TW456022B - Metal wire fuse structure with cavity - Google Patents
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Description
456022 五、發明說明（1) 發明範嘴 本發明一般與積體電路的製造有關，尤其是與用於增加 電路密度並且/或減少基材在運用可熔連結的積體電路内 受損之改良技術有關。 相關技藝說明 半導體積體電路CI C )及其製造技術是眾所周知的，在 傳統的積體電路内，會在矽基材上製造大量的半導體裝 置。欲達到預期的功能，通常會提供許多導體將選擇的裝 置連接在一起。 在某些積體 後會使用雷射 憶體（dram) 晶體的閘堆疊 體上已經完成 像保護電流路 可用來重新繞 雷射可溶性 炼斷’雷射能 常可熔性連結 與晶片導線相 的短雷射能量 電子可溶性 電路内 或電力將之 電路内，在 ，避免不小 ，則會燒毁 徑從來不存 送導電線路 連結是一般 量引起部份 厚度較薄並 同的金屬製 脈衝會衝擊 連結包含利 電連結 切斷或 製造期 心累積 或切斷 在般發 ’並且 金屬線 連結材 且由鋁 成β在 連結。 用電力 會耦合 燒毀。 間會使 電荷， 熔絲讓 生作用 因此修 路，可 料蒸發 或多晶 操作上 至熔絲’其在製造 在動態隨 用熔絲保 一旦1C D R A Μ 的 。或者， 改電路的 利用雷射 並且部份 矽製成， ，預定電 機存取記 護某些電 的製造大 電路就好 溶絲連結 功能性。 能量將其 溶解。通 或者可用 弧（點） 可' 炫斷成為開路的金屬線 * 1 — — 俨年曰修ii 案號 89102505 修正 _補充i 五、發明說明（2) 金屬導體（像是鋁）或多晶矽製成。在操作時，加諸電力 短脈衝讓溶絲感應而斷掉。 因為並不需要將每個連結都熔斷，所以確定相鄰的熔絲 未遭到反射的光或熱能熔化是很重要的。目前使用兩種方 法確定只熔斷所要的熔絲並且相鄰的熔絲未不小心熔斷* 第一種方法是簡單將熔絲分開至二到三個點直徑遠，第二 種方法是在相連的熔絲之間建立金屬牆，這兩種方法都會 導致熔絲間隔增大並且耗用大量的晶片面積。 在可溶性連結為下列情況時將難以用雷射熔斷熔絲：使 用和晶月導體相同的材料製成、由比較厚並包含耐火材料 (鎢以及許多矽化物）層的合成層製成或是包含高反射性 材料。 對邏輯晶片不斷增加的速度要求是這些可熔性連結材料 背後的驅動力，更平常的是，運用熔絲設定D R A Μ 電路内 剩餘陣列元件的殷動位元和位址位元。 圖1 說明具有主記憶體陣列1 0 2 的典型動態隨機存取 記憶體積體電路，為了有助於更換主記憶體陣列1 0 2 内 故障的主陣列元件，所以如圖示般提供剩餘陣列1 0 4。熔 絲陣列1 0 6 内的許多熔絲透過熔絲閂陣列1 0 8 和熔絲解 碼器電路1 1 0 耦合至剩餘陣列1 0 4。欲更換故障的主記 憶體陣列元件，則依照解碼器電路的需求，熔斷或切斷熔 絲陣列1 0 6 内個別熔絲將其數值設定為「1」或「0」。 在操作期間，通常在電源開啟時熔絲陣列1 0 6 内熔絲 的數值會載入熔絲閂陣列1 0 8 内，然後在執行時熔絲解
O:\61\61653.ptc 第5頁 2001.05.02.005 45 60 2 2 五、發明說明（3) 碼器電路no會將這些數值解碼，藉此有助於以剩餘陣 列1 0 4特定剩餘元件替換特定故障的主記憶體陣列元 件。使用剩餘陣列元件替換故障的主記憶體陣列元件之技 術已為業界内所熟知’為了簡潔起見所以不在此詳細討 論。 如同上面提及的，熔絲陣列1 〇 6内的熔絲連結可使用 雷射光束或電力選擇性熔斷或切斷，一旦熔斷後熔絲就從 高導電狀態轉變為高阻力（即是不導電）狀態。熔斷的熔 絲會抑制電流流過並且代表電流路徑内有斷路。請參考圖 2 A ’熔絲陣列元件1 〇 6的熔絲連結2 〇 2、2 0 4、2 0 6和 208都顯示成未溶斷（即是導電）狀態。在圖2B内，將 運用雷射光束或電力切斷或熔斷一個熔絲連結204，藉以 抑制電流流過。 經過證 結會波及 損壞的區 射能量所 結底下的 熔絲與傳 即使是 近，但基 因為傳統 短波長雷 設定操作 實發現 熔絲連 域，這 致。因 區域内 統系統 可溶性 材本身 的基材 射時。 就運用 結底下 主要是 為有雷 不會有 相隔甚 連結底 也會受 材料石夕 就為了 像是紅 雷射光 或熔絲 由於在 射感應 半導體 遠° 下並無 到某種 會迅速 這個原 外線雷 束設定 連結附 進行熔 損壞的 裝置（ 活性裝 程度的 吸收雷 因，所 射這類 、切斷或炼斷嫁絲連 近容易受到雷射感應 絲設定操作時吸收雷 可能性，所以熔絲連 例如電晶體），並且 置或離可熔性連結很 雷射感應損壞。這是 射能量，尤其是運用 以傳統系統内的熔絲 波長相當長的雷射。
45 60 2 2 五、發明說明（4) 即使是紅外線雷射有助於將底下基材的雷射感應損壞降 至最低，但使用波長相當長的雷射還是有某些不預期的妥 協。藉由範例’在炫絲設定操作時紅外線雷射相當長的波 長會在基材上形成相當大的點，這會限制溶絲連結彼此間 可以靠的多近。對於波長為1微米的紅外線雷射而言， 其在基材上建立的點可為波長的兩倍或大約是2至2.5 微米寬。 為了說明波長相當長的雷射所伴隨之缺點，請參考下面 的圖3 A和3 B。圖3 A為部份溶絲陣列1 q 6的截面視 圖’包含熔絲202、204、206和208。在圖3A内，溶 絲連結2 0 2、204、2 0 6和2 0 8都囊括顯示於鈍化層30_2 内，而顯示於熔絲連結下方的是基材3 〇 4。請注意到，圖 3A的說明已經非常的簡化以幫助說明，而熔絲陣列1 〇6 可包含其他已知的傳統層和/或元件。 在圖3 B内，圖3 A的熔絲連結2 〇 4已經使用雷射光 束熔斷或切斷’而代替熔絲連結2 〇 4的是凹洞3 1 0，此 凹洞的直徑C約略是所運用的雷射光束波長之兩倍《雷 射點的直；C設定了相鄰炼絲連結之間最小溶絲間距 31 2上的最低限制，若對已知的雷射波長而言熔絲放置過 於接近’則相鄰的熔絲連結可能會不經意遭熔斷或切斷， 而導致IC故障。 ，使用波長較短的雷射可降低雷射點的直徑C並且附帶 減^教小溶絲間距’但是波長較短的雷射大體上會增加傳 統系統内下層基材受損的可能性，這是因為矽基材會快速
45 60 2 2 五、發明說明（5) 吸收短波長雷射的雷射能量。若使用短波長雷射設定傳統 熔絲陣列1 0 6 的熔絲連結，則會導致區域3 2 0 内過度的 基材受損，可能造成積體電路失效和故障。 在前述概說中，傳統上就有改良式積體電路（此積體電 路具有雷射或電力可熔性連結）製造方式的需求。更特別 的是，傳統上有改良式雷射和/或電力熔絲連結結構及其 方式的需求，其可減少熔斷熔絲元件時導致的損害量。 發明總結 因此本發明的目的是提供一種用於動態隨機存取記憶體 積體電路的結構和方法，此積體電路包含具有主記憶體陣 列元件的主記憶體陣列、耦合至主記憶體陣列包含重複畜己 憶體陣列元件的重複記憶體陣列、選擇性替代至少一重複 記憶體陣列元件並利用雷射能量讓一個主記憶體元件故障 的至少一雷射熔絲連結，以及位於雷射熔絲連結與雷射能 量源之間的至少一個凹洞部份。 雷射熔絲連結可包含第一導電層以及位於第一導電層上 面的第二導電層，而凹洞部份位於第二導電層内。雷射熔 絲連結也可包含容許雷射能量到達熔絲連結的熔絲窗口， 而凹洞位於熔絲連結與熔絲窗口之間。此凹洞能將能量和 來自熔絲連結的熔絲材料導向熔絲窗〇。動態隨機存取記 憶體包含凹洞内的導體島，導體島能將雷射能量集中於熔 絲連結上。 本發明的積體電路包含主要裝置以及通過至少一熔絲選 擇性取代主要裝置的重複裝置，此熔絲也包含具有至少一
第8頁 456022 五、 發明說明（6) '熔 絲 連 結 區 的 第 -— 層 、 在 第 — 層 上 面 的 第 二 層 以 及 在 第 1 層 内 位 置 與 熔 絲 連 結 區 有 關 的 凹 洞 用 於 導 引 熔 絲 材 料 遠 離 積 體 電 路 内 的 相 鄰 裝 置 0 第 一 層 包 含 一 導 電 層 並 且 第 二 層 也 包 含 一 導 電 層 0 一 嫁 絲 窗 D 允 許 雷 射 能 量 到 達 溶 絲 連 結 區 〇 凹 洞 位 於 熔 絲 連 结 區 與 熔 絲 窗 a 之 間 此 凹 洞 能 將 能 量 和 來 自 炼 絲 連 結 的 熔 絲 材 料 導 向 溶 絲 窗 口 〇 動 態 隨 機 存 取 記 憶 體 也 包 含 凹 洞 内 的 導 體 島 導 體 島 能 將 雷 射 能 量 集 中 於 炫 絲 連 結 上 〇 形 成 積 體 電 路 炼 絲 結 構 的 方 法 包 含 形 成 一 熔 絲 連 結 層 、 在 熔 絲 連 結 層 上 面 的 第 二 層 以 及 第 二 層 内 至 少 一 個 凹 洞 此 凹 洞 的 位 置 與 溶 絲 連 結 區 有 關 以 便 將 溶 絲 材 料 導 引 遠 離 積 體 電 路 内 相 鄰 的 裝 置 0 第 二 層 包 含 沈 積 處 理 與 波 紋 處 理 〇 第 層 上 形 成 一 個 絕 緣 層 其 中 炫 絲 連 結 層 包 含 一 導 電 層 並 且 第 二 層 就 是 導 電 層 g 第 二 層 上 的 溶 絲 窗 D 允 許 雷 射 能 量 到 達 炫 絲 連 結 層 其 凹 洞 位 於 溶 絲 連 結 層 與 熔 絲 之 間 〇 此 凹 洞 能 將 能 量 和 來 白 熔 絲 連 結 的 溶 絲 材 料 導 向 熔 絲 窗 □ Q 洞 内 形 成 一 個 導 體 島 導 體 島 能 將 雷 射 能 量 集 中 於 熔 絲 連 結 上 σ 圖 式 簡 單 說 明 從 下 列 本發 明 較 佳 具 體 實 施 例 的 詳 細 說 明 並 參 考 圖 式 可 對 前 述 和 其 他 目 的 、 領 域 和 優 點 有 更 佳 的 了 解 0 圖 1 說明傳統動態隨機存取記憶體 (DRAM) 積體電路 幫 助 討 論 圊 2A 說 明 許 多 未 熔 斷 ( 即 是 導 通） 狀 態 的 傳 統 溶 絲 連
456022 五、發明說明（7) 結； 圖2B描述圖2A的熔絲連結已經處於熔斷（即是未導 通）狀態。 匕言隹熔絲 圖3A和3B說明基材上的許多熔絲連結 設定操作後在上面形成的雷射點； 圖4A-4D說明本發明的具體實施例，其包含熔絲連結 上的凹洞區域；以及 圖5為說明本發明較佳具體實施例的流程圖。 本發明較佳具體實施例之詳細說明 為了避免在熔斷熔絲連結時傷害到周圍基材，在熔絲連 結的旁邊可形成一個凹洞來吸收一些能量，並蒸發—些崞 絲清潔處理時排出的熔絲材料。本發明包含一個唯一並且 以傳統方式形成位置唯一之凹洞，此凹洞能將來自清潔熔 絲的能量和，料導引遠離結構，否則結構會受到傷害。 尤其是，請參閱圖4A-4D ,說明本發明熔絲結構/處理 的第一具體實施例。圖4A說明利用傳統沈積技術、照 ^ =以及電漿蝕刻（像是噴濺）形成的金屬線路堆疊（ ^ 導電R1」結構）之剖面圖。線珞堆疊最好包含介 土材450、厚度5nm - 50nm的第一薄導電（Ti)底層 '厚度10nm - 1〇〇〇_的第二導電（A1Cu合金）層 401。在此結構中AlCu合今厝Ml 或熔絲連結。 金層401肖來當成可熔性元件 經過此說明後原本精通此技藝的人士就會明白， 何數量的類似結構和材料都浐 使用任 月匕开/成本發明結構。例如：導
«www» 4mm *τ, 五、發明說明（8) 電層402為使用波紋處理所形成具有底襯的金屬阻擋 層。例如：可在介電基材上使用沈積和化學機械平面化 (CMP)形威導電層和底襯。基材最好使用刻板和蝕刻方式 形成熔絲結構形狀。在這類波紋結構内，部份阻擋層會像 圖4C内顯示的凹洞410般向下挖掘形成一個凹洞。 像是二氧化矽這種内層介電（ILD)層400 (即是第二 接點「C2」層）會在圖樣金屬堆疊上沈積出1〇 nm -100 0 nm的厚度。C2層4〇〇對於應用至熔絲材料402 而言是透明的❶〖LD層4 〇 〇使用傳統影印和乾蝕刻技術 製作圖樣’像是使用CF4、CHF3 ' C4Fa、CO、Ar、02和N2 這些氣體的反應離子蝕刻（RIE)，來開啟C2接點400 的區域403以配合規劃設計。 如圖4B 肉- a 門所不，由厚度10 nm - 1 0 0 0 nm的AlCu 層405以及 類似金屬線— 50㈣的TlN層404形成的 擇性沈積和=所構成之第二導電「R2」結構，使用選 和Ar這些I刻技術（像是使用BCI3、HC1、n2、He、N2 製作圖樣。；體的务印和反應離子蝕刻（R I E)來沈積和 由 C 2 接 401區域，將、 内開口 403所暴露出來的TiN層 (含ΙΟ—這頬^%5〇°C到3〇〇°C的溫度使用像是乾蝕刻 層4 0 I祐B 性處理進行蝕刻，這類蝕刻僅影響τ i n 如圖4C内所不足以改變内介電層400或熔絲材料402。 之間形成—彻不，’此蝕刻處理挖掘TiN並C2圖樣400 凹/同41〇和TiN島406。凹洞41〇内允
第11頁 4 Γ ς ) 2案號89102505 义1年彡月曰 學能 五、發明說明（9) 許TiN 島406 存在將有助於吸收熔 量，並提供ILD 400 的機械支撐。 在圖4 D内，終端經過（T V)介電4 〇 7 (像β二氧化 石夕）會使用傳統技術沈積並製作圊樣，形成溶口 4〇8 和連接塾® 口 4 0 9。當炼絲炫斷時’將導弓丨雷^能量通過 溶絲窗口 4 0 8 ’或將過電壓/電流供應至熔絲元件b4〇2以 熔化/蒸發A丨Cu 合金而斷開熔絲。 … 上述提及的特定材料和解決辦法僅是範例，經過此說明 後原本精通此技藝的人士就會明白’可使用任何數量的類 似材料形成圖4D顯示的結構。在原理上，決定要使用哪 種材料取決於所製造的積體電路裝置之特定需求。 在層401的底切搬空區上形成的凹洞用於^在炫絲熔斷 處理中收集層402排出的材料，並在使用雷射熔斷熔絲 時加強防止對於相鄰區域的損害擴大，或者在使用電力熔 斷嫁絲時防止熔絲蒸發所感應的損害擴大。 圖5 為說明本發明前述具 的是’在項目501 内形成溶 於熔絲層402上形成像是合 5 〇 3 内，於功能層4 0 1 上形 穿透材料。 體實施例的流程圖。更特別 絲層4 0 2 ，在項目5 〇 2内， 金層401的功能層，在項目 成像是二氧化矽400的雷射 知”趙電路選擇什麼樣的材料組成物，本發 ’才色（可包3於本發明的任何材料具體 凹洞位於雷射窗口 4 0 8與熔絲材料4 〇 2 方式西？荖ππ，门 -u, ^ 4 υ ώ之間。藉由以此 式置凹洞，f先接收到雷射能量的熔絲材料4 0 2表
i 456022 五、發明說明（10) 面就可絕熱。因此，雷射能量能夠更集中在熔絲材料4 0 2 的表面上，並且導致更可靠並且更快速的蒸發/熔化炫絲 材料402 ^ 相反的，傳統凹洞形成於炼絲材料之間（例如在雷射能 量方向的反面上），因此對於傳統結構而言’首先接收到 雷射能量的熔絲連結表面會與材料的相鄰層接觸，而此炼 絲材料的表面並未如同本發明的溶絲速結般真正絕熱。 此外’不管是使用雷射能量或是使用過電壓/電流來斷 開熔絲連結，在朝向雷射窗口 4〇8的方向上提供一個凹 洞，就能將熔絲斷開處理所排出的能量和材料導5丨朝向介 電材料400 ’並且遠離位於熔絲材料之下的積體電路裝 置’就像是上面討論過與圖3B有關的這些裝置。因此在 本發明内’因為熔絲斷開處理所導致的任何損害（像是破 裂或溶化）首先會受限於接觸層4〇〇 ^因為在與包含朝向 下方積體電路的凹洞之熔絲結構比較起來，鈦層4丨丨 積體電路受損的機率就會降低許多。 不管選擇何種材料形成熔絲材料以及周圍結構，本發 另β項重要特色就是在形成凹洞時會善用現有層。更特 =疋，凹洞410形成所在的銅/鋁合金4〇1是用來在 :電路不同部份内執行有用功能的層。在反應離子 二小心選擇反應劑，如此本發明會利用現有層（像是本結 中的合金401)來減少實施本發明所需處理步驟的 重。 此外如同上述提及的，凹洞41〇内容許保存島4〇6
第13頁 ! 4560 2 2- 五、發明說明（11) 幫助熔絲材料4 0 2 吸收雷射能量。換言之，凹洞4 1 0内 的島406將輸送過雷射窗σ 408的雷射能量集中起來， 並增加島4 0 6 部份上炫絲材料4 0 2 的能量吸_收力。 功能層40 1 使用上述的等方性蝕刻處理過度蝕刻，在 項目504 内形成凹洞410 和島406 °在項目505内會 持續進行額外的處理，形成像是絕緣層4 0 7和額外導電 層404、405 這類的層。 然後在項目5 0 6内，依照是要使用電力或雷射能量斷 開熔絲來繼續進行處理。若要使用雷射能量斷開熔絲，在 雷射穿透材料400 上會形成熔絲窗口 408，如項目507 内所示。然後在項目5 0 8内，套用雷射能量以斷開熔 絲。相反的，若要使用電力斷開熔絲，則供應過電壓/電 流給熔絲40 2 導致它斷開。項目5 1 0 結束整個處理。 本發明的其他利益在於，因為熔絲使用現有在局部積體 電路上用來當成互連結構的金屬線路堆疊結構，所以本發 明的熔絲結構不需要在傳統處理過程中增加其他任何沈積 步驟。 雖然已經藉由較佳具體實施例來說明本發明，但是精通 此技藝的人士知道，在申請專利範圍的領域與精神之下對 本發明進行修改都還是可以實施本發明。
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Claims (1)
- 456022 _案號 89102505 年 修正 申請專利範圍 隨機存取記憶體積體電路，包含： 憶體陣列元件的主記憶體陣列； 主記憶體陣列的重複記憶體陣列，包含重複 記憶體陣列元件； 至少一雷射熔絲連結以至少一該重複記憶體陣列元件， 量時選擇性取代失效的主記憶體；以及 熔絲連結與該雷射能量源之間的至少一凹洞 1 . 一種動態 一具有主記 一耦合至該 在供應雷 位於該 部份。 2.如申 射能 雷射 電路 一導 二導 3. 電路 絲窗 4. 電路 向該 5. 電路6. 電路 7. 主 ，其 電層 電層内 如申 ，進 如申 ,其 熔絲 如申 ，進 如申 請專利範圍第1項之動態隨機存取記憶體積體 中該雷射熔絲連結包含一第一導電層以及在該第 上方的一第二導電層，其中該凹洞部份位於該第 請專利範圍第1項之動態隨機存取記憶體積體 一步包含一允許該雷射能量到達該溶絲連結的溶 該凹洞位於該熔絲連結與該熔絲窗口之間。 利範圍第3 項之動態隨機存取記憶體積體 凹洞從該熔絲連結將能量和熔絲材料引導朝 其中 請專 中該 窗口。 請專利範圍第1項之動態隨機存取記憶體積體 包含位於該凹洞内的導電島。 利範圍第1項之動態隨機存取記憶體積體 導電島將雷射能量集中於該熔絲連結上。 電路，包含： ;以及 步 請專 中該 種積體 陣列 其 記憶O:\6l\61653.ptc 2001.06. 20.016 456022 _案號 89102505 年 < 月 日_ί±^__ 六、申請專利範圍 經由至少一熔絲選擇性取代該主記憶陣列的重複裝置， 該熔絲包含： 一具有至少一嫁絲連結區的第一層； 一位於該第一層上方的第二層；以及 一位於該第二層内並且位於與該熔絲連結區相關位置的 凹洞，其用於導引熔絲材料遠離該積體電路内相鄰的裝 置。 8. 如申請專利範圍第7 項之積體電路，進一步包含在 該第二層上方的絕緣層，其中該第一層包含一導電層並且 該第二層包含一導電層。 9. 如申請專利範圍第7 項之積體電路，進一步包含一 允許雷射能量到達該熔絲連結區的熔絲窗口 ，其中該凹洞 位於該熔絲連結區與該熔絲窗口之間β 1 0 .如申請專利範圍第9 項之積體電路，其中該凹洞從 該熔絲連結將能量和熔絲材料引導朝向該熔絲窗口。 11. 如申請專利範圍第7 項之積體電路，進一步包含位 於該凹洞内的導電島。 12. 如申請專利範圍第7項之積體電路，其中該導電島 將雷射能量集中於該熔絲連結上。 1 3. —種形成一積體電路熔絲結構之方法，包含： 形成一熔絲連結層； 形成一位於該熔絲連結層上方的第二層；以及 在該第二層内形成至少一凹洞，該凹洞的位置相對於該 熔絲連結區，可將熔絲材料導引離開該積體電路内的相鄰O:\6i\6i653.ptc 第 2 頁 2001.06.20.017 ^ 5 6 Ο P 2 案號 89102505 外年 < 月2^日_^_ 六、申請專利範圍 裝置。 1 4.如申請專利範圍第1 3 項之方法，其中該熔絲連結 層的形成以及該第二層的形成包含沈積處理。 1 5 .如申請專利範圍第I 3 項之方法，其中該熔絲連結 層的形成以及該第二層的形成包含波紋處理。 16.如申請專利範圍第13 項之方法，進一步包含在該 第二層上形成一個絕緣層，其中該熔絲連結層包含一導電 層並且該第二層包含一導電層。 I 7.如申請專利範圍第1 3 項之方法，進一步包含在該 第二層上形成一熔絲窗口 ，其允許雷射能量到達該熔絲連 結層，其中該四洞位於該熔絲連結層與該熔絲窗口之間。 1 8.如申請專利範圍第1 7 項之方法，其中該凹洞將來 自該熔絲連結的能量和熔絲材料導引朝向該熔絲窗口。 19. 如申請專利範圍第13 項之方法，進一步包含在該 凹洞内形成導電島。 20. 如申請專利範圍第13 項之方法，其中該導電島能 將雷射能量集中在該熔絲連結上βO:\6l\61653.ptc 第3頁 2001.06. 20.018
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