專利名稱：用于高功率應用的激光熔絲結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于高功率應用的激光熔絲設(shè)計。更具體而言，本發(fā)明涉及
一種激光熔絲，其能用于集成電路(IC)芯片中以將各種功能電路連接到IC 芯片的電源層(power plane)或者將各種功能電路從IC芯片的電源層斷開。
背景技術(shù)：
半導體制造的當前趨勢是制造具有更小尺寸的集成電路(IC)芯片。同 樣，包含這樣的IC芯片的功能電路在復雜性方面持續(xù)增加。這增加了失效 元件或缺陷導體導致缺陷芯片的可能。該問題的一種解決方法是在IC芯片 上提供冗余電路或冗余元件。例如，如果主電路(primary circuit)或元件變 得有缺陷，則冗余電路或元件能用于替代缺陷電路或元件，這涉及缺陷電路 或元件的邏輯去活(logic de-activation)以及冗余電路或元件的激活。邏輯 去活方法的一個主要缺點在于，在邏輯去活之后，缺陷電路活元件仍連接到 IC芯片的電源層且繼續(xù)消耗來自IC芯片的功率，這能導致功能芯片由于違 反預定功率規(guī)范而被拒絕，尤其是在低功率邏輯應用中。
因此需要物理地且永久地消除缺陷電路和元件，將它們與IC芯片的電 源層分隔開。
此外，IC芯片制造技術(shù)的進展已經(jīng)允許在單個IC芯片上實現(xiàn)日益增多 的功能，且已經(jīng)進行了很多努力來簡化和減少由于大量的各種用戶應用而激 增的IC芯片部件數(shù)。如果為IC芯片制造工藝提供一種"通用芯片"模型 ("one-chip-fits-all" model )，且根據(jù)特定的用戶應用而在制造后進行IC芯 片的定制修改或"個性化"以調(diào)整IC芯片的功能，則能夠?qū)崿F(xiàn)很大的成本 節(jié)約。現(xiàn)在，通過各種功能電路或元件的邏輯激活和去活在邏輯層面進行定 制修改或個性化。然而，在邏輯定制修改或個性化之后，未使用的電路或元 件仍連接到IC芯片的電源層且繼續(xù)消耗來自IC芯片的功率。這樣的未使用 的電路或元件還能導致芯片由于違反預定功率規(guī)范而被拒絕，尤其是在低功 率邏輯應用中。因此還需要提供在晶片(wafer)層面的IC芯片的定制修改或個性化， 從而完全消除未使用的電路或元件，將它們從芯片電源層分隔開，且減小總 的芯片負載。
激光熔絲已用于在低功率應用中永久消除缺陷電路或元件，且用于定制 修改和/或個性化IC芯片，低功率應用的特征一般在于低電壓降(大致在約 0.1V的量級左右)和低占空因數(shù)(duty cycle )限制(大致在約0.001%的量 級左右)。另一方面，由于高電壓和高占空因數(shù)條件下的熔絲再生長，當前 可得到的激光熔絲在高功率應用(特征在于高電壓降(至少約2V的量級左 右)和高占空因數(shù)(大致在至少約100%的量級左右))中的使用導致了可靠 性失效。
因此，提供具有高的電流容量且適于在高功率應用中使用的改善的激光 熔絲結(jié)構(gòu)將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本發(fā)明涉及一種激光熔絲結(jié)構(gòu)，包括
第一和第二導電支承元件，以間隔開的關(guān)系位于集成電路(IC)芯片的 第一金屬層級；
至少一個導電可熔鏈，位于該第 一金屬層級在該第一和第二導電支承元 件之間用于直接連接該第 一和第二導電支承元件；
第一和第二連接元件，位于IC芯片的不同的第二金屬層級，其中該第 一和第二導電支承元件通過第一和第二通路堆疊分別連接到該第一和第二 連接元件，該第 一和第二通路堆疊每個包括延伸于該第 一和第二金屬層級之 間的一個或多個導電通路；以及
第一和第二金屬線，位于該第一金屬層級，其中該第一和第二連接元件 通過第三和第四通路堆疊分別連接到該第一和第二金屬線，該第三和第四通 路堆疊每個包括延伸于該第一和第二金屬層級之間的一個或多個導電通路。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種通過向上述激光熔絲結(jié)構(gòu)的導電可熔鏈應 用至少一個激光束來構(gòu)建該激光熔絲結(jié)構(gòu)的方法，該至少一個激光束具有從 約0.5pj到約2.5pj范圍的能量水平。
在又一方面，本發(fā)明涉及一種集成電路(IC)芯片，其包括上述激光熔 絲結(jié)構(gòu)，其中該激光熔絲結(jié)構(gòu)的第一金屬層級是該IC芯片的末級銅層級。在又一方面，本發(fā)明涉及一種IC芯片，其包括激光熔絲，該激光熔絲 包括單個可熔鏈或者平行布置的多個可熔鏈，且位于IC芯片的末級金屬層 級。具體而言，該激光熔絲的一側(cè)連接到該IC芯片的功能部件，該激光熔 絲的另 一側(cè)連接到該IC芯片的電源總線。
在又一方面，本發(fā)明涉及一種通過向所述激光熔絲施加至少一個激光束
來構(gòu)建上述IC芯片的方法，所述至少一個激光束具有從約0.5^至約2.5pj 范圍的能量水平。
本發(fā)明的其他方面、特征和優(yōu)點將從隨后的描述和附圖變得更明顯。


現(xiàn)在將參照附圖僅以示例方式描述本發(fā)明，附圖中
圖1示出才艮據(jù)本發(fā)明一實施例的示范性激光熔絲的俯視圖2示出圖1的示范性激光熔絲的剖視圖3-4示出根據(jù)本發(fā)明其他實施例的各種示范性激光熔絲；
圖5A示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的多個完好的激光熔絲的照片；以及
圖5B示出圖5A的激光熔絲在被激光束照射之后的照片。
具體實施例方式
在下面的說明中，闡述了許多特定細節(jié)，例如特定的結(jié)構(gòu)、組元、材料、 尺寸、處理步驟和技術(shù)，以提供對本發(fā)明透徹的理解。然而，本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員將意識到，可以實踐本發(fā)明而沒有這些特定細節(jié)。在另一些情況下， 沒有詳細描述熟知的結(jié)構(gòu)或處理步驟以避免使本發(fā)明變得模糊。
將理解，當一元件例如層、區(qū)域或襯底被稱為在另一元件"上"或"上 方"時，則它可以直接在所述另一元件上或上方，或者還可存在居間元件。 相反，當一元件被稱為"直接在，，另一元件"上"或"上方"時，則沒有居 間元件存在。還將理解，當一元件被稱為"連接"或"耦合"到另一元件時， 則它可以直接連接或耦合到所述另一元件，或者可存在居間元件。相反，當 一元件被稱為"直接連接"或"直接耦合"到另一元件時，則沒有居間元件 存在。
本發(fā)明提供一種激光熔絲設(shè)計，該激光熔絲設(shè)計能夠容易地集成到集成 電路(IC)芯片的線后端(back-end-of-line, BEOL )互補金屬氧化物半導體(CMOS )部件中以用于將IC芯片上的各種功能組元連接到IC芯片的電源 層或者從其斷開。此外，本發(fā)明的激光熔絲具有足夠高的電流容量(不小于 約30mA)且特別適于高功率應用。
具體地，本發(fā)明的激光熔絲每個包含一個或多個導電可熔鏈(link),其 位于IC芯片中末級銅層級(last copper level)上的兩個導電支承元件之間且 被其支承。激光熔絲的導電支承元件通過位于不同金屬層級的連接元件電連 接到向外的布線或金屬線，以實現(xiàn)激光熔絲與向外的布線或金屬線的完全物 理分隔和隔離。例如，連接元件能位于IC芯片中在倒數(shù)第二銅層級處。供 選地，連接元件能位于IC芯片中末級銅層級上在鋁布線層級處。
此外，本發(fā)明的激光熔絲每個的特征在于一個或多個尺寸參數(shù)，例如激 光熔絲包含的可熔鏈的長度、寬度和厚度，以及可熔鏈之間的距離，這有助 于激光熔絲的高電流容量和高可靠性，且使其特別適于高功率應用。
現(xiàn)在將參照附圖1-5B更詳細地說明本發(fā)明的示范性激光熔絲。注意， 在這些未按照比例繪制的圖中，相似和/或?qū)脑上嗨频母綀D標記指 示。還應注意，盡管特定數(shù)量的可熔鏈和接觸示于這些圖所示的示范性激光 熔絲中，但是本發(fā)明不限于此，本發(fā)明意在涵蓋具有任何特定數(shù)量的可熔鏈 和接觸的激光熔絲。
首先參照圖1，其示出激光熔絲結(jié)構(gòu)的俯視圖，該激光熔絲結(jié)構(gòu)包括多 條平行布置的導電可熔鏈14，其位于第一和第二導電支承條(bar) 和 12b之間并將它們直接連接。第一和第二導電支承條12a和12b通過第一和 第二通路堆疊(via stack) 18a和18b分別連接到第一和第二導電墊20a和 20b。第一和第二導電墊20a和20b又通過第三和第四通路堆疊23a和23b 分別連接到第一和第二金屬線22a和22b。
導電可熔鏈14、第一和第二導電支承條12a和12b以及第一和第二金屬 線22a和22b全部位于同一金屬層級，其在這里稱為第一金屬層級，而第一 和第二導電墊20a和20b位于不同的金屬層級，其在下文中稱為第二金屬層 級。該第二金屬層級可以在第一金屬層級之下，如圖l所示，或者在第一金 屬層級上方，這將在下面示于圖3-4中。
在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，第一金屬層級是IC芯片中的末級銅層級， 而第二金屬層級是末級銅層級之下的倒數(shù)第二銅層級。在該實施例中，導電 可熔鏈14、第一和第二導電支承條12a和12b、第一和第二導電墊20a和20b、以及第一和第二金屬線22a和22b全部包括銅或銅合金。
在本發(fā)明一供選但同樣優(yōu)選的實施例中，第一金屬層級是IC芯片中的 末級銅層級，第二金屬層級是末級銅層級上方的鋁布線層級。在該供選實施 例中，導電可熔鏈14、第一和第二導電支承條12a和12b、以及第一和第二 金屬線22a和22b包括銅或銅合金，第一和第二導電墊20a和20b包括鋁或 鋁合金。
導電可熔鏈14優(yōu)選地特征在于選自包括至少約8pm的長度、不超過約 2pm的寬度和不超過約2|im的厚度的組中的一個或多個尺寸參數(shù)。更優(yōu)選 地，導電可熔鏈14具有至少約12pm的長度、不超過約ljLim的寬度和不超 過約1.5pm的厚度。注意，常規(guī)激光熔絲一般具有約8|im長的可熔鏈。因 此，本發(fā)明的激光熔絲10的導電可熔鏈14顯著長于常規(guī)激光熔絲的可熔鏈。
此外，導電可熔鏈14優(yōu)選彼此間隔開不超過約2jum的距離，更優(yōu)選地 不超過約1.5pm，還更優(yōu)選地約l|am。注意，類似厚度范圍的常規(guī)激光熔絲 一般具有彼此間隔開至少約6-9(im距離的可熔鏈。因此，本發(fā)明的激光熔絲 10的導電可熔鏈14彼此間隔開比常規(guī)激光熔絲的可熔鏈顯著更窄的距離。
在本發(fā)明一特定實施例中，激光熔絲的第一和第二金屬線22a和22b之 一連接到IC芯片的功能部件(未示出)，例如功能電路或元件，第一和第二 金屬線22a和22b中的另 一個連接到IC芯片的電源層(未示出)。以此方式 且如果IC芯片的功能部件變成非功能性，則本發(fā)明的激光熔絲結(jié)構(gòu)能被一 個或多個激光束熔斷，從而將該非功能性部件從IC芯片的電源層斷開，由 此避免不必要的功率消耗且最小化IC芯片的功耗。
優(yōu)選地，第一或第二金屬線22a或22b連接到的IC芯片的功能部件以 不小于30mA的高工作電流運行。本發(fā)明的激光熔絲結(jié)構(gòu)具有不小于30mA 的電流容量，因此它能容易地與IC芯片的高功率功能部件一起使用。注意， 電流通常受限于熔絲鏈的寬度和數(shù)量。
第一和第二導電支承條12a和12b為導電可熔鏈M提供結(jié)構(gòu)支承，且 還提供導電可熔鏈14與第 一和第二通路堆疊18a和18b之間的電連接。以 此方式，導電可熔鏈14不再與通路堆疊18a和18b中包含的導電通路一對 一直接連接，第一和第二通路堆疊18a和18b包含的導電通路的數(shù)量不再受 限于導電可熔鏈14的數(shù)量。因此，第一和第二通路堆疊18a和18b可包含 任意數(shù)量的導電通路，或者與導電可熔鏈14的數(shù)量相同，或者與之不同，且導電通路可以按任意方式布置，例如布置成垂直列、水平行、或者多個行 和列。
通路堆疊18a、 18b、 23a和23b包含的導電通路可包括任何合適的導電 材料(或多種材料)。優(yōu)選地，它們包括選自于A1、 W和它們的組合構(gòu)成的 組中的 一種或多種自鈍化導電材料。
圖2示出圖1的激光熔絲的剖視圖。導電可熔鏈4、第一和第二導電支 承條12a和12b、以及第一和第二金屬線22a和22b全部位于第一金屬層級 3,該第一金屬層級是IC芯片的末級銅層級且嵌入在末級層級間電介質(zhì) (inter-level dielectric, ILD )層1中。而第一和第二導電墊20a和20b位于 不同的第二金屬層級4，該第二金屬層級是IC芯片的倒數(shù)第二銅層級且嵌入 在倒數(shù)第二ILD層2中。通路堆疊18a、 18b、 23a和23b包含的導電通路延 伸于第一金屬層級3和第二金屬層級4之間。
為了減少熔絲熔斷期間ILD層的損壞或破裂， 一個或多個空隙腔 (interstitial cavity)(未示出)優(yōu)選設(shè)置在導電可熔鏈14的任一側(cè)或兩側(cè)。 這樣的一個或多個空隙腔可僅設(shè)置在ILD層1中，或者延伸穿過ILD層1 和2。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明一供選實施例的另一激光熔絲結(jié)構(gòu)，其包含多個平 行布置的導電可熔鏈M，位于第一和第二導電支承條12a和12b之間且直接 連接第一和第二導電支承條12a和12b。第一和第二導電支承條12a和12b 通過第一和第二通路堆疊32a和32b分別連接到第一和第二導電墊30a和 30b。第一和第二導電墊30a和30b又通過第三和第四通^各堆疊33a和3:3b 分別連接到第一和第二金屬線22a和22b。導電可熔鏈14、第一和第二導電 支承條12a和16b、以及第 一和第二金屬線22a和22b全部位于相同的第一 金屬層級，而第一和第二導電墊30a和30b位于第一金屬層級上方的不同的 第二金屬層級，如圖3所示。
圖4示出具有與圖3的激光熔絲類似結(jié)構(gòu)的另一激光熔絲，除了通路堆 疊32a、 32b、 33a和33b中的導電通路以2x2方陣布置，而不是如圖3中 那樣以垂直列布置，且一個或多個間隙腔34設(shè)置在導電可熔鏈14兩側(cè)，從 而防止或減少熔絲熔斷過程中對其中嵌入有導電可熔鏈14的ILD層的損壞。
本發(fā)明的激光熔絲結(jié)構(gòu)能通過具有從約0.5^至約2.5^的能量水平的一 個或多個激光束容易地熔斷或刪去，更優(yōu)選地從約0.9^至約2.3|ij，還更優(yōu)選地約2.0pj。激光束可包含具有從約1.0pm至約5.0|am直徑的單個激光斑 點或多個激光斑點，更優(yōu)選地/人約2.0pm至約4.0fim，還更優(yōu)選地約4.0|im。 如果激光束包含多個激光斑點，這樣的多個激光斑點優(yōu)選彼此間隔開從約 0.5^mi至約5.0pm范圍的距離，更優(yōu)選地從約l.Ojam至約3.5pm,還更優(yōu)選 i也約2.0pm。
圖5A和5B示出本發(fā)明的多個激光熔絲在構(gòu)建之前和構(gòu)建之后的照片， 所述多個激光熔絲通過具有約l.O^ij能量水平且包含彼此間隔開約l|am的兩 個4.0jum激光斑點的激光束構(gòu)建。
雖然圖l-5B示例性展示了根據(jù)本發(fā)明特定實施例的示范性激光熔絲結(jié) 構(gòu)，但是清楚的是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能容易地修改這里示出的與上面的 描述一致的激光熔絲結(jié)構(gòu)以適應特定應用要求。因此應意識到，本發(fā)明不限 于上面示出的特定實施例，而是在實用上延及任何其他修改、變型、應用和 實施例，且因此全部這樣的其他修改、變型、應用和實施例將被視為在本發(fā) 明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光熔絲結(jié)構(gòu)，包括第一和第二導電支承元件，以間隔開的關(guān)系位于集成電路(IC)芯片的第一金屬層級；至少一個導電可熔鏈，位于該第一金屬層級且在該第一和第二導電支承元件之間用于直接連接該第一和第二導電支承元件；第一和第二連接元件，位于該IC芯片的不同的第二金屬層級，其中該第一和第二導電支承元件通過第一和第二通路堆疊分別連接到該第一和第二連接元件，該第一和第二通路堆疊每個包括延伸于該第一和第二金屬層級之間的一個或多個導電通路；以及第一和第二金屬線，位于該第一金屬層級，其中該第一和第二連接元件通過第三和第四通路堆疊分別連接到該第一和第二金屬線，該第三和第四通路堆疊每個包括延伸于該第一和第二金屬層級之間的一個或多個導電通路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中該第一金屬層級是該IC 芯片的末級銅層級。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中該不同的第二金屬層級是 位于該末級銅層級下面的倒數(shù)第二銅層級。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中該不同的第二金屬層級是 位于該末級銅層級之上的鋁布線層級。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中該第一和第二金屬線之一 連接到該IC芯片的功能部件，且其中該第一和第二金屬線中的另一個連接 到該IC芯片的電源層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中該IC芯片的該功能部件 具有不小于30mA的工作電流，且其中該激光熔絲結(jié)構(gòu)的特征在于不小于 30mA的電流容量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個導電可熔鏈 的特征在于選自包括至少約8|iim的長度、不超過約2pm的寬度和不超過約 2pm的厚度的組中的一個或多個尺寸參數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個導電可熔鏈 的特征在于選自包括至少約12jim的長度、不超過約ljam的寬度和不超過約.1.5|im的厚度的組中的一個或多個尺寸參數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，包括平行布置且彼此間隔開不 超過2|im距離的多個導電可熔鏈。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，包括平行布置且彼此間隔開 不超過1.5pm距離的多個導電可熔鏈。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中該第一和第二通路堆疊 包含的該導電通路包括選自Al、 W和它們的組合構(gòu)成的組中的一種或多種 自鈍化導電材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中該第一金屬層級嵌入于 層級間絕緣層中，該層級間絕緣層包含在所述至少一個導電可熔鏈任一側(cè)或 兩側(cè)的 一個或多個間隙腔。
13. —種用于構(gòu)建權(quán)利要求1的激光熔絲結(jié)構(gòu)的方法，包括施加至少一 個激光束到所述至少一個導電可熔鏈，該至少一個激光束具有從約0.5|uj到 約2.5RJ的能量水平。
14. 一種集成電路(IC)芯片，包括權(quán)利要求1的激光熔絲結(jié)構(gòu)，其中 該第一金屬層級是該IC芯片的末級銅層級。
15. —種集成電路(IC)芯片，包括激光熔絲，該激光熔絲包括單個可 熔鏈或者平行布置的多個可熔鏈，其中所述激光熔絲位于所述IC芯片的末 級金屬層級，其中所述激光熔絲的一側(cè)連接到該IC芯片的功能芯片，且其 中所述激光熔絲的另一側(cè)連接到該IC芯片的電源總線。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的IC芯片，其中該IC芯片的該功能部件具有 不小于30mA的工作電流，且其中該激光熔絲的特征在于不小于30mA的電 流答量。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的IC芯片，其中該激光熔絲的該可熔鏈或多 個可熔鏈的特征在于選自包括至少約12)jm的長度、不超過約l|iim的寬度和 不超過約1.5)im的厚度的組中的一個或多個尺寸參數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的IC芯片，其中該激光熔絲包括平行布置且 彼此間隔開不超過1.5pm距離的多個可熔鏈。
19. 一種用于構(gòu)建權(quán)利要求15的IC芯片的方法，包括向所述激光熔絲 施加至少一個激光束，該激光束具有從約0.5)ij到約2.5pj范圍的能量水平。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中在所述IC芯片的該功能部件變 成非功能性之后，施加所述至少一個激光束。 —
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于高功率應用的激光熔絲結(jié)構(gòu)。具體地，本發(fā)明的激光熔絲結(jié)構(gòu)包括第一和第二導電支承元件(12a、12b)、至少一個導電可熔鏈(14)、第一和第二連接元件(20a、20b)、以及第一和第二金屬線(22a、22b)。導電支承元件(12a、12b)、導電可熔鏈(14)、以及金屬線(22a、22b)位于第一金屬層級(3)，而連接元件(20a、20b)位于不同的第二金屬層級(4)且通過延伸于第一和第二金屬層級(3、4)之間的導電通路堆疊(18a、18b、23a、23b)連接到導電支承元件(12a、12b)和金屬線(22a、22b)。
文檔編號H01L23/525GK101322244SQ200680045051
公開日2008年12月10日 申請日期2006年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者保羅·S·麥克勞克林, 克里斯托弗·D·馬齊, 埃里克·L·赫德伯格, 張大勇, 斯蒂芬·E·格雷科, 簡·E·溫, 諾曼·J·羅勒 申請人:國際商業(yè)機器公司