專利名稱：形成用于集成電路的電斷金屬熔絲的結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及集成電路(IC)裝置的制造，并且尤其涉及形成用于集成電路的電斷金屬熔絲的結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
在集成電路裝置中，例如互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路，常常需要能夠永久地存儲信息，或者在制造之后形成集成電路的永久連接。熔絲或者形成可斷開連接的裝置經(jīng)常用于這個目的。例如，熔絲也可用于編程冗余元件以替換同樣的有缺陷元件。此外，熔絲可用于存儲芯片識別或其它這樣的信息，或者用于通過調(diào)整電流路徑的電阻來調(diào)整電路的速度。一種類型的熔絲裝置被“編程，，或者“斷開”，在處理和鈍化半導(dǎo)體裝置之后，采用激光以通過暴露于高能量光而打開連接，由此(例如)激活冗余電路。這種特定類型的熔絲裝置需要使激光精確對準在熔絲裝置上，以避免損壞相鄰裝置。這種和其它類似途徑可導(dǎo)致裝置鈍化層損壞，從而引起可靠性問題。例如，當熔絲材料移位時，斷開熔絲的工藝可引起鈍化層中出現(xiàn)孔。另一種類型的熔絲裝置基于硅化多晶硅(silicided polysilicon)的斷裂、積聚或者電遷移。這些類型的熔絲包括硅化物層，其設(shè)置在多晶硅層上，并且被諸如氮化硅的絕緣層覆蓋。硅化物層具有第一電阻，而多晶硅層具有大于第一電阻的第二電阻。在完整未損狀態(tài)下，熔絲連接具有由硅化物層的電阻確定的電阻。在一般應(yīng)用中，當施加編程電壓時，在一段時間上在熔絲元件上提供必須的電流和電壓，硅化物層開始隨機受損，最終導(dǎo)致硅化物層的某些部分電性斷開或者斷裂。因此，熔絲連接具有由多晶硅層的電阻確定的所得電阻(即，編程的熔絲電阻隨著第一電阻的阻值而增加)，然而，這種類型的熔絲裝置可能導(dǎo)致周圍結(jié)構(gòu)損壞和/或遭受不可靠的檢測，這是因為斷裂工藝的不一致性以及在編程的電阻中典型提供的相對小變化。此外，這些類型的裝置由于所需的編程電勢(即，在必需的時間長度上的電流和電壓水平)而與許多最新工藝一起使用可能是不可行的。在又一種類型的熔絲中，即電遷移熔絲，經(jīng)由陰極和陽極將電勢施加到導(dǎo)電熔絲連接上，其中該電勢的幅度和方向引起了從半導(dǎo)體熔絲的一個區(qū)域的硅化物電遷移，這減少熔絲連接的導(dǎo)電性。電遷移指的是，構(gòu)成互連材料的金屬原子(例如銅或者鋁)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移(mass transport)現(xiàn)象，作為通過互連材料的單向或者DC電流傳導(dǎo)的結(jié)果。更具體地，電子流與金屬離子發(fā)生碰撞，由此沿著電流行進的方向?qū)⑵渫七M。通過響應(yīng)于施加的電勢在熔絲連接與陰極之間產(chǎn)生溫度梯度而增強電遷移。即使對于電遷移熔絲，熔絲的編程仍然受多晶硅材料控制。由于多晶硅膜包括大量的缺陷，因此最終的電阻具有廣泛的分布。 這有時會導(dǎo)致編程的熔絲被錯誤地檢測，從而導(dǎo)致芯片失效?？傊呻娐啡劢z傳統(tǒng)上為通過暴露于高能量光而激光斷開或者通過該結(jié)構(gòu)引入的高電流而電學斷開。典型地，當熔絲材料為金屬時，采用激光來斷開熔絲結(jié)構(gòu)，而當熔絲材料為多晶硅時，采用高電流來電斷熔絲結(jié)構(gòu)。對于這兩種編程機制，電斷熔絲一般是優(yōu)選的，這是因為可采用與用于測試獨立芯片的相同晶片探針來將電信號施加到晶片。換句話說，激光斷開熔絲需要附加工具設(shè)置，以及增加測試晶片的時間。另一方面，金屬熔絲結(jié)構(gòu)的有利之處尤其在于，它們對于其在集成電路裝置中的位置而言很靈活。電斷熔絲的另一個優(yōu)點(相對于激光斷開熔絲)是編程除了可以在裝置的制造期間實施之外，還可以在現(xiàn)場實施。因此，需要提供一種金屬熔絲結(jié)構(gòu)，其為電斷，但不使用過大的電壓和電流來完成編程。

發(fā)明內(nèi)容
在示例性實施例中，通過用于集成電路裝置的熔絲結(jié)構(gòu)，可克服或者減少現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點和不足，該熔絲結(jié)構(gòu)包括延長的金屬互連層，限定在絕緣層中；金屬蓋層， 僅形成在金屬互連層的上表面的一部分上；以及電介質(zhì)蓋層，形成在金屬蓋層和該金屬互連層的其上沒有形成該金屬蓋層的剩余部分上；其中，其上沒有形成該金屬蓋層的該金屬互連層的剩余部分對電遷移失效機制敏感，從而便于通過經(jīng)該延長的金屬互連層施加電流而對該熔絲結(jié)構(gòu)進行編程。在另一個實施例中，一種用于集成電路裝置的電斷金屬熔絲結(jié)構(gòu)，包括延長的銅互連層，限定在絕緣層中，并且在其側(cè)表面和底表面上由襯墊層圍繞；金屬蓋層，僅形成在該銅互連層的上表面的一部分上；以及電介質(zhì)蓋層，形成在金屬蓋層和該銅互連層上沒有形成該金屬蓋層的剩余部分上；其中，該銅互連層上沒有形成該金屬蓋層的剩余部分對電遷移失效機制敏感，從而便于通過經(jīng)該延長的銅互連層施加電流而對該熔絲結(jié)構(gòu)進行編程。在另一個實施例中，一種形成用于集成電路的熔絲結(jié)構(gòu)的方法包括在絕緣層中限定延長的金屬互連層；僅在該金屬互連層的上表面的一部分上形成金屬蓋層；以及在該金屬蓋層和該金屬互連層上沒有形成該金屬蓋層的剩余部分上形成電介質(zhì)蓋層，其中該金屬互連層上沒有形成該金屬蓋層的剩余部分對電遷移失效機制敏感，從而便于通過經(jīng)該延長的金屬互連層施加電流而對該熔絲結(jié)構(gòu)進行編程。在又一個實施例中，一種形成用于集成電路的電斷熔絲結(jié)構(gòu)的方法包括在絕緣層中限定延長的銅互連層，該銅互連層在其側(cè)表面和底表面上由襯墊層圍繞；僅在該銅互連層的上表面的一部分上形成金屬蓋層；以及在該金屬蓋層和該銅互連層的其上沒有形成該金屬蓋層的剩余部分上形成電介質(zhì)蓋層，其中該銅互連層的其上沒有形成該金屬蓋層的剩余部分對電遷移失效機制敏感，從而便于通過經(jīng)該延長的銅互連層施加電流而對該熔絲結(jié)構(gòu)進行編程。


參照示例性附圖，其中相同的元件以相同的標號表示，在這幾幅圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的用于集成電路的電斷金屬熔絲結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2(a)至圖2(c)為形成圖1的結(jié)構(gòu)的示例性方法的截面圖；圖3為抗蝕劑圖案化之后圖2(a)的電斷金屬熔絲結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖4為圖2(a)的電斷金屬熔絲結(jié)構(gòu)的可選實施例的俯視圖。
具體實施例方式這里公開的是用于集成電路的金屬熔絲結(jié)構(gòu)，其設(shè)計為電斷而不對其產(chǎn)生廣泛的損壞。即，只有金屬熔絲的特定區(qū)域被斷開，而該結(jié)構(gòu)的剩余部分保持相對完整。簡言之， 該金屬熔絲結(jié)構(gòu)通過有意地減少用于金屬互連形成工藝中的傳統(tǒng)材料而形成，從而使該結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域變得更易于因為高電流應(yīng)力而失效。以這種方式，改善的金屬熔絲結(jié)構(gòu)可實施為用于IC設(shè)計。雙金屬鑲嵌互連結(jié)構(gòu)中的電遷移(EM)是銅金屬化的重要可靠性問題。當電流從通路流到上方的線時，失效可能發(fā)生在通路中或者線中。通路中形成的孔隙稱為早期失效， 而線中形成的孔隙稱為后期失效。反之，當電流從通路流到下方的線時，失效僅發(fā)生在線自身中。因此，眾所周知，雙金屬鑲嵌互連的上表面是EM工藝期間的主要擴散路徑。通常，電介質(zhì)蓋諸如氮化硅(Si3N4)或者碳化硅(SiC)沉積在互連的頂部上，以避免Cu擴散到周圍的層間電介質(zhì)材料中。近來表明，金屬蓋，諸如鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)Ai 鎢磷化物(CoWP)以及釕(Ru)可應(yīng)用于頂部界面，以獲得更好的EM可靠性。這樣，壽命改善是非常顯著的，這是因為相比于僅具有電介質(zhì)蓋層材料的互連，具有金屬蓋的Cu互連能夠處理更高的電流密度。實際上，已經(jīng)表明對于電介質(zhì)蓋層，空隙非常早地發(fā)生在Cu互連中；因此，在高應(yīng)力條件下相對快速地引起損壞。因此，這里已經(jīng)認識到，如果金屬蓋層有意地不形成在互連結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域中，則這個區(qū)域?qū)⒆兊脤﹄娺w移失效更為敏感。下面參照圖1，其示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于集成電路的電斷金屬熔絲結(jié)構(gòu) 100的截面圖。如圖所示，層間電介質(zhì)層102(例如，低介電常數(shù)層，也稱為“低K”層)，諸如 SiCOH(摻雜碳的氧化物)，具有襯墊層104(例如，鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭 (TaN)等等)以及形成于襯墊層104中限定的圖案化溝槽的延長銅層106，根據(jù)已知的雙鑲嵌處理技術(shù)。所得的金屬線可對應(yīng)于例如集成電路裝置的Ml級。諸如CoWP的金屬蓋層形成在金屬線的相對端，使得在銅層106上表面的大約中心部分處存在區(qū)域110，這里不存在金屬蓋材料。電介質(zhì)蓋層112(例如硅碳氮化物(SiCN))形成在整個的熔絲裝置100上，包括不存在金屬蓋層的區(qū)域110。通過在熔絲結(jié)構(gòu)100的選定區(qū)域110中有意地省去金屬蓋層的形成，由此該結(jié)構(gòu)變得更易于電遷移失效。由此，通過迫使電流經(jīng)過結(jié)構(gòu)100，只有線而沒有金屬蓋層的區(qū)域 110失效，而具有金屬蓋層的線的剩余部分不會受到損壞。為了使結(jié)構(gòu)100有利地用作熔絲裝置，采用充分高的電流而使得在非常短的時間內(nèi)發(fā)生失效。在一個示例性實施例中，實施這種高電流應(yīng)力技術(shù)的方法可參見Filippi，Jr等人的美國專利6，603，321，該專利被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，并且這里通過引用其全文而結(jié)合其內(nèi)容。更具體地，高電流應(yīng)力技術(shù)基于等溫應(yīng)力，其中經(jīng)過金屬線的電流密度增加，直到由焦耳加熱引起的溫度升高達到大約400°C (其中，該溫度通過測量結(jié)構(gòu)的電阻來確定)。 引起這樣失效所需的電流密度為大約107A/cm2或者更大的量級，并且其中對于具有傳統(tǒng)電介質(zhì)蓋層材料的Cu線而言該線應(yīng)該在大約1分鐘內(nèi)失效。通過增加電流密度并由此增加應(yīng)力溫度可進一步減少失效時間。由于寬線比窄線產(chǎn)生更多的功率，因此窄線比寬線所需的電流密度更高。這意味著在給定的相同應(yīng)力條件下，寬線將比窄線更早失效，這允許該結(jié)構(gòu)有許多設(shè)計變化。
圖2(a)至圖2(c)為形成圖1的結(jié)構(gòu)的示例性方法的截面圖。在圖2(a)中，圖案化的阻擋掩模114(例如，光致抗蝕劑材料)形成在Cu層106的中心部分上，以防止互連金屬的部分具有沉積在其上的金屬蓋。如圖2(b)所示，在阻擋掩模114的圖案化之后，CoffP 蓋108局部地沉積在Cu層106的暴露區(qū)域上以及襯墊層104上，在阻擋掩模114的相對側(cè)上。一旦去除了阻擋掩模114(例如，通過抗蝕劑剝離溶劑)，SiCN電介質(zhì)蓋層112沉積在整個結(jié)構(gòu)上，如圖2(c)所示?？蓱?yīng)用于提出的電斷金屬熔絲結(jié)構(gòu)的一個特定尺寸參數(shù)為沒有CoWP (圖2 (c))的區(qū)域的長度L大于關(guān)于電遷移短長度效應(yīng)的“臨界”長度。如以上表明，電遷移是用于金屬互連的可靠失效機制，其中金屬原子在電場和電子流的影響下遷移，對于Cu互連的情況， 沿著電子流的方向遷移。在電遷移期間，電子風(electron wind)施加一個力，其產(chǎn)生由以下方程給出的原子流量J
權(quán)利要求
1.一種用于集成電路裝置的熔絲結(jié)構(gòu)，包括延長的金屬互連層(106)，限定在絕緣層中；金屬蓋層(108)，僅形成在所述金屬互連層的上表面的一部分上；以及電介質(zhì)蓋層，形成在所述金屬蓋層(108)和所述金屬互連層的其上沒有形成所述金屬蓋層(108)的剩余部分上；其中，所述金屬互連層的其上沒有形成所述金屬蓋層(108)的剩余部分對電遷移失效機制敏感，從而便于通過經(jīng)所述延長的金屬互連層(106)施加電流而對所述熔絲結(jié)構(gòu)進行編程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述金屬蓋層(108)形成在所述延長的金屬互連層(106)的相對端處，而所述金屬互連層的其上沒有形成所述金屬蓋層(108)的剩余部分對應(yīng)于所述相對端之間的所述金屬互連層的中心部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中與在所述金屬互連層的相對端的所述金屬蓋層(108)之間的距離對應(yīng)的長度L，對于施加的熔絲編程電流密度的給定值，對應(yīng)于與避免電遷移短長度效應(yīng)有關(guān)的至少臨界長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述熔絲編程電流密度為至少107A/cm2，并且其中L約為1微米(μπι)或更大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述金屬互連層的其上沒有形成有所述金屬蓋層(108)的剩余部分對應(yīng)于與在沉積所述金屬蓋層(108)之前形成的阻擋掩模(114)的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述金屬蓋層(108)包括選自鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鈷鎢磷化物(CoWP)以及釕(Ru) 的組的材料；以及所述電介質(zhì)蓋層(11 包括選自氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)與碳氮化硅(SiCN)的組的材料。
7.一種用于集成電路裝置的電斷金屬熔絲結(jié)構(gòu)，包括延長的銅互連層(106)，限定在絕緣層中，并且在所述銅互連層表面和底表面上由襯墊層圍繞；金屬蓋層(108)，僅形成在所述銅互連層的上表面的一部分上；以及電介質(zhì)蓋層(112)，形成在所述金屬蓋層(108)和所述銅互連層的其上沒有形成所述金屬蓋層(108)的剩余部分上；其中，所述銅互連層的其上沒有形成所述金屬蓋層(108)的剩余部分對電遷移失效機制敏感，從而便于通過經(jīng)所述延長的銅互連層(106)施加電流而對所述熔絲結(jié)構(gòu)進行編程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述金屬蓋層(108)形成在所述延長的銅互連層(106)的相對端處，而所述銅互連層的其上沒有形成所述金屬蓋層(108)的剩余部分對應(yīng)于所述相對端之間的所述銅互連層的中心部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中，與在所述銅互連層的相對端之間的所述金屬蓋層(108)的距離對應(yīng)的長度L，對于施加的熔絲編程電流密度的給定值，對應(yīng)于與避免電遷移短長度效應(yīng)有關(guān)的至少臨界長度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述熔絲編程電流密度為至少107A/cm2，并且其中L約為1微米(μπι)或更大。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述銅互連層的其上沒有形成有所述金屬蓋層(108)的剩余部分對應(yīng)于與在沉積所述金屬蓋層(108)之前形成的阻擋掩模(114)的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述金屬蓋層(108)包括選自鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鈷鎢磷化物(CoWP)以及釕(Ru) 的組的材料；以及所述電介質(zhì)蓋層(11 包括選自氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)與碳氮化硅(SiCN)的組的材料。
全文摘要
一種用于集成電路裝置的熔絲結(jié)構(gòu)，包括延長的金屬互連層(106)，限定在絕緣層中；金屬蓋層(108)，僅形成在該金屬互連層的上表面的一部分上；以及電介質(zhì)蓋層(112)，形成在金屬蓋層(108)和該金屬互連層上沒有形成該金屬蓋層(108)的剩余部分上；其中，該金屬互連層上沒有形成該金屬蓋層(108)的剩余部分對電遷移失效機制敏感，從而便于通過經(jīng)該延長的金屬互連層(106)施加電流而對該熔絲結(jié)構(gòu)進行編程。
文檔編號H01L29/00GK102428563SQ200980159306
公開日2012年4月25日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者A.H.西蒙, G.博尼拉, J.P.甘比諾, K.錢達, R.菲利皮, S.格魯諾, S.?？ㄌm, T.E.斯坦德爾特, 胡朝坤 申請人:國際商業(yè)機器公司