellenstruktur zum Durchschmelzen durch einen Laserstrahl in einer integrierten Schaltung - Google Patents

Schmelzstellenstruktur zum Durchschmelzen durch einen Laserstrahl in einer integrierten Schaltung

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Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schmelzstellenstruktur, die in einer integrierten Schaltung eingesetzt ist und von einem Laser geschmolzen werden soll.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Konstruktion einer monolithisch integrierten Schaltung (IC), und insbesondere bei Speichervorrichtungen als Elemente zum Verändern der Konfiguration der darin enthaltenen Schaltung, werden routinemäßig Schmelzstellen benutzt. Als solches werden gewöhnlich programmierbare Speicher gebaut, bei denen selektiv Schmelzstellen "durchgebrannt" werden, z. B. durch einen Laserstrahl.
Ebenso ist bekannt, daß Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) mit Redundanzen konstruiert werden, die Extraspalten oder -zeilen oder sogar voll funktionsfähige Matrizen aufweisen, in denen bei Störung eines dieser Extraelemente die gestörte Zeile, Spalte oder dergl. durch ein entsprechendes Element ersetzt wird. Das Ausschalten und Einschalten dieser Extra­ elemente wird bewirkt durch Sollschmelzstellen, die durch den IC hindurch an strategisch wichtigen Stellen angeordnet sind, und die erforderlichenfalls vorzugsweise durch den Laserstrahl geschmolzen (d. i. durchtrennt) werden.
Zusätzlich wird die Technik des Abschaltens durch Schmelzen der Sollschmelzstellen durch Laser (Abgleichen) sowohl in der Speicherfertigung als auch in der Logik-IC-Fertigungsindustrie als wirksame Weise zur Verbesserung der funktionellen Ausbeute und zur Reduzierung der Zykluszeit benutzt. Doch sind die Ergebnisse beim Durchschmelzen der Schmelzstellen sowie die Zuverlässigkeit der Schmelzstellen bei den meisten herkömmlichen Sollschmelzstellen-Konstruktionen problematisch geworden.
Schmelzelemente werden routinemäßig aus Aluminium, Kupfer, Polysilicium, Silicid oder aus jedem beliebigen hochleit­ fähigen Metall bzw. Legierung hergestellt. Im allgemeinen sind zwei Enden einer Leiterbahn durch eine Engstelle mit einer Breite, die beträchtlich geringer ist, als die der Leiterbahnen, verbunden, so daß weniger Energie erforderlich ist, die Verbindung durchzubrennen. Fachleute erkennen, daß eine Vielzahl solcher Schmelzstellen nebeneinander angeordnet werden können. Dabei gibt es, weil weniger Energie zum Durch­ brennen einer dieser Schmelzstellen benötigt wird, eine ge­ ringere Wahrscheinlichkeit, daß eine danebenliegende Schmelz­ stelle dadurch beschädigt wird.
Verschiedene Konfigurationen solcher Sollschmelzstellen wurden bereits beschrieben. In US-Patent 4,682,204 an Shiozaki et al. wird ein z. B. aus polykristallinem Silicium hergestelltes Sollschmelzstellenelement auf ein isoliertes Substrat aufgebracht. Die Verbindungselemente werden an beiden Enden der Sollschmelzstelle einstückig ausgeformt. Jedes der Verbindungsteile beinhaltet eine Vielzahl von gestuften Abschnitten, die einen entsprechend gestuften Abschnitt berühren, der auf dem isolierten Substrat ausgebildet ist. Auf diese Weise braucht durch Erhöhen der Wärmekapazität der Verbindungsteile die Sollschmelzstelle eine kleinere Fläche und verringert auf diese Weise die Gesamtfläche, die von der Schmelzstellenstruktur benötigt wird.
In einer anderen Ausführungsform, beschrieben in US-Patent 4,198,744 an Nicholay, wird ein hängendes Sollschmelzstellen­ element einschließlich einer ersten Metallschicht auf einer Isolierschicht, die auf ein Substrat aufgetragen ist, vom Ausbilden eines schmelzbaren Materials gefolgt, wobei das Material selektiv abgearbeitet wird, um das Schmelzstellen­ element mit einer Engstelle zu definieren. Dieses Verfahren hat den eindeutigen Vorteil, daß die Wärmeleitfähigkeit der Sollschmelzstelle herabgesetzt wird und damit die Energiemenge geringer wird, die zu ihrem Durchbrennen erforderlich ist.
In wieder einer anderen Ausführungsform, die in US-Patent Nr. 5,321,300 von Usuda et al. beschrieben ist, wird eine durch einen Laser unterbrochene Sollschmelzstelle auf einer Isolierzwischenschicht ausgebildet. Ein aus Polysilicium be­ stehendes Heizglied ist in der Isolierzwischenschicht unter dem Sicherungseinsatz vorgesehen. Das Heizglied ist auf einem feldisolierten Feld aufgebracht. Dieses Glied generiert Wärme durch Absorbieren von Energie aus dem Laserstrahl und explo­ diert thermisch, dabei unterbricht es die Sollschmelzstelle.
Zusätzlich zur Optimierung der Abmessungen der Sollschmelz­ stelle, um die zum Programmieren einer Schmelzstelle er­ forderliche Energie zu senken, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, eine Abschirmplatte unter der Schmelzstellen­ struktur anzubringen, damit die Beschädigung angrenzender Bereiche eines IC abgewendet wird.
Eine solche Anordnung wird z. B. in US-Patent Nr. 5,279,984 an Konoshita et al. beschrieben, in dem wenigstens ein Teil der Abschirmplatte direkt unter dem Schmelzstellenelement ange­ ordnet wird. Hier muß mit angemessener Vorsicht vorgegangen werden, um sicherzustellen, daß die Feldabschirmplatte nicht kurzgeschlossen wird, auch wenn ein Laserstrahl mit einer Ab­ lenkung zum Unterbrechen der Sollschmelzstelle abgestrahlt wird. Die von Konoshita beschriebene Abschirmplatte wird vorzugsweise aus Polysilicium hergestellt oder aus einem gleichwertigen Material, das seiner Natur nach viel der vom Laser gelieferten Energie absorbiert. Der Fachmann bemerkt, daß zusätzlich zu den Abschirmeigenschaften, die durch An­ bringen einer Abschirmung unter der Schmelzstelle erzielt wird, es viel vorteilhafter wäre, die zum Durchbrennen der Schmelzstelle erforderliche Energie zu reduzieren, um den Schaden, der etwa bei anderen Elementen innerhalb des IC hervorgerufen würde, zu minimieren.
Aus JP-A-59 135 746 ist bekannt, unter einer Sollschmelzstelle eine reflektierende Schicht anzuordnen.
Nehmen wir jetzt Bezug auf Fig. 1; hier wird eine Draufsicht auf eine herkömmliche Schmelzstellenstruktur gezeigt, wobei zwei Enden einer Leiterbahn 10 jeweils an eine Sollschmelz­ stelle 20 angeschlossen sind. Ebenso gezeigt wird die opti­ male Position eines Laserflecks 15. Die vom Laser übertragene Energie geht in dem vom Fleck begrenzten Bereich weitgehend verloren, und nur ein Bruchteil der Gesamtenergie wird von der Sollschmelzstelle 20 absorbiert. Daraus ergibt sich, daß der Energiebetrag zum Durchschmelzen der Schmelzstelle be­ trächtlich höher ist, als es erforderlich wäre, wenn die meiste Energie irgendwie so kanalisiert werden könnte, daß sie auf die Sollschmelzstelle fällt.
Fig. 1 illustriert ferner eine herkömmliche Schmelzstellen­ konstruktion, die mit einem Einpuls-Laser zusammenwirkt. Im Normalfall ist eine geradlinige Sollschmelzstelle 20 in einer Schmelzstellenbank aufgereiht. In besonderen Situationen wird eine Blindschmelzstelle 18 zwischen zwei nebeneinander­ liegenden Schmelzstellen eingefügt, um eine bessere Plan­ ausrichtung zu erreichen. Die Blindschmelzstelle 18 ist im Regelfall in der Mitte zwischen den offenen Räumen zwischen zwei aktiven Schmelzstellen angeordnet. Die Blindschmelz­ stelle ist nichts anderes als ein Abschnitt der Zwischen­ verbindung innerhalb der Schmelzstellenbank, aber elektrisch getrennt von den übrigen Schmelzstellen in der Bank. Unab­ hängig davon, ob die Schmelzstelle nun aktiv oder eine Blind­ schmelzstelle ist, erfüllen herkömmliche Schmelzstellenkon­ struktionen üblicherweise nicht ihren beabsichtigten Zweck, d. i. eine optimale Schmelzstellentrenneffizienz. Die Laser­ energieverteilung kann entweder als Gaußsche Verteilung oder als rechtwinklig-räumliche Verteilung beschrieben werden. Eine herkömmliche Schmelzstelle besetzt in der Regel nur ein Drittel oder weniger des Bereichs, der vom Laser überdeckt wird. Ferner überdeckt ein kreisförmiger Laserfleck 15 einen Bereich der Größenordnung von 30% der Sollschmelzstelle. Auch mit einem hochkohärenten Laserstrahl werden noch immer zwei Drittel oder mehr der Laserenergieimpulses benötigt, um ge­ nügend Energie in die aktive Schmelzstelle zu pumpen, damit diese durchgeht. Im einzelnen werden etwa 70% der Laser­ energie abgeleitet oder reflektiert in den Bereich, der nicht von der Sollschmelzstelle 20 eingenommen wird. Sogar in den restlichen 30% des Bereichs, der von der Sollschmelzstelle eingenommen wird, werden infolge eines Mehrschichten-Inter­ ferenzeffekts 20-60% der Energie entweder reflektiert oder abgeleitet. Somit werden höchstens 12-24% der Gesamtenergie tatsächlich ausgenutzt, um die Schmelzstelle durchzuschmel­ zen. Daraus ergibt sich, daß wesentliche Schäden im Substrat angerichtet werden können in Bereichen, die nicht von den Schmelzstellen abgedeckt sind, infolge der hohen Absorptions­ rate und der hohen Prozentzahl der übertragenen Laserein­ strahlung, zusätzlich zu den höheren Energiebeträgen der Laserenergie, die zum Durchschmelzen der Sollschmelzstelle erforderlich ist.
Der Fachmann weiß natürlich, daß es nicht möglich ist, die Breite einer Schmelzstelle beliebig zu erhöhen. Es muß eine Konsistenz zwischen dem eingesetzten Material und der auf­ gewendeten Energie zum Erreichen der Verdampfung der Soll­ schmelzstelle gewahrt sein. Eindeutig wird eine zu breite Sollschmelzstelle eine zu hohe Energiehöhe voraussetzen, die schädlich sein kann für die übrigen Elemente, die den IC ausmachen. Andererseits kann zu wenig Energie zum Durch­ brennen der Sollschmelzstelle nicht ausreichen und die Oxid- Schutzschicht zur Explosion bringen.
Aufgaben der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schmelzstellenstruktur mit einer Sollschmelzstelle optimaler Geometrie bereitzustellen, um die zum Durchschmelzen der Schmelzstelle erforderliche Energie zu minimieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obigen Probleme werden überwunden und die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Schmelzstellenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einer integrierten Schaltung mit Verbindungsleitungen, die auf einer iso­ lierten Schicht ausgebildet sind, die ihrerseits auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht ist und die Verbindungen zwischen Elementen herstellen, die in der integrierten Schal­ tung integriert sind, eine Schmelzstellenstruktur vorgesehen, die mit einem Laserstrahl programmierbar ist und die enthält: Eine abschmelzbare längliche Metall-Sollschmelzstelle, die zwei Segmente einer Verbindungsleitung verbindet; mindestens einen Finger, der einstückig und koplanar mit der Sollschmelzstelle verbunden ist und sich von der Sollschmelzstelle quer erstreckt, um Energie aufzunehmen, die vom Laserstahl ausgestrahlt wird; um die Laserenergie zu reduzieren, die erforderlich ist, um die Schmelzstellenstruktur durchzubrennen.
Kurz gesagt, bei der Schmelzstellenstruktur der vorliegenden Erfindung wird die Laserrate der Energieabsorption für eine vorgegebene Raumaufteilung der Laserenergie maximiert. Somit wird die Masse des Schmelzstellenmaterials (die sowohl Dicke als auch Bereich definiert) maximiert, die vom Laserfleck überdeckt wird. Ferner darf die Masse des Schmelzstellenmaterials keinesfalls höher sein als die Masse, die schon mit einer herkömmlichen Menge Laserenergie verdampft werden kann (typisch ein Bruch­ teil von 0,3 µJ bis 1,2 µJ).
Ferner wird die Masse des Schmelzstellenmaterials auf einen spezifischen Ort begrenzt, um eine Fehlausrichtung des Laser (in einer Größenordnung von 1 µm) zuzulassen. Schließlich wird die Masse des Schmelzstellenmaterials so verteilt, daß innerhalb der IC-Vorrichtung die Planarität gesichert und beibehalten wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben, in denen die einzelnen Figuren darstellen:
Fig. 1 eine topographische Ansicht eines Schmelzstellen­ elements herkömmlicher Art;
Fig. 2a-2d sind eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schmelzstellenstruktur, in der gezeigt wird, daß die Soll­ schmelzstelle kurze und lange Finger aufweist, die sich vom Block der Sollschmelzstelle aus erstrecken.
Die Fig. 3a-3b zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der Blindschmelzstellen in die Sollschmelzstelle aufgenommen sind;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schmelz­ stellenstruktur, bei der eine Reflexionsstruktur unter der Sollschmelzstelle angeordnet ist;
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht der Sollschmelzstelle mit einem gekrümmten Reflexionsschild zwecks Konzentration des reflektierten Laserstrahls direkt auf die Sollschmelzstelle.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2a-2d soll jetzt eine Schmelzstellenstruktur mit den gewünschten Merkmalen gezeigt werden. Eine Sollschmelzstelle mit einer engen Einschnürung 24, die so modifiziert ist, daß sie eine Reihe von Fingern 12 (oder Rippen) aufweist, die sich von der Einschnürung der Sollschmelzstelle aus erstrecken, wird hier gezeigt. Diese Finger ermöglichen eine stärkere Energieabsorption, als sie nach der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Sollschmelzstelle möglich ist. Die Hauptforderung, die die Länge der Finger regelt, ist, daß sich diese Länge nach den von den Laserfehl­ ausrichtungstoleranzen und Planarprozeß-Grundregeln bestimmten Forderungen richten muß. Somit kann eine Kombination von langen und kurzen Fingern (12 bzw. 16) benutzt werden. Zusätzlich wäre es vorteilhaft, wenn es eine optimierte Laserabsorption in Hinblick auf die räumliche Laserenergie­ verteilung gäbe.
Es ist also bedeutsam, daß der Zwischenraum zwischen den Fingern möglichst eng auf die Laserwellenlänge eingestellt wird. Das seinerseits ermöglicht die Beugung des übertragenen Laserstrahls, was wiederum eine größere Absorption durch die Seitenwand des Fingers zuläßt und auch die zwischen den Fingern übertragene Energie reduziert, die eine bedeutsame Quelle für Schäden im Substrat ist. Die Länge und Breite des engeren Streifens in der Mitte ist so, daß er einen effek­ tiveren Löschprozeß zuläßt. Anstatt eines einzigen Kraters, der von einer herkömmlichen Schmelzstellenkonstruktion erzeugt wird, kann durch einen einzigen Laserimpuls ein doppelter, dreifacher oder sogar multipler Krater (oder Unterkrater) erzeugt werden. Das Ziel ist jedoch, die Redundanz auf einen einzigen Krater zu vergrößern. Ferner steigt der Gesamtwiderstand der durchgebrannten Schmelzstellen, weil eine Reihe von multiplen Widerständen erzeugt werden kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, die in Fig. 3 dargestellt wird, sind zwei oder mehr schmale Blind­ schmelzstellenteile 25 neben die aktiven Schmelzstellen gelegt. Die Finger 12 verfolgen einen ähnlichen Zweck wie oben beschrieben. Die Blindschmelzstellen 25 bleiben elektrisch potentialfrei, so daß auch in Fällen, in denen die Blindschmelzstelle infolge eine Laserfehlausrichtung zufällig abschmilzt, nur eine minimale Auswirkung auf die aktiven Schmelzstellen zu erwarten ist. Daher kann die Anwendung von Blindschmelzstellen ggf. höhere Fehlausrichtungen tolerieren.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind bekannt dafür, daß sie eine wirksamere Verteilung der Laserenergie bewirken, und zusätzlich bereiten sie den Weg vor zu einer effektiveren Streuung der Laserenergie und zu einer erhöhten Absorption an den Seitenwänden der Schmelzstellen. Durch Einführung von Redundanzen innerhalb der Schmelzstellenstrukturen lassen sich mit einem einzigen Laserenergieimpuls eine Vielzahl von Kratern oder Unterkratern erzielen.
Beziehen wir uns jetzt auf Fig. 4, dort wird eine Reflexions­ struktur 30 unterhalb der Sollschmelzstelle gezeigt. Die Reflexionsstruktur in der Form eines Kreises, einer Platte oder eines Gitters wird erzeugt unter Verwendung der vor­ herigen, unter der Sollschmelzstelle liegenden Schicht. Die Platte wird auf vorteilhafteste Weise aus leitendem Material, wie Aluminium oder aus jedem reflektierenden Material herge­ stellt und wird durch reaktives Ionenätzen (RIE), chemisch­ mechanisches Polieren (CMP) oder einen Spanabhebeprozeß geformt. Für vertikale Reflexion wird eine flache, breite Platte vorgeschlagen.
In einer weiteren Ausführungsform der Reflexionsstruktur, die in Abb. 5 gezeigt wird, weist die Platte 30 eine Krümmung auf, die den Fokussiereffekt des Laserstrahls voll nutzt. Eine solche Krümmung kann erreicht werden durch CMP Auf­ schmelzaluminium oder durch CMP gebündeltes Aluminium. Der Fokussiereffekt der Krümmung verbessert nicht nur die Ab­ sorptionswirkung der Sollschmelzstelle, sondern wirkt auch als selbstausrichtendes Merkmal, das in der Lage ist, mit Fehlausrichtungsproblemen fertig zu werden. Dem Fachmann wird sofort klar, daß alternativ auch andere Muster von Refle­ xionsstrukturen benutzt werden können, um die Laserabsorption zu verbessern, die Elemente im IC abzuschirmen und die Fokussiereffizienz des Laserstrahls zu verbessern.

Claims (13)

1. Schmelzstellenstruktur, die mit einem Laserstrahl programmierbar ist, in einer integrierten Schaltung mit Verbindungsleitungen, die auf einer isolierten Schicht ausgebildet sind, die ihrerseits auf einem Halb­ leitersubstrat aufgebracht ist und die Verbindungen zwischen Elementen herstellen, die in der integrierten Schaltung integriert sind, und die enthält:
Eine abschmelzbare längliche Metall-Sollschmelzstelle, die zwei Segmente einer Verbindungsleitung ver­ bindet; und
mindestens einen Finger, der einstückig und koplanar mit der Sollschmelzstelle verbunden ist und sich von der Sollschmelzstelle aus quer erstreckt, um Energie aufzu­ nehmen, die vom Laserstahl ausgestrahlt wird und um die Laserenergie zu reduzieren, die zum Durchschmelzen der Schmelzstellenstruktur erforderlich ist.
2. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 1, in der eine Vielzahl dieser Finger die Sollschmelzstelle in Soll­ schmelzstellenabschnitte unterteilt.
3. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 2, in der die Breite wenigstens eines dieser Sollschmelzstellenab­ schnitte enger ist als die Breite der Sollschmelzstelle.
4. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 1, in der dieser wenigstens eine Finger sich in einer Richtung er­ streckt, die senkrecht zur Sollschmelzstelle verläuft.
5. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 1, die ferner wenigstens eine Blindschmelzstelle enthält, die in nächster Nähe zur Sollschmelzstelle angeordnet ist, die jedoch elektrisch von der Sollschmelzstelle isoliert ist.
6. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 1, die ferner eine Reflexionsplatte aufweist, die unterhalb der Soll­ schmelzstelle angeordnet ist, um vom Laserstrahl abge­ gebene Energie zu reflektieren.
7. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 1, in der diese Sollschmelzstelle und dieser wenigstens eine Finger aus hochleitfähigem Material gemacht sind.
8. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 7, in der die­ ses hochleitfähige Material aus der Gruppe Aluminium, Kupfer, Polysilicium, Silicid und Legierungen daraus gewählt wird.
9. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 6, in der die reflektierende Platte eine konkave obere Fläche aufweist und damit den reflektierten Strahl in die Sollschmelz­ stelle fokussiert.
10. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 6, in der die reflektierende Platte eine flache Platte ist.
11. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 6, in der die reflektierende Platte unter Anwendung eines chemisch- mechanischen Polierprozesses hergestellt ist.
12. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 6, in der die reflektierende Platte unter Anwendung eines reaktiven Ionenätzprozesses hergestellt ist.
13. Schmelzstellenstruktur gemäß Anspruch 6, in der die reflektierende Platte unter Anwendung eines Spanabhebe­ prozesses hergestellt ist.
DE19620549A 1995-06-07 1996-05-22 Schmelzstellenstruktur zum Durchschmelzen durch einen Laserstrahl in einer integrierten Schaltung Expired - Lifetime DE19620549C2 (de)

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