JP2012532451A - 低電力多重状態電子ヒューズ(eヒューズ)をプログラミング及び再プログラミングするための回路構造体及び方法 - Google Patents

低電力多重状態電子ヒューズ(eヒューズ)をプログラミング及び再プログラミングするための回路構造体及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 低電力多重状態の電子ヒューズをプログラミング及び再プログラミングするための回路構造体及び方法を提供する。
【解決手段】 eヒューズのプログラミング/再プログラミング回路の実施形態を開示する。一実施形態において、eヒューズ(150)は、長い低原子拡散抵抗導体層(120)の同じ端部に両側(121、122)上に配置された2つの短い高原子拡散抵抗導体層(110、130)を有する。電圧源(170)を用いて端子(第1の端子=170/161/110、第2の端子=170/162/130、第3の端子=170/163/導体層120の近位端123、及び第4の端子=170/164/導電層120の遠位端124)に印加する電圧の極性及び随意的に大きさを変化させて、長い導体層内の電子の2方向の流れを制御し、これにより長い導体層と短い導体層との界面(125、126)における開路及び/又は短絡の形成を制御する。このような開路及び/又は短絡の形成を用いて異なるプログラミング状態(11、01、10、00)を実現することができる。他の回路構造体の実施形態は、さらに多くのプログラミング状態を可能にするように、付加的な導体層及び付加的な端子を有するeヒューズ(650)を組み込む。さらに、関連したeヒューズのプログラミング及び再プログラミング方法の実施形態を開示する。
【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、一般的に、電子ヒューズ(eヒューズ)に関し、より具体的には、低電力多重状態(multiple state)のeヒューズをプログラミング及び再プログラミングするための回路構造体、及びこうしたeヒューズをプログラミング及び再プログラミングするための関連した方法の実施形態に関する。
プログラム可能なヒューズ又はアンチヒューズ、例えば電気ヒューズ若しくはアンチヒューズ、又はレーザ・ヒューズ若しくはアンチヒューズは、冗長的な再使用可能で信頼性のある設計を実現するために、現代の集積回路用途にとって重要である。残念ながら、殆どのこうしたプログラム可能ヒューズ又はアンチヒューズは、一回しかプログラミングすることができない。即ち、これらは本質的に破壊的であるため、再プログラミングは不可能である。例えば、従来の電子ヒューズがプログラミングされる(即ち、飛ばされる)と、開路状態が生成され、これを反転させることはできない。同様に、従来のアンチヒューズがプログラミングされると、短絡状態が生成され、これを反転させることはできない。不揮発性ランダム・アクセス・メモリ(NVRAM)は、多数回の再プログラミングが可能であり、プログラム可能ヒューズの代わりに機能をプログラミングするための、回路設計内に組み込むことができる浮遊ゲート機構を用いている。しかしながら、NVRAM技術の使用は、プロセスの複雑さ及び製造コストを著しく増大させる。
従って、既存のプロセスにより容易に組み込むことができ、プログラミングが本質的に非破壊的(non-destructive)であり、プログラミング及び再プログラミングを実行するための回路構造体を伴う低電力多重状態eヒューズ、並びにこうしたeヒューズをプログラミング及び再プログラミングするための関連した方法を提供することが有利となる。
上記のことを考慮して、低電力多重状態電子ヒューズ(即ち、eヒューズ)をプログラミング及再プログラミングするための回路構造体の実施形態が、本明細書で開示される。回路の一実施形態においてeヒューズは、比較的長い導体層の同じ端部の両側上に配置された2つの比較的短い導体層を含むことができる。短い導体層は比較的高い原子拡散抵抗を有することができ(即ち、低い原子拡散性を示すことができ)、長い導体層は比較的低い原子拡散抵抗を有することができる(即ち、高い原子拡散性を示すことができる)。電圧源を長い導体層の両端に接続し、さらに短い導体層のそれぞれに接続して、eヒューズ構造体が4つの端子を有するようにすることができる。電圧源を選択的に制御して、異なる端子に印加する電圧の極性及び随意的に大きさを変化させることができる。異なる端子における電圧の極性(及び大きさ)を変化させることによって、長い導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することができる。長い導体層内の電子の2方向の流れを制御することによって、長い導体層・短い導体層間の界面における非破壊的な開路及び短絡の形成を選択的に制御して多数の異なるプログラミング状態を実現することができる。回路の他の実施形態は、さらに多くのプログラミング状態を可能にするように付加的な導体層及び付加的な端子を組み込む。さらに、関連したeヒューズのプログラミング及び再プログラミング方法の実施形態を開示する。
より具体的には、低電力多重状態電子ヒューズ(即ち、eヒューズ)をプログラミング及再プログラミングするための回路構造体の実施形態が、本明細書に開示される。
一実施形態において、回路構造体が、eヒューズを含むことができる。eヒューズは、第1の導体層と、第1の導体層上の第2の導体層と、第2の導体層上の第3の導体層とを含むことができる。第1の導体層及び第3の導体層のそれぞれは、第2の導体層と比べて比較的高い原子拡散抵抗を有することができる。回路構造体はさらに、電圧源と、端子を作成するための、電圧源とeヒューズ上の種々の位置との間の電気接続とを含むことができる。具体的には、電圧源と第1の導体層との間の電気接続は、第1の端子を作成することができる。電圧源と第3の導体層との間の電気接続は、第2の端子を作成することができる。最後に、電圧源と第2の導体層の両端との間の電気接続は、それぞれ第3及び第4の端子を作成することができる。従って、この実施形態において、eヒューズは4つの別個の端子を有することができる。電圧源は選択的に制御可能であり、電気接続における(即ち、4つの端子における)電圧の極性及び随意的に電圧の大きさを変化させて第2の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することを可能にする。第2の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することによって、高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面(即ち、第2の導体層と第1及び第3の導体層との間の界面)における第2の導体層内での非破壊的な開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することができる。そのような開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することによって、eヒューズを4つの異なるプラグラミング状態のいずれか1つにプログラミング又は再プログラミングすることができる。
別の実施形態において、回路構造体は同様にeヒューズを含むことができる。この実施形態においてeヒューズは、より多くの高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面、より多くの端子、従ってより多くのプログラミング状態を可能にする、付加的な導体層を含むことができる。具体的には、eヒューズは、第1の導体層と、第1の導体層の上の第2の導体層と、第2の導体層の上の第3の導体層と、第3の導体層の上の第4の導体層とを含むことができる。第2の導体層及び第4の導体層のそれぞれは、第1の導体層及び第3の導体層と比べて比較的高い原子拡散抵抗を有することができる。この回路構造体はさらに、電圧源と、電圧源と第1の導体層の両端との間、電圧源と第3の導体層の両端との間、及び電圧源と第4の導体層との間の電気接続とを含むことができる。従って、この実施形態において、eヒューズは5つの別個の端子を有することができる。電圧源は選択的に制御可能であり、電気接続における(即ち、5つの端子における)電圧の極性及び随意的に電圧の大きさを変化させて第1及び第3の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することが可能になる。第1及び第3の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することによって、高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面における第1及び第3の導体層内(即ち、第2の導体層との界面における第1の導体層内、並びに、第2の導体層及び第4の導体層との界面における第3の導体層内)での非破壊的な開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することができる。前の実施形態と同様に、こうした開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することによって、eヒューズを多数の異なる状態のいずれか1つにプログラミング又は再プログラミングすることができる。
関連したeヒューズのプログラミング及び再プログラミング方法の実施形態も本明細書で開示される。この方法の実施形態は、eヒューズを準備することと、電圧源をeヒューズの異なる位置に電気的に接続することと、電圧源を選択的に制御して異なる位置における電圧の極性及び随意的に電圧の大きさを選択的に変化させることによって、eヒューズのプログラミング及び再プログラミングを実行することとを含むことができる。
一実施形態においてこの方法は、第1の導体層と、第1の導体層上の第2の導体層と、第2の導体層上の第3の導体層とを含むeヒューズを準備することを含むことができる。第1の導体層及び第3の導体層のそれぞれは、第2の導体層と比べて比較的高い原子拡散抵抗を有することができる。次に、電気接続を、電圧源と第1の導体層との間に形成して第1の端子を作成し、電圧源と第3の導体層との間に形成して第2の端子を作成し、電圧源と第2の導体層の両端との間に形成してそれぞれ第3及び第4の端子を作成する。次に、電圧源を選択的に制御して電気接続における(即ち、4つの端子における)電圧極性を変化させ、第2の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することによって、eヒューズのプログラミング及び再プログラミング・プロセスを実行することができる。第2の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御して、高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面における(即ち、第2の導体層と第1及び第3の導体層との間の界面における)第2の導体層内での非破壊的な開路及び/又は短絡を選択的に形成し、それによりeヒューズを4つの異なるプログラミング状態のいずれか1つにプログラミング又は再プログラミングすることができる。
別の実施形態において本方法は、より多くの高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面、より多くの端子、従ってより多くのプログラミング状態を可能にする、付加的な導体層を有するeヒューズを準備することを含むことができる。より具体的には、本方法の実施形態は、第1の導体層と、第1の導体層の上の第2の導体層と、第2の導体層の上の第3の導体層と、第3の導体層の上の第4の導体層とを含むeヒューズを準備することを含むことができる。第2の導体層及び第4の導体層のそれぞれは、第1の導体層及び第3の導体層と比べて比較的高い原子拡散抵抗を有することができる。電気接続を、電圧源と第1の導体層の両端(即ち、第1の導体層の近位端及び遠位端)との間、電圧源と第3の導体層の両端(即ち、第3の導体層の近位端及び遠位端)との間、及び電圧源と第4の導体層との間に形成する。従って、この実施形態においては5つの別個の端子が作成される。次に、電圧源を選択に制御して電気接続における(即ち、5つの端子における)電圧極性を変化させ、第1及び第3の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することによって、eヒューズのプログラミング及び再プログラミング・プロセスを実行することができる。第1及び第3の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御して、高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面における第1及び第3の導体層内(即ち、第2の導体層との界面における第1の導体層内、及び第2及び第4の導体層との界面における第3の導体層内)の非破壊的な開路及び/又は短絡を形成することができる。前の実施形態と同様に、こうした開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することによって、eヒューズを多数の異なる状態のいずれか1つにプログラミング又は再プログラミングすることができる。
本発明の実施形態は、必ずしも一定尺度で描かれてはいない添付図面に関連した以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。
11プログラミング状態におけるeヒューズを示す、eヒューズ・プログラミング及び再プログラミング回路の一実施形態の概略図である。 01プログラミング状態におけるeヒューズを示す、図1のeヒューズ・プログラミング及び再プログラミング回路の一実施形態の概略図である。 11再プログラミング状態におけるeヒューズを示す、図1のeヒューズ・プログラミング及び再プログラミング回路の一実施形態の概略図である。 10プログラミング状態におけるeヒューズを示す、図1のeヒューズ・プログラミング及び再プログラミング回路の一実施形態の概略図である。 00プログラミング状態におけるeヒューズを示す、図1のeヒューズ・プログラミング及び再プログラミング回路の一実施形態の概略図である。 eヒューズ・プログラミング及び再プログラミング回路の別の実施形態の概略図である。 eヒューズ・プログラミング及び再プログラミング方法の一実施形態を示すフロー図である。 eヒューズ・プログラミング及び再プログラミング方法の別の実施形態を示すフロー図である。
本発明の実施形態並びにその種々の特徴及び利点を、添付の図面に示され、以下の説明で詳述される非限定的な実施形態に関連してより完全に説明する。
上記のことを考慮して、低電力多重状態電子ヒューズ(即ち、eヒューズ)をプログラミング及再プログラミングするための回路構造体の実施形態が、本明細書に開示される。回路の一実施形態において、eヒューズは、比較的長い導体層の同じ端部の両側上に配置された2つの比較的短い導体層を含むことができる。短い導体層は、比較的高い原子拡散抵抗を有することができ(即ち、低い原子拡散性を示すことができ)、長い導体層は、比較的低い原子拡散抵抗を有することができる(即ち、高い原子拡散性を示すことができる)。電圧源を長い導体層の両端に接続し、同じく短い導体層のそれぞれに接続して、eヒューズ構造体が4つの端子を有するようにすることができる。電圧源を選択的に制御して、異なる端子に印加される電圧の極性、及び随意的に大きさを変化させることができる。異なる端子における電圧の極性(及び大きさ)を変化させることによって、長い導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することができる。長い導体層内の電子の2方向の流れを制御することによって、長い導体層・短い導体層間の界面における非破壊的な開路及び短絡の形成を選択的に制御して、複数の異なるプログラミング状態を実現することができる。回路の他の実施形態は、さらに多くのプログラミング状態を可能にするように、付加的な導体層及び付加的な端子を有するeヒューズを組み込む。関連したeヒューズのプログラミング及び再プログラミング方法の実施形態も開示される。
より具体的には、低電力多重状態の電子ヒューズ(即ち、eヒューズ)をプログラミング及再プログラミングするための回路構造体の実施形態が、本明細書に開示される。
図1を参照すると、回路構造体100の一実施形態が、eヒューズ150、選択的に制御可能な電圧源170、及びeヒューズ150と電圧源170の間の電気接続161−164を含むことができる。
eヒューズ150は、第1の導体層110と、第1の導体層110上の第2の導体層120と、第2の導体層120上の第3の導体層130とを含むことができる。第1の導体層110及び第3の導体層130は、第2の導体層120と比べて短くすることができ、さらに第2の導体層120の両側121、122上(即ち、上及び下)に、一方の端部123(即ち、近位端)に隣接して配置することができる。さらに、この実施形態において、第1の導体層110及び第3の導体層130のそれぞれは、第2の導体層120と比べて、比較的高い原子拡散抵抗を有する。具体的には、第2の導体層120は、低い原子拡散抵抗を示す(即ち、高い原子拡散性を示す)任意の適切な導電性材料を含むことができる。例えば、第2の導体層120は、銅又はアルミニウムを含むことができる。反対に、第1及び第3の導体層110、130は、高い原子拡散抵抗を示す任意の適切な導電性材料(即ち、低い原子拡散性を示す導電性拡散障壁材料)を含むことができる。例えば、第1及び第3の導体層は、コバルト、クロム、ルテニウム、タンタル、窒化タンタル、酸化インジウム、タングステン、窒化タングステン、チタン及び窒化チタン、又はそれらの任意の適切な合金を含むことができる。第1及び第3の導体層110、130は、同じ導電性拡散障壁材料又は異なる導電性拡散障壁材料を含むことができる。
電圧源170とeヒューズ150上の種々の位置との間の電気接続161−164は、端子を形成する。具体的には、電圧源170と第1の導体層110との間の電気接続161は、第1の端子を形成する。電圧源170と第3の導体層130との間の電気接続162は、第2の端子を形成する。最後に、電圧源170と第2の導体層120の両端部(即ち、近位端123及び遠位端124)との間の電気接続は、それぞれ第3及び第4の端子を形成する。従って、この実施形態において、eヒューズ150は、4つの別個の端子を有する。
電圧源170は、選択的に制御可能であり(即ち、例えば、コントローラ180からの制御信号によって選択的に制御されるように適合され、選択的に制御されるように構成され)、電気接続161−164における(即ち、4つの端子における)電圧の極性及び随意的には電圧の大きさを変化させことができる。つまり、電圧源170は、通常の電圧極性スイッチング回路を含むことができる。当業者であれば、電圧極性スイッチング回路は周知のものであり、従って、読者がここに説明される実施形態の顕著な態様に集中するのを可能にするために、こうしたスイッチング回路の具体的な詳細が省略されることを認識するであろう。
電気接続161−163における電圧の極性及び随意的に電圧の大きさを選択的に変化させることによって、第2の導体層120内の電子の2方向の流れを選択的に制御することができる。第2の導体層120内の電子の2方向の流れを選択的に制御することによって、高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面125、126(即ち、第2の導体層120と第1の導体層110及び第3導体層130との間の界面125、126)における第2の導体層内での非破壊的な開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することができる。こうした開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することによって、4つの異なるプラグラミング状態のいずれか1つを有するように、eヒューズ150をプログラミング又は再プログラミングすることができる。これらの状態は、以下、11、01、10、及び00と呼び、図1に示されるような状態11は、どのような開路もなく、全ての端子161−164が電気的に接続される(即ち、第2の導体層120と、第1の導体層110及び第3の導体層130の両方との間の界面125−126に短絡が存在する)初期状態(即ち、ベースライン状態)を構成し、それぞれ図2、図4、及び図5に示されるような状態01、10、及び00は、第2の導体層120と第1の導体層110及び第3の導体層130との間の界面125、126に1つ又は複数の開路を有するプログラミング状態を構成する。
例えば、eヒューズ150を初期の11状態から01状態にプログラミングし、要求に応じて、再び11状態に再プログラミングすることができる。具体的には、図2を参照すると、制御信号により、電圧源170が負電圧を第1の導体層110に(即ち、第1の端子161に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加することができる。これにより第2の導体層内の電子が、第1の導体層110と第2の導体層120との間の界面125から、第2の導体層120の遠位端124に向かって(即ち、第4の端子164に向かって)流れる220。この方向に流れる電子は、界面125から離れる、第2の導電体材料(即ち、第2の導体層120を構成する導電性材料)の原子拡散を引き起こし、従って開路201(即ち、ボイド)を生成する。この開路201は、端子161を他の端子162−164から効果的に切断する。電子は、界面126を横切って流れない。その結果、第2の導電体材料は、第3の導体層130と第2の導体層120の間の界面126に留まる(即ち、短絡が界面126にそのまま残る)。
図3に示すように、この01状態を反転させるために、別の制御信号により、電圧源170が負電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の近位端123(即ち、第3の端子163)に印加することができる。これにより第2の導体層内の電子が、再び第2の導体層120の近位端123に向かって(即ち、第3の端子163に向かって)流れ320、これにより第2の導体層120を構成する導電性材料の原子拡散が生じ、ボイド201内が第2の導電体材料で充填され、第1の導体層110との界面125に短絡が再生成される(即ち、端子161が他の端子162−163に再結合される)。
同様に、eヒューズ150を初期の11状態から10状態にプログラミングし、要求に応じて、再び11状態に再プログラミングすることができる。具体的には、図4を参照すると、制御信号により、電圧源170が負電圧を第3の導体層130に(即ち、第2の端子162に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加する。これにより第2の導体層120内の電子が、第3の導体層130と第2の導体層120との間の界面126から、第2の導体層120の遠位端124に向かって(即ち、第4の端子164に向かって)流れる420。この方向に流れる電子は、界面126から離れる、第2の導電体材料(即ち、第2の導体層120を構成する導電性材料)の原子拡散を引き起こし、従って開路403(即ち、ボイド)を生成する。この開路403は、端子162を他の端子161、163、164から効果的に切断する。電子は、界面125を横切って流れない。その結果、第2の導電体材料は、第1の導体層110と第2の導体層120との間の界面125に留まる(即ち、短絡が界面125にそのまま残る)。
図3に示すように、この10状態を反転させるために、別の制御信号により、電圧源170が負電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の近位端123に(即ち、第3の端子163に)印加することができる。これにより第2の導体層120内の電子が、再び第2の導体層120の近位端123に向かって(即ち、第3の端子163に向かって)流れ320、これにより第2の導電体材料の原子拡散が生じ、ボイド403内が第2の導電体材料で充填され、第3の導体層130との界面126に短絡が再生成される(即ち、端子162が端子161及び163−164に再結合される)。
最後に、eヒューズ150を同様に初期の11状態から00状態にプログラミングし、要求に応じて、再び11状態に再プログラミングすることができる。具体的には、図5を参照すると、制御信号により、電圧源170が負電圧を第1の導体層110(即ち、第1の端子161)及び第3の導体層130(即ち、第2の端子162)に印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の遠位端124(即ち、第4の端子164)に印加することができる。これにより第2の導体層120内の電子が、第2の導体層120と第1の導体層110及び第3の導体層130の両方との間の界面125及び126から(即ち、第1の端子161及び第2の端子162から)、第2の導体層120の遠位端124に向かって(即ち、第4の端子164に向かって)流れる520。このように流れる電子は、界面125及び126の両方において第2の導電体材料(即ち、第2の導体層120を構成する導電性材料)の原子拡散を引き起こし、従って開路501、503(即ち、ボイド)を生成する。これらの開路501、503は、端子161及び162の各々を他の端子163及び164から効果的に切断する。
図3に示すように、この00状態を反転させるために、別の制御信号により電圧源170が負電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の近位端123に(即ち、第3の端子163に)印加して、開路501、503内を充填し、これらの界面125、126において再び短絡を生成する(即ち、端子161及び162を再結合させる)ことができる。
これらのプログラミング及び再プログラミング・プロセス中、異なる端子における電圧の大きさを調整して、プログラミング及び/又は再プログラミング・プロセスを促進させ得ることに留意すべきである。
再び図1を参照すると、eヒューズ150において、第2の導体層120の近位端123における界面125、126のいずれかから、第2の導体層120の遠位端124における電気接続164までの距離191は、界面125、126におけるボイドの形成を可能にするのに十分な所定の距離にする必要があることに留意すべきである。具体的には、この距離191は、第2の導電体材料(即ち、第2の導体層を構成する導電性材料)の原子拡散特性、並びに、第2及び第3の導体層のサイズ(又は、より具体的には、界面のサイズ)に基づいて決定される臨界ボイド長(voiding length)よりも大きくすべきである。第2及び第3の導体層のサイズ(例えば、長さ及び幅)は、eヒューズを製造するのに用いる技術ノードによって実現可能な任意のサイズにすることができる。例示の目的のために、界面125及び126は、位置合わせされた状態で示されるが、界面125及び126は、X方向又はZ方向にオフセットしてもよいことが予想される。
図6を参照すると、回路構造体600の別の実施形態が、eヒューズ650、選択的に制御可能な電圧源670、及びeヒューズ650と電圧源670との間の電気接続661−665を含むことができる。
eヒューズ650は、付加的な導体層を含み、より多くの高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面、より多くの端子、従ってより多くのプログラミング状態を可能にすることができる。例えば、eヒューズ650は、第1の導体層610と、第1の導体層610の上の第2の導体層620と、第2の導体層620の上の第3の導体層630と、第3の導体層630の上の第4の導体層640とを含むことができる。この実施形態において、第2及び第4の導体層620、640は、第1及び第3の導体層610、630と比べて短くすることができる。さらに、第2及び第4の導体層620、640を、第1及び第3の導体層610、630の近位端613、633に配置することができる。さらに、この実施形態において、第2の導体層620及び第4の導体層640の各々は、第1の導体層610及び第3の導体層630と比べて比較的高い原子拡散抵抗を有することができる。
具体的には、第1の導体層610及び第3の導体層630は、低い原子拡散抵抗を示す(即ち、高い拡散性を示す)任意の適切な導電性材料を含むことができる。例えば、第1及び第3の導体層610、630は、銅又はアルミニウムを含むことができる。第1及び第3の導体層610、630は、同じ材料又は異なる材料のいずれかで構成され得ることに留意すべきである。反対に、第2及び第4の導体層620、640は、高い原子拡散抵抗を示す任意の適切な導電性材料(即ち、低い拡散性を示す導電性拡散障壁材料)を含むことができる。例えば、第2及び第4の導体層620、640は、コバルト、クロム、ルテニウム、タンタル、窒化タンタル、酸化インジウム、タングステン、窒化タングステン、チタン及び窒化チタン、又はこれらの任意の適切な合金を含むことができる。第2及び第4の導体層620、640は、同じ導電性拡散障壁材料又は異なる導電性拡散障壁材料のいずれかで構成され得ることに留意すべきである。
電圧源670とeヒューズ650上の種々の位置との間の電気接続661−665は、端子を形成する。これらの電気接続は、電圧源670と第1の導体層610の両端613、614(即ち、近位端及び遠位端)との間の電気接続661及び663、電圧源670と第3の導体層630の両端633、634(即ち、近位端及び遠位端)との間の電気接続664及び665、並びに、電圧源670と第4の導体層640との間の電気接続662を含む。従って、この実施形態において、eヒューズ650は、5つの別個の端子を有することができる。
電圧源670は、選択的に制御可能であり(即ち、例えばコントローラ680からの制御信号によって、選択的に制御されるように適合され、選択的に制御されるように構成され)、電気接続661−665における(即ち、5つの端子における)電圧の極性及び随意的には電圧の大きさを変化させることができる。つまり、電圧源670は、通常の電圧極性スイッチング回路を含むことができる。当業者であれば、電圧極性スイッチング回路は周知のものであり、従って、読者がここに説明される実施形態の顕著な態様に集中できるように、こうしたスイッチング回路の具体的な詳細は省略されることを認識するであろう。
端子661−665における電圧の極性及び随意的に大きさを変化させることによって、第1及び第3の導体層610及び630内の電子の2方向の流れを選択的に制御することができる。第1及び第3の導体層610、630内の電子の2方向の流れを選択的に制御することによって、高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面616、635、636における第1及び第3の導体層610、630内(即ち、第2の導体層620との界面における第1の導体層610内、並びに、それぞれ第2の導体層620及び第4の導体層640との界面635、636における第3の導体層630の内)の非破壊的な開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することができる。前の実施形態と同様に、こうした開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することによって、多数の異なる状態のいずれか1つを有するように、eヒューズ650をプログラミング又は再プログラミングすることができる。
図7及び図8を参照すると、関連したeヒューズのプログラミング及び再プログラミング方法の実施形態もまた、本明細書に開示される。この方法の実施形態は、eヒューズを準備することと、電圧源をeヒューズ上の異なる位置に電気的に接続することと、電圧源を選択的に制御して異なる位置における電圧の極性及び随意的に大きさを選択的に変化させることによって、eヒューズのプログラミング及び再プログラミング・プロセスを実行することとを含む。
具体的には、図7を参照すると、1つの方法の実施形態が、図1に示され、第1の回路構造体の実施形態100に関して詳述されたeヒューズ150を準備することを含むことができる(702)。eヒューズ150、及びより具体的には、通常の後工程(BEOL)処理中(即ち、メタライゼーション層の形成中)、周知の減法エッチング、ダマシン及びデュアル・ダマシン技術を用いて、半導体ウェハ上にeヒューズ150を構成する異なる導体層110、120、130を形成することができ、読者がここに説明される実施形態の顕著な態様に集中できるように、その具体的な詳細は省略されることに留意すべきである。
次に、電気接続161−164を、電圧源170と第1の導体層110との間に形成して第1の端子を生成し、電圧源と第3の導体層130との間に形成して第2の端子を生成し、電圧源170と第2の導体層120の両端(即ち、近位端123及び遠位端124)との間に形成して、それぞれ第3の端子及び第4の端子を形成し、その結果、eヒューズは4つの別個の端子を有する(704)。
次に、電圧源170を選択的に制御して(即ち、コントローラ180からの制御信号を介して)4つの端子における電圧の極性及び随意的に大きさを変化させることを可能にし、第2の導体層120内の電子の2方向の流れを選択的に制御することによって、eヒューズのプログラミング及び再プログラミング・プロセスを実行することができる(706)。第2の導体層120内の電子の2方向の流れを選択的に制御して、高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面125、126において(即ち、第2の導体層120と第1の導体層110及び第3の導体層130との間の界面125、126において)第2の導体層120内に非破壊的な開路及び/又は短絡を選択的に形成することができ、それにより、4つの異なるプログラミング状態のいずれか1つを有するように、eヒューズ150をプログラミング又は再プログラミングすることができる。これらの状態は、以下、11、01、10、及び00と呼び、状態11は、どのような開路もなく、全ての端子が電気的に接続される(即ち、第2の導体層120と、第1の導体層110及び第3の導体層130の両方との間の界面125、126に短絡が存在する)初期状態(即ち、ベースライン状態)を構成し、それぞれ状態01、10、及び00は、第2の導体層120と第1の導体層110及び第3の導体層130との間の界面125、126に1つ又は複数の開路を有するプログラミング状態を構成する。
例えば、eヒューズ150を初期の11状態から01状態にプログラミングし、要求に応じて、再び11状態に再プログラミングすることができる。具体的には、負電圧を第1の導体層110に(即ち、第1の端子161に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加することによって、第1のプログラミング・プロセスを実行することができる(707、図2を参照されたい)。これにより、第2の導体層120内の電子が、第1の導体層110と第2の導体層120との間の界面125から、第2の導体層120の遠位端124に向かって(即ち、第4の端子164に向かって)流れる220。この方向に流れる電子は、界面125において、第2の導電体材料(即ち、第2の導体層120を構成する導電性材料)の原子拡散を引き起こし、従って開路201(即ち、ボイド)を生成する。この開路201は、端子161を他の端子162−164から効果的に切断する。電子は、界面126を横切って流れない。その結果、第2の導電体材料は、第3の導体層130と第2の導体層120との間の界面126に留まる(即ち、短絡は界面126にそのまま残る)。この01状態を反転させるために、負電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の近位端123に(即ち、第3の端子163に)印加することによって、第2のプログラミング・プロセスを実行することができる(713、図3を参照されたい)。これにより第2の導体層120内の電子が、再び第2の導体層120の近位端123に向かって(即ち、第3の端子163に向かって)流れ320、これにより第2の導電体材料の原子拡散が生じ、開路201内を充填して、第1の導体層110との界面125において短絡を再生成する(即ち、端子161を他の端子162−163に再結合する)。
同様に、eヒューズ150を初期の11状態から10状態にプログラミングし、要求に応じて、再び11状態に再プログラミングすることができる。具体的には、負電圧を第3の導体層130に(即ち、第2の端子162に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加することによって、第1のプログラミング・プロセスを実行することができる(709、図4を参照されたい)。これにより第2の導体層120内の電子が、第3の導体層130と第2の導体層120との間の界面126から、第2の導体層120の遠位端124に向かって(即ち、第4の端子164に向かって)流れる。この方向に流れる電子は、界面126における、第2の導電体材料(即ち、第2の導体層120を構成する導電性材料)の原子拡散を引き起こし、従って開路403(即ち、ボイド)を生成する。この開路403は、端子162を他の端子161及び163−164から効果的に切断する。電子は、界面125を横切って流れない。その結果、第2の導電体材料は、第1の導体層110と第2の導体層120との間の界面125に留まる(即ち、短絡が界面125にそのまま残る)。この10状態を反転させるために、負電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の近位端123に(即ち、第3の端子163に)印加することによって、第2のプログラミング・プロセスを実行することができる(713、図3を参照されたい)。これにより第2の導体層120内の電子が、再び第2の導体層120の近位端123に向かって(即ち、第3の端子163に向かって)流れ320、これにより第2の導電体材料の原子拡散が生じ、開路403が充填され、第3の導体層130との界面126において短絡が再生成される(即ち、端子162が端子161及び163−164に再結合される)。
最後に、eヒューズ150を同様に初期の11状態から00状態にプログラミングし、要求に応じて、再び11状態に再プログラミングすることができる。具体的には、負電圧を第1の導体層110(即ち、第1の端子161)及び第3の導体層130(即ち、第2の端子162)に印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加することによって、第1のプログラミング・ステップを実行することができる(711、図5を参照されたい)。これにより第2の導体層120内の電子が、第2の導体層120と第1の導体層110及び第3の導体層130の両方との間の界面125及び126から(即ち、第1の端子161及び第2の端子162から)、第2の導体層120の遠位端124に向かって(即ち、第4の端子164に向かって)流れる520。このように流れる電子は、界面125及び126から離れる、第2の導電体材料(即ち、第2の導体層120を構成する導電性材料)の原子拡散を引き起こし、従って開路501、503(即ち、ボイド)を生成する。これらの開路501、503は、端子161及び162の各々を他の端子から効果的に切断する。この00状態を反転させるために、負電圧を第2の導体層120の遠位端124に(即ち、第4の端子164に)印加し、同時に正電圧を第2の導体層120の近位端123に(即ち、第3の端子163に)印加することによって、第2のプログラミング・プロセスを実行して、開路501、503内を充填し、これらの界面125、126において短絡を再生成する(即ち、端子161及び162を再結合する)ことができる。
本方法の別の実施形態は、付加的な導体層を準備して、より多くの高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面、より多くの端子を可能にし、従ってより多くのプログラミング状態を可能にすることを含むことができる。具体的には、図8を参照すると、本方法の別の実施形態が、図6に示され、第1の回路構造体の実施形態600に関して上で詳述したもののようなeヒューズ650を準備することを含むことができる(802)。通常の後工程(BEOL)処理中(即ち、メタライゼーション層の形成中)、周知の減法エッチング、ダマシン及びデュアル・ダマシン技術を用いて、半導体ウェハ上に、eヒューズ650、及びより具体的にはeヒューズ650を構成する異なる導体層610、620、630、及び640を形成することができ、これら技術の具体的詳細は、読者がここに説明される実施形態の顕著な態様に集中できるように省略されることに留意すべきである。
次に、電気接続661−665を、電圧源670と第1の導体層610の両端613、614(即ち、第1の導体層610の近位端613及び遠位端614)との間に形成してそれぞれ第1の端子及び第3の端子を生成し、電圧源と第4の導体層640との間に形成して第2の端子を生成し、電圧源670と第3の導体層630の両端633、634(即ち、第3の導体層630の近位端633及び遠位端634)との間に形成して第4及び第5の端子を生成することができる(804)。従って、この実施形態において、eヒューズは5つの別個の端子を有する。
次に、電圧源670を選択的に制御して(例えば、コントローラ680からの制御信号を介して)電気接続661−665における(即ち、5つの端子における)電圧の極性を変化させ、第1及び第3の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することによって、eヒューズのプログラミング及び再プログラミング・プロセスを実行することができる(806)。第1及び第3の導体層610、630内の電子の2方向の流れを選択的に制御して、高原子拡散抵抗・低原子拡散抵抗間の界面616、635、636において(即ち、第2の導体層620との界面616における第1の導体層610内、並びに、第2の導体層620との界面635及び第4の導体層640との界面636における第3の導体層630内)において、第1及び第3の導体層610、630内に非破壊的な開路及び/又は短絡を形成することができる。前の方法の実施形態と同様に、こうした開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御することによって、多数の異なる状態のいずれか1つを有するように、eヒューズ650をプログラミング又は再プログラミングすることができる。
いずれかの導体層(例えば、図1の第2の導体層120又は図6の第1及び第3の導体層610及び630)に関して本明細書で用いられる「近位端」という語句は、他の導体層との1つ又は複数の界面に最も近い端部を指し、いずれかの導体層に関して本明細書で用いられる「遠位端」という語句の使用は、こうした界面から最も遠い端部を指すことを理解すべきである。さらに、以下の特許請求の範囲における全ての「手段又はステップと機能との組合せ(ミーンズ又はステップ・プラス・ファンクション)」要素の対応する構造、材料、行為及び均等物は、その機能を、明確に特許請求されているように他の特許請求された要素と組み合わせて実行するための、いかなる構造、材料又は行為をも含むことが意図されることを理解すべきである。さらに、本発明の上記の説明は、例示及び説明の目的で提示されたものであるが、網羅的であることを意図するものでもなく、又は本発明を開示された形態に限定することを意図するものでもない。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、多くの変更及び変形が、当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際の用途を最も良く説明するため、及び、当業者が本発明を種々の変更を有する種々の実施形態について企図される特定の使用に好適なものとして理解することを可能にするために、選択され、説明された。周知の構成要素及び処理技術は、本発明の実施形態を不必要に不明瞭にしないために、上記の説明においては省略されている。
最後に、上記の説明において用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的のためのものにすぎず、本発明を限定することを意図するものではないことも理解すべきである。例えば、本明細書で用いられるとき、単数形「1つの(a)」、「1つの(an)」及び「その(the)」は、そうでないことが示されていない限り、複数形も含むことが意図されている。さらに、本明細書で用いられるとき、「含む(comprises)」、「含んでいる(comprising)」、及び/又は「組み込んでいる(incorpotaing)」という用語は、提示された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び/又は構成要素の存在を特定するものであるが、1つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び/又はそれらのグループの存在又は追加を排除するものではない。
従って、低電力多重状態の電子ヒューズ(即ち、eヒューズ)をプログラミング及び再プログラミングするための回路構造体の実施形態が、上記に開示される。回路の一実施形態において、eヒューズは、比較的長い導体層の同じ端部の両側上に配置された2つの比較的短い導体層を備えることができる。短い導体層は、比較的高い原子拡散抵抗を有することができ(即ち、低い原子拡散性を示すことができる)、長い導体層は、比較的低い原子拡散抵抗を有することができる(即ち、高い原子拡散性を示すことができる)。電圧源を長い導体層の両端に電気的に接続し、同じく短い導体層のそれぞれに接続して、eヒューズ構造体が4つの端子を有するようにすることができる。電圧源を選択的に制御して、異なる端子に印加する電圧の極性及び随意的に大きさを変化させることができる。異なる端子における電圧の極性(及び大きさ)を変化させることによって、長い導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御することができる。長い導体層内の電子の2方向の流れを制御することによって、長い導体層・短い導体層間の界面における非破壊的な開路及び/又は短絡の形成を選択的に制御して、複数の異なるプログラミング状態を実現することができる。回路の他の実施形態は、さらに多くのプログラミング状態を可能にするように、付加的な導体層及び付加的な端子を有するeヒューズを組み込むことができる。関連したeヒューズのプログラミング及び再プログラミング方法の実施形態も開示される。上述の実施形態は、低電力の非破壊的なプログラミング及び再プログラミングを可能にし、既存の後工程(BEOL)メタライゼーション・プロセスと完全に両立性があるという利点を有する。
11、01、10、00:プログラミング状態
100、600:回路構造体
110、610:第1の導体層
120、620:第2の導体層
121、122:第2の導体層の両側
123、613、633:近位端
124,614、634:遠位端
125、126、635、636:界面
130、630:第3の導体層
150、650:eヒューズ
161、162、163、164、661、662、663、664、665:電気接続(端子)
170、670:電圧源
180、680:コントローラ
201、403、501、503:開路(ボイド)
640:第4の導体層

Claims (20)

  1. 第1の導体層と、
    前記第1の導体層上の第2の導体層と、
    前記第2の導体層上の第3の導体層と、
    を含むヒューズであって、前記第1の導体層及び前記第3の導体層の各々は前記第2の導体層に比べて比較的高い原子拡散抵抗を有する、ヒューズと、
    電圧源と、
    前記電圧源と前記第1の導体層との間、前記電圧源と前記第2の導体層の両端との間、及び前記電圧源と前記第3の導体層との間の電気接続であって、前記電圧源は選択的に制御可能であり、前記電気接続のうちの選択されたものにおける電圧極性を変化させて、前記第2の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御し、それにより前記第1の導体層及び前記第3の導体層との界面における前記第2の導体層内での非破壊的な開路及び短絡のいずれかの形成を選択的に制御することができる、電気接続と、
    を含む回路構造体。
  2. 前記第2の導体層は近位端と、前記近位端とは反対側の遠位端とを有し、前記第1の導体層及び前記第3の導体層の各々は、前記第2の導体層に比べて短く、さらに前記第2の導体層の前記近位端の両側上にこれに隣接して配置される、請求項1に記載の回路構造体。
  3. 前記電圧源はさらに、前記電気接続のうちの選択されたものにおける電圧の大きさを変化させることができるように選択的に制御可能である、請求項1に記載の回路構造体。
  4. 前記電圧源は、負電圧を前記第3の導体層に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加して、前記第3の導体層との界面に開路を生成し、
    前記電圧源はさらに、負電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記近位端に印加して前記開路を充填し、前記第3の導体層との前記界面に短絡を再生成する、請求項2に記載の回路構造体。
  5. 前記電圧源は、負電圧を前記第1の導体層に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加して前記第1の導体層との界面に開路を生成し、
    前記電圧源はさらに、負電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記近位端に印加して前記開路を充填し、前記第1の導体層との前記界面に短絡を再生成する、請求項2に記載の回路構造体。
  6. 前記電圧源は、負電圧を前記第1の導体層及び前記第3の導体層に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加して前記界面に開路を生成し、
    前記電圧源はさらに、負電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記近位端に印加して前記回路を充填し、前記界面に短絡を再生成する、請求項2に記載の回路構造体。
  7. 前記第2の導体層は銅及びアルミニウムのいずれかを含む、請求項1に記載の回路構造体。
  8. 前記第1の導体層及び前記第3の導体層の各々は導電性拡散障壁材料を含む、請求項1に記載の回路構造体。
  9. 前記導電性拡散障壁材料は、コバルト、クロム、ルテニウム、タンタル、窒化タンタル、酸化インジウム、タングステン、窒化タングステン、チタン及び窒化チタンのうちのいずれかを含む、請求項8に記載の回路構造体。
  10. 第1の導体層と、
    前記第1の導体層の上の第2の導体層と、
    前記第2の導体層の上の第3の導体層と、
    前記第3の導体層の上の第4の導体層と、
    を含むヒューズであって、前記第2の導体層及び前記第4の導体層の各々は前記第1の導体層及び前記第3の導体層に比べて比較的高い原子拡散抵抗を有する、ヒューズと、
    電圧源と、
    前記電圧源と前記第1の導体層の両端との間、前記電圧源と前記第3の導体層の両端との間、及び前記電圧源と前記第4の導体層との間の電気接続であって、前記電圧源は選択的に制御可能であり、前記電気接続における電圧極性を変化させて前記第1の導体層及び前記第3の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御し、それにより前記第2の導体層との界面における前記第1の導体層内、並びに、前記第2の導体層及び前記第4の導体層との界面における前記第3の導体層内での非破壊的な開路及び短絡のいずれかの形成を選択的に制御することができる、電気接続と、
    を含む回路構造体。
  11. 前記第2の導体層及び前記第4の導体層の各々は、前記第1の導体層及び前記第3の導体層に比べて短い、請求項10に記載の回路構造体。
  12. 前記電圧源はさらに、前記電気接続のうちの選択されたものにおける電圧の大きさを変化させることができるように選択的に制御可能である、請求項10に記載の回路構造体。
  13. 前記第1の導体層及び前記第3の導体層の各々は銅及びアルミニウムのいずれかを含む、請求項10に記載の回路構造体。
  14. 前記第2の導体層及び前記第4の導体層の各々は導電性拡散障壁材料を含む、請求項10に記載の回路構造体。
  15. 前記導電性拡散障壁材料は、コバルト、クロム、ルテニウム、タンタル、窒化タンタル、酸化インジウム、タングステン、窒化タングステン、チタン及び窒化チタンのうちのいずれかを含む、請求項14に記載の回路構造体。
  16. ヒューズのプログラミング及び再プログラミング方法であって、
    第1の導体層と、前記第1の導体層上の第2の導体層と、前記第2の導体層上の第3の導体層とを含むヒューズを準備することであって、前記第1の導体層及び前記第3の導体層の各々は前記第2の導体層に比べて比較的高い原子拡散抵抗を有し、前記第2の導体層は近位端と、前記近位端とは反対側の遠位端とを有し、前記第1の導体層及び前記第3の導体層は前記第2の導体層に比べて短く、かつ、前記第2の導体層の前記近位端の両側上にこれに隣接して配置される、準備することと、
    電圧源と前記第1の導体層との間、前記電圧源と前記第2の導体層の両端との間、及び前記電圧源と前記第3の導体層との間に電気接続を形成することと、
    前記電圧源を選択的に制御して前記電気接続における電圧極性を変化させ、前記第2の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御し、それにより前記第1の導体層及び前記第3の導体層との界面における前記第2の導体層内での非破壊的な開路及び短絡のいずれかの形成を選択的に制御することによって、プログラミング及び再プログラミング・プロセスを実行することと、
    を含む方法。
  17. 前記プログラミング及び再プログラミング・プロセスを実行することは、
    負電圧を前記第3の導体層に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加して前記第3の導体層との界面に開路を生成することによって、第1のプログラミング・プロセスを実行することと、
    正電圧を前記第2の導体層の前記近位端に印加し、同時に負電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加して前記開路を充填し、前記第3の導体層との前記界面に短絡を生成することによって、第2のプログラミング・プロセスを実行することと、
    をさらに含む、請求項16に記載の方法。
  18. 前記プログラミング及び再プログラミング・プロセスを実行することは、
    負電圧を前記第1の導体層に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加して前記第1の導体層との界面に開路を生成することによって、第1のプログラミング・プロセスを実行することと、
    負電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記近位端に印加して前記開路を充填し、前記第1の導体層との前記界面に短絡を生成することによって、第2のプログラミング・プロセスを実行することと、
    をさらに含む、請求項16に記載の方法。
  19. 前記プログラミング及び前記再プログラミング・プロセスを実行することは、
    負電圧を前記第1の導体層及び前記第3の導体層に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加して前記界面に前記開路を生成することによって、第1のプログラミング・プロセスを実行することと、
    負電圧を前記第2の導体層の前記遠位端に印加し、同時に正電圧を前記第2の導体層の前記近位端に印加して前記開路を充填し、前記界面に前記短絡を生成することによって、第2のプログラミング・プロセスを実行することと、
    をさらに含む、請求項16に記載の方法。
  20. ヒューズのプログラミング及び再プログラミング方法であって、
    第1の導体層と、前記第1の導体層の上の第2の導体層と、前記第2の導体層の上の第3の導体層と、前記第3の導体層の上の第4の導体層とを含むヒューズを準備することであって、前記第2の導体層及び前記第4の導体層の各々は前記第1の導体層及び前記第3の導体層に比べて比較的高い原子拡散抵抗を有する、準備することと、
    電圧源と前記第1の導体層の両端との間、前記電圧源と前記第3の導体層の両端との間、及び前記電圧源と前記第4の導体層との間に電気接続を形成することと、
    前記電圧源を選択的に制御して前記電気接続における電圧極性を変化させ、前記第1の導体層及び前記第3の導体層内の電子の2方向の流れを選択的に制御し、それにより前記第2の導体層との界面における前記第1の導体層内、並びに、前記第2の導体層及び前記第4の導体層との界面における前記第3の導体層内での非破壊的な開路及び短絡のいずれかの形成を選択的に制御することによって、プログラミング及び再プログラミング・プロセスを実行することと、
    を含む方法。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9269432B2 (en) * 2014-01-09 2016-02-23 Micron Technology, Inc. Memory systems and memory programming methods
JP6122921B2 (ja) * 2015-08-31 2017-04-26 本田技研工業株式会社 鞍乗り型車両
US10971447B2 (en) * 2019-06-24 2021-04-06 International Business Machines Corporation BEOL electrical fuse

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0613465A (ja) * 1992-06-25 1994-01-21 Seiko Epson Corp 半導体装置
JPH07312390A (ja) * 1994-01-12 1995-11-28 Texas Instr Inc <Ti> リプログラマブル電気回路及びリプログラマブル性を可能にするための接続変更方法
JP2001237380A (ja) * 2000-02-25 2001-08-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 可変抵抗素子およびそれを用いた半導体装置
JP2007305693A (ja) * 2006-05-09 2007-11-22 Nec Electronics Corp 半導体装置および電気ヒューズの切断方法
JP2008053717A (ja) * 2006-08-25 2008-03-06 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 耐熱シ−ルド低電力pcmベース再プログラム可能efuseデバイス
US7388273B2 (en) * 2005-06-14 2008-06-17 International Business Machines Corporation Reprogrammable fuse structure and method
US20090045484A1 (en) * 2007-08-16 2009-02-19 International Business Machines Corporation Methods and systems involving electrically reprogrammable fuses

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5937515A (en) * 1995-04-25 1999-08-17 Johnson; Morgan T. Reconfigurable circuit fabrication method
US6100746A (en) * 1998-05-18 2000-08-08 Vanguard International Semiconductor Corporation Electrically programmable fuse
US5966339A (en) * 1998-06-02 1999-10-12 International Business Machines Corporation Programmable/reprogrammable fuse
US6609070B1 (en) * 1998-06-19 2003-08-19 Rodi Systems Corp Fluid treatment apparatus
US7459763B1 (en) * 2001-10-02 2008-12-02 Actel Corporation Reprogrammable metal-to-metal antifuse employing carbon-containing antifuse material
US7227170B2 (en) * 2003-03-10 2007-06-05 Energy Conversion Devices, Inc. Multiple bit chalcogenide storage device
US7863798B2 (en) * 2004-10-04 2011-01-04 The Regents Of The University Of California Nanocrystal powered nanomotor
US7298639B2 (en) * 2005-05-04 2007-11-20 International Business Machines Corporation Reprogrammable electrical fuse
US20070262413A1 (en) * 2006-05-11 2007-11-15 Booth Roger A Jr E-fuse and method for fabricating e-fuses integrating polysilicon resistor masks
US7732893B2 (en) * 2007-03-07 2010-06-08 International Business Machines Corporation Electrical fuse structure for higher post-programming resistance

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0613465A (ja) * 1992-06-25 1994-01-21 Seiko Epson Corp 半導体装置
JPH07312390A (ja) * 1994-01-12 1995-11-28 Texas Instr Inc <Ti> リプログラマブル電気回路及びリプログラマブル性を可能にするための接続変更方法
JP2001237380A (ja) * 2000-02-25 2001-08-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 可変抵抗素子およびそれを用いた半導体装置
US7388273B2 (en) * 2005-06-14 2008-06-17 International Business Machines Corporation Reprogrammable fuse structure and method
JP2007305693A (ja) * 2006-05-09 2007-11-22 Nec Electronics Corp 半導体装置および電気ヒューズの切断方法
JP2008053717A (ja) * 2006-08-25 2008-03-06 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 耐熱シ−ルド低電力pcmベース再プログラム可能efuseデバイス
US20090045484A1 (en) * 2007-08-16 2009-02-19 International Business Machines Corporation Methods and systems involving electrically reprogrammable fuses

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