TW201115709A - Fuse structure - Google Patents

Description

201115709 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於熔絲結構及其形成方法，特別有關 於在半導體元件中的電性熔絲及其形成方法。 【先前技術】 在半導體工業上，熔絲元件因為各種目的而被廣泛 地使用在積體電路中，例如作為記憶體修復、類比電阻 φ 器調整以及晶片識別。舉例來說，在相同的晶片上以多 餘的§己憶胞取代有缺陷的記憶胞，可以使得記憶體的製 造產率顯著地增加。使用雷射束切斷的熔絲稱為雷射熔 絲（laser fuse)，藉由通過電流而切斷或燒斷的熔絲則稱為 電性熔絲（electrical fuse)或電子熔絲（e_fuse)。經由在具有 多重可能用途的積體電路内選擇性地燒斷熔絲，可以更 經濟地製造出一般的積體電路設計，並且適合於各種客 製用途。 Φ 電子熔絲可以併入積體電路的設計中，其中溶絲被 選擇性地燒斷，例如藉由通過足夠量的電流，使得熔斷 體（fuse link)產生電子遷移或熔融，因而形成更具有阻抗 的路徑或開路（open circuit)。然而，當大的電流穿過溶絲 時，在傳統的熔絲之陰極接觸窗會產生問題，傳統的陰 極接觸窗通常會對齊熔斷體的轴並靠近熔斷體，並且具 有非常小的接觸面積，因為傳統的陰極接觸窗靠近且對 背炫斷體，溶斷體與陰極接觸窗之間的電阻遠低於熔斷 體與陰極内的其他任何接觸窗之間的任何電阻，因此， 〇503-A34944TWF/kelly 3 201115709 此低電阻會使得大部分的電流流過陰極接觸窗。 大的電流流過陰極接觸窗會造成接觸窗内的金屬之 電子遷移至熔斷體，然後當大的電流要產生更具阻抗的 路徑或開路時，金屬的電子遷移會使得熔斷體再次讓電 路短路。此問題在晶片的高溫儲存（high temperature storage ; HTS)或烘烤製程之後會增加，因此，業界亟需 更堅固耐用的熔絲結構，以克服習知技術的缺陷。 【發明内容】 依據一實施例，熔絲結構包括··陽極、陰極、熔斷 體介於陰極與陽極之間，以及陰極連接器耗接至陰極， 母個陰極連接器等於或大於耗接至主動元件之接觸窗的 最小特徵尺寸的約兩倍。 依據另一實施例，熔絲結構包括：陽極及陰極，陰 極具有連接H祕至陰極，以及㈣㈣接在陰極與陽 極之間’每個連接器的剖面面積等於或大於㈣ 件之連接器的剖面面積。 θ依據另一實施例，熔絲結構包括：陰極、熔斷體、 陽極’在陰極之上的介電f，在陰極之上的介電質内的 開口’以及設置在開口内的金屬連接器，熔斷體耦接在 陰極與陽極之間，開口暴露出陰極的一部份，並且平行 於陰極之上表面的每個開σ之剖面面積大於最小特徵尺 寸。 為了讓本發明之上述目的、特徵、及優點能更明顯 易懂，以下配合所附圖式，作詳細說明如下： ， 〇503-A34944TWF/kelly 201115709 【實施方式】 在此所描述的實施例係有關於半導體晶片中的電性 熔絲結構，也可在其他實施例中使用電性溶絲結構。 第1圖顯示熔絲結構10，包括陰極12、溶斷體（fuse link)14以及陽極16。熔絲結構10可由金屬製成，例如 銅或類似的金屬材料，或是由多晶矽的矽化物（silieided polysilicon)製成’例如鎳化矽（NiSi)、鈦化矽（TiSi2)、姑 Φ 化石夕（C〇Six)、鉑化石夕（PtSL)或類似的材料。陰極12具有 矩形的上表面，以及兩個接觸窗（contact)18耦接至其上 表面。陽極16具有漏斗形的上表面，以及接觸窗2〇輕 接至其上表面。接觸窗18與20可包括銅、鶴或類似的 金屬，並且也可包括擴散阻障層襯塾在接觸窗與 内’擴散阻障層包括例如TiN、TaN或類似的材料。熔斷 體14的寬度（垂直於箭頭22)遠小於陰極π與]陽極16的 寬度。雖然在此描述中稱為接觸窗18與2〇，這些接觸窗 # 也可以是導孔（via)以及/或接觸孔。 相較於搞接至晶片内其他部分之主動元件，例如電 晶體閘極的接觸窗’在陰極12中，搞接陰極12的接觸 窗18之上表面面積較大，並且接觸窗18不會與由箭頭 22表示之穿過熔斷體14的長轴對齊或相交。例如，虛線 26標示出沿著熔斷體14的邊緣之長轴，其定義出在陰極 12内的一區域’此區域内無接觸窗耦接陰極I]。 在第1圖的示範性實施例中進一步說明本實施例， 其尺寸以32nm的技術世代描述，但並不限定於在此所描 0503-A34944TWF/kelly 5 201115709 述的貫施例之尺寸，在此技術領域中具有通常知識者當 可瞭解，其尺寸可依據不同的技術世代而改變。在32nm 技術世代的元件之一實施例中，陽極16中的接觸窗2〇 可以疋接觸孔或導孔，且其表面區域的寬度可約為 40mn，長度約為40nm，因此，接觸窗2〇的面積可以是 其平方。接觸窗20可作為最小特徵尺寸（minimum feature size) ’最小特徵尺寸對應至實施例的技術世代，例如為 閘極電極、接觸窗或金屬線。舉例來說，對於32nm的技 術世代而言’接觸窗的尺寸可具有介於約]5nm至約 之間的臨界尺寸（critical dimensi〇n)，導孔的尺寸可具有 介於約20nm至約5〇11111之間的臨界尺寸。因此，接觸窗 20可約等於或大於—接觸窗的最小特徵尺寸，此接觸窗 搞接至在此晶片的另—部份中的主動元件，例如電晶體 閑極’或者更進-步地，接觸窗2〇可介於一接觸窗的最 小特徵尺寸的約-倍至約兩倍之間，此接職減至在 此晶片的另-部份巾的絲元件。對於不同技術世代而 言，最小特徵尺寸具有不同的臨界尺寸。 溶斷體14的長度可約為24〇nm，且其寬度介於約 4〇nm至約60nm之間。因此，熔斷體^的寬度可約等於 或大於閘極電極的最小特徵尺寸，或者更進—步地，炼 斷體14的寬度可介於閘極電極的最小特徵尺寸的約一倍 至約兩倍之間。另外，熔斷體Η的寬度可約等於或大於 金屬線寬度的最小特徵尺寸，或者更進一步地，熔斷體 14的寬度可介於金屬線寬度的最小特徵尺寸的約-倍至 約兩倍之間。在陰極12中的接觸窗18之表面區域寬度 0503-A34944TWF/kelly 201115709 了、乃為120nm，且其長度可約為12〇nm， 18的面積可以用平方叶算， 接觸固 异’ a可料於或大於-接觸窗 的最小特徵尺寸的兩倍，此接觸窗_至在此晶片 一=份中的主動元件，或者更進—步地，接觸窗18的面 積辄圍可在耦接主動元件之接觸窗的最小特徵尺寸的約 兩倍至約四倍之間。這些尺寸可依據不同的技術世代而 改變三或者依據不同的需要以及設計需求而改變。

箭頭22也可以表示電流施加在熔絲結構1〇時電 子流動的方向。因此，在此技術領域中具有通常知識者 I以很容易理解’這些接觸窗18與熔斷體14為等距離 設置，使得熔斷體14與每個接觸窗18之間的電阻也相 等，相同的電阻可使得流過熔斷體14的電流大抵上均等 地分攤在每個接觸窗18之間，這可以降低在習知的單一 接觸窗中被隔絕的大電流。進一步地，接觸窗18的接觸 面積大抵上很大，當電流施加至熔絲結構時，可以降低 單一接觸窗18的電流密度，流過任何單一接觸窗18的 電流與電流密度的降低量，可使得熔絲結構具有更強健 的電子遷移能力，使得接觸窗18内或上方的金屬較不可 能遷移至熔斷體14 ’並使得熔絲結構1〇短路。 第2至4圖說明其他實施例，當需要更多的接觸窗 作為多餘物時，需要第2至4圖中的實施例。第2圖顯 示的熔絲結構30包括陰極32，陰極32包括由内部與外 部接觸窗34a與34b所組成的1乘4之陣列，内部與外 部的接觸窗34a與34b都稱為接觸窗34，其也可以是導 孔。接觸窗34不會與熔斷體14對齊，而是從熔斷體的 〇503-A34944TWF/kell 7 201115709 長轴偏移内部的接觸窗34a從熔斷體Μ的長軸以等距 離°又置或者從虛線26所定義的區域以等距離設置，並 且外4的接觸窗34b也從此長轴以等距㈣置。接觸窗 34具有大的接觸表面面積，每個接觸窗的長度約為 120nm’且寬度約為6Qnm，雖然其他的尺寸也可以使用。 第3圖顯示的熔絲結構40包括陰極42，陰極42包 括由，觸窗44所組成的2乘2之陣列，其也可以是導孔。 接觸窗44不會與熔斷體14對齊，並且具有相對較大的 接觸表面面積，比較靠近熔斷體14的兩個接觸窗44從 熔斷體14的長細等距離設置，並且比較遠轉斷體μ 的兩個接觸窗44也從此長軸以等距離設置。每個接觸窗 的長度約為60mn，且寬度約為12〇nm，但是豆 也可以在此實_的財慮❹。 〃的尺寸 第4圖顯示的熔絲結構5〇包括陰極52，陰極u包 括由接觸窗54所組成的2乘4之陣列，其也可以是導孔。 接觸窗54不會與溶斷體14對齊，並且具有相對較大的 接觸表面面積。多對互相對應的接觸窗54從炼斷體Μ 的長軸以等距離設置，接觸f 54_地排列在_體Μ 長軸的相反侧。每個接觸窗的長度約為6〇nm，且寬度約 為60nm，但是其尺寸可以改變。 又、 f 5A-5F圖顯示依據實施例，形絲絲結構的示範 性方法，這些圖式顯示熔絲結構的陰極之剖面如 沿著第1圖中的線A_A之陰極12。在第5a圖中，提供 半導體基底1G2，例如々、補或類㈣材料。 ⑲ 基底102中似W —凹處’並且在凹處内形成介電質， 〇503-A34944TWF/keIIy 8 201115709 產生淺溝槽隔絕區（shallow trench isolation ; STI) 104。介 電質可藉由將半導體基底102氧化而形成，或藉由在半 導體基底102之上沈積介電質而形成，或者可使用相似 的技術形成。 在第5B圖中’於半導體基底ι〇2之上形成金屬或多 晶矽層106,例如藉由全面性的沈積（blanket dep〇siti〇n) 形成。如果使用金屬，金屬層106可包括銅或類似的材 料。然後，在金屬或多晶矽層106上方形成光阻1〇8，光 阻108位於淺溝槽隔絕區104上方。將光阻1〇8的上表 面圖案化，其與第1至4圖所示之上表面的圖案相似， 在光阻108内的虛線表示在後續的熔絲結構中之熔斷體 的寬度。 在第5C圖中，進行蝕刻製程使得光阻1〇8的圖案加 在金屬或多晶矽層106上，在金屬或多晶矽層1〇6中的 虛線表示耦接至陰極的熔斷體之寬度。如果在金屬或多 晶石夕層106中使用多晶石夕，則多晶石夕可以藉由沈積金屬 並且將此結構退火而金屬矽化，此金屬例如為鈦、鈷、 鎳、鉑或類似的材料，退火後產生鈦化矽、鈷化矽、鎳 化矽、鉑化矽或其他類似的矽化物。接著，在半導體基 底102之上沈積介電層110,例如為層間介電層 dielectric ; ILD)。在介電層11〇之上沈積光阻ιΐ2，並且 將光阻112圖案化，經由開口 114暴露出在殘餘的金屬 或多晶矽層106之上的介電層11〇的一部份。 在第5D圖中，進行蝕刻製程將開口 114的圖案加到 介電層no内，形成開口 116。然後，在介電層11〇之上 〇503-A34944TWF/kelly 〇 201115709 形成另一光阻118,其具有開口 12〇圖案在其中。然後進 行等向性蝕刻，在介電層110内形成開口，使得後續形 成在開π 116内的接觸窗祕在一起，因此，此製程係 描述雙鎮嵌（dual damaseene)製程。然而，此實施例並不 限定於雙鑲嵌製程’在此技術領域中具有通常知識者當 可瞭解，單鑲嵌製程或其他類似製程的功效。 在第5E圖中，於結構上沈積順應性的擴散阻障層 122並且在擴散阻障層122上沈積金屬⑶。擴散阻障 可以是任何f知的阻障層’例如氮化鈦、氮化組 或類似的材料。金屬124可以是銅、鶴或類似的材料。 f5F圖中’多餘的金屬124被移除，並且在介電 二 之上’且不在任何開口内之擴散阻障層1.22也被 :于、例如可藉由化學機械研磨（心職 =s屬二P曰)移除’藉此形成接觸窗126耦接作為陰極 接在屬^㈣層1G6，以及形成線128將接觸窗⑶輕 間介電形成―區域’其可祕在後續的金屬層 = = mmetal _喻k ;綱中的導孔。因此， ' 南126具有較大的接觸面積，並且不會斜 :何::體，炼斷體由虛線標示。此製 ’ 圖所不之熔絲結構1〇 土斯罘i 通常知識者當可瞭解，7么疋在此技術領域中具有 ^ ^ '、 可對製程進行任何所需的修改， 以= 他實施例’例如第2至4圖所示之結構。 示範實施例，形絲絲結構的另一 例如沿著第二結構的陰極之剖面圖， 的線Α·Α之陰極12。在第6Α圖中， 0503-A34944TWF/kelly 201115709 2第—介電層2G2 ’例如二氧切、氮切、氮氧 或類似的材料。第一介電層搬可形成在半導體基底之 上’例如為半導體晶片巾的層間介電層（ild)或金屬 介電層（IMD)的一部份。在第一介電層2〇2之上的= 2〇4被圖案化’具有開σ 2%在其中。光阻綱的圖案與 第至4圖所示之上表面的圖案相似，在光阻2〇4内的 垂直虛線表示在後續的熔絲結構中的熔斷體之寬度，並 且水平的虛線表示圍繞開口遍的光阻綱之其ς區域 攀 的上表面。

在f 6Β圖中’第一介電層202被钱刻，使得開C 6加在介電層2〇2中。接著’在第一介電層202之上开 成金屬或多晶硬層2〇8,例如藉由全面性的沈積⑽也 eposnum)形成。如果使用金屬，金屬層寫可包括銅或 f似的材料。然後移除任何多餘的金屬或多晶矽，例如 2曰由化學機械研磨製程。如果使用多晶矽作為多晶矽層 ’則可以在多晶♦之上沈積金屬，例如鈦、銘、錄、 始或類似的材料’並將此結構退火形成⑦化物，例如敍 夕鈷化石夕、銻化石夕、鈾化石夕或其他類似的石夕化物。 在第6C圖中，沈積第二介電層21()在第 2〇2與金屬或多晶石夕層之上，第二介電層训可以是 後續的層間介電層或金屬層間介電層。在第二介電層21C 光阻212，並且將光阻212圖案化，經由開口 ，路出在殘餘的金屬或多晶梦層施之上 層 210的一部份。 在第6D圖中，進行儀刻製程將開口 214的圖案加到 〇503-A34944TWF/kelly 201115709 第二介電層210内，形成開口 218。然後，在第二介電層 210之上形成另一光阻216,具有開口 22〇圖案在其中。 接著進行等向性蝕刻，在第二介電層21〇内形成開口， 使得後續形成在開口 218内的接觸窗耦接在一起，因此， 此製程係描述雙鑲嵌（dual damascene)製程的使用。然 而，此實施例並不限定於雙鑲嵌製程，在此技術領域中' 具有通常知識者當可瞭解，單鑲嵌製程或其他類似製程 的功效。 在第6E圖中，於結構上沈積順應性的擴散阻障層 222，並且在擴散阻障層222上沈積金屬以。擴散阻^ 層222可以是任何習知的阻障層，例如氮化欽、氣化纽 或類似的材料。金屬224可以是銅、鶴或類似的材料。 在第6F圖中，多餘的金屬224被移除，並且二 ’丨電層210之上’且不在任何開口内的擴散阻障層如 ===由化學機械研磨(CMP)製程移除，藉此 I成導孔226搞接至作為陰極的金屬或多晶㈣206,以 :=、：12叫孔226 _在一起，並且形成一區域， 八可耦接在後續的金屬層間介電層(IMd)中 此’所形成的導孔226具有較大的接觸面積，並 與任何熔斷體對齊，炫斷體由虛線表示。此 如第1圖所示之熔絲結構1〇的佈 生 =常知識者當可瞭解，可在此製 結構以形成其他實施例，例如第2至4圖所示之 然其並非用以 雖然本發明已揭露較佳實施例如上 0503-A34944TWF/kelly 201115709 限定本發明，在此技術領域中具有通常知識者當可瞭 解，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可做些許更動 與潤飾。例如上述各種阻擋結構以及偽多晶矽結構可在 不同的實施例中實施，並且也可以互相結合使用。因此， 本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為 準。

0503-A34944TWF/kelly 13 201115709 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示依據一實施例之電性熔絲結構。 第2圖係顯示依據另一實施例之電性熔絲結構。 第3圖係顯示依據又另一實施例之電性熔絲結構。 第4圖係顯示依據再另一實施例之電性熔絲結構。 第5A-5F圖係顯示依據一實施例，形成電性熔絲蚌 構的示範性製程。 u 第6A 6F圖係顯示依據另一實施例，形成電性溶絲 結構的示範性製程。 【主要元件符號說明】 10、30、40、50〜溶絲結構； 12、32、42、52〜陰極； 14〜熔斷輯； 16〜陽極；* 18、34a、34b、44、54、20、126、226〜接觸窗； 22〜穿過熔斷體的長輛； 26〜沿著熔斷體邊緣的長轴； 102〜半導體基底； 104〜淺溝槽隔絕區構； 106、208〜金屬或多晶石夕層； 108、112、118、204、212、216〜光阻； 110〜介電層； 114、116、120、206、214、218、220〜開口； 122、222〜擴散阻障層； 0503-A34944TWF/kelly 14 201115709

124、224〜金屬； 128、228〜線； 202〜第一介電層； 210〜第二介電層。 0503-A34944TWF/kelly 15

Claims (1)

1. 201115709 七、申請專利範圍： L一種溶絲結構，包括： 一陽極； 一陰極； 、熔斷體’介於該陽極與該陰極之間；以及 。^數個陰極連接II輕接至該陰極，其中每個陰極連 接器等於或大於-接觸窗的—最小特徵尺寸的兩倍 接觸窗耦接至一主動元件。 2. 如申請專利範圍第1項所述之熔絲結構，其中每個 陰極連接器介於該接觸窗的該最小特徵尺寸的兩倍至四 倍之間，該接觸窗耦接至該主動元件。 3. 如申請專利範圍第1項所述之熔絲結構，更包括複 數個陽極連接器純至該陽極，其中每個陽極極連接器 等於或大於該接觸窗的該最小特徵尺寸的一倍，該接觸 窗耦接至該主動元件。 4. 如申請專利範圍第3項所述之熔絲結構，其中每個 陽極連接器介於該接觸窗的該最小特徵尺寸的一倍至兩 倍之間’該接觸窗耦接至該主動元件。 5. 如申請專利範圍第1項所述之熔絲結構，其中該熔 斷體的寬度等於或大於一閘極電極或一金屬線寬度的一 最小特徵尺寸的一倍。 6·如申請專利範圍第5項所述之熔絲結構，其中該熔 斷體的該寬度介於該閘極電極或該金屬線寬度的該最小 特徵尺寸的一倍至兩倍之間。 7·如申請專利範圍第1項所述之熔絲結構，其中該熔 0503-A34944TWF/kelly ]6 201115709 斷體包括一第一長軸 -邊緣，以及一笛g 斷的—上表面之-第 -第二邊绫：：，沿著該熔斷體的該上表面之 極的的：Γ 一長轴與該第二長軸定義出該陰 _的-區域，且其中在該;; 該陰極。 Λ門热逋接器耦接 陰極=申器:1利範圍第7項所述之炫絲結構，其中該些 -連接Μ括-對互相對應的連接器， 該貫穿區域平分為-，佶尸兮料卞運接盗被 盘马使侍該對連接器中的每個連接器 /、該貝穿區域之間的距離相等。 9·如U利範jg第丨項所述之熔絲結構，並中 =陰極的該些陰極連接器包括一連接器陣_接至該 10.—種熔絲結構，包括： 一陰極； · 一熔斷體； ’ 一陽極，其中該熔斷體耦接在該陰極與該陽極之間； 一介電質，設置在該陰極之上； 複數個開口，設置在該陰極之上的該介電質内，該 些開口暴露出該陰極的一部f分’且平行於該陰極的一上 表面的每個開口的一剖面面積大於一最小特徵尺寸的兩 倍； 複數個金屬連接器，設置在該些開口内；以及 擴散阻障物設置在該些開口内，介於該介電質與 該些金屬連接器之間。 0503-A34944TWF/kelly 17