專利名稱：電可再編程熔絲器件、其制造方法及集成電路器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
將如下理解圖3和4的基于PCM的eFUSE器件的操 作。由于PCM殼306的塊體處于晶體狀態(tài)中，所以在"In"和"Out，， 端之間具有相對(duì)低的電阻。電RESET脈沖(如上所述的)到加熱器 端hi和h2的施加導(dǎo)致從加熱器核心向外延展的熔化區(qū)，其在淬火 后變成非晶區(qū)402。非晶區(qū)402具有高電阻系數(shù)并阻擋"In"和"Out" 端之間的電流通路，從而器件在RESET之后處于非導(dǎo)電OFF狀 態(tài)。相反地，較低溫度、較緩慢的SET脈沖的施加使系統(tǒng)返回到晶 體的導(dǎo)電ON狀態(tài)。0027圖5是描繪圖3和4的eFUSE器件300的等價(jià)電路的示 意圖，其特別地說(shuō)明獨(dú)立的加熱器和PCM電路，這是對(duì)于eFUSE 應(yīng)用的合乎需要且方便的布局。通過(guò)仿真，用于RESET操作的加熱 器功率是大約1.3mW量級(jí)，而用于SET操作的功率更小。通過(guò)從電 壓源502施加適當(dāng)?shù)碾娒}沖到加熱器302的輸入端的電極hl、 h2來(lái) 實(shí)施eFUSE 300的編程(例如，作為BIST協(xié)議的一部分)。跨越 eFUSE端"In"和"Out，，的電阻可以通過(guò)施加短時(shí)間的大電壓脈沖V 而設(shè)置成高值(使PCM 306變成非晶的)，以及通過(guò)施加較長(zhǎng)時(shí) 間、較低幅度的電壓脈沖而設(shè)置成低值(使PCM 306變成晶體 的)。[0028示例器件尺寸可以是大約以下量級(jí)加熱器半徑25-80nm;電絕緣體(例如，氧化物)厚度5-10nm; PCM厚度20-80nm;以及整個(gè)器件高度200-500nm,但是，在這點(diǎn)上不應(yīng)當(dāng)在限 制意義上解釋公開(kāi)內(nèi)容。作為具體例子，器件的仿真尺寸包括50nm 的加熱器半徑、5nm的氧化物厚度、Mnm的PCM厚度、400nm的 器件高度。由于300K的限定好的外部邊界條件，所以350°C等值線 (表示在溫度誘發(fā)的相變操作過(guò)程中PCM的溫鋒)的最大半徑是大 約135nm。因此，器件半徑(即加熱器核302的中心跟熱/電絕緣體
材料308與低K材料306之間界面之間的距離)在該例子中將是大 約270nm。[00291關(guān)于材料選擇，可以用具有在金屬/半導(dǎo)體邊界上的大約 (例如)1.5xl(T3Q.cm的電阻系數(shù)的難熔材料例如TaSiN來(lái)制造加 熱器302。這將允許在l.OV電壓下獲得1.3mW加熱器功率(該功率 對(duì)應(yīng)于從仿真估算的RESET操作)。在TaSiN的情況中，其電阻系數(shù)隨溫度的增加而稍微降低，并且可通過(guò)組成進(jìn)行調(diào)節(jié)。Si02是用于薄電絕緣層304的合適材料，其在大約5nm的示例厚度下將為加 熱器提供足夠的電絕緣。PCM材料306是低電阻系數(shù)型，例如 GeSb4。取GeSb4的晶體電阻系數(shù)為5xl(T4Q.cm，以及其非晶電阻系 數(shù)為l.OQ.cm，則熔絲器件300的"ON"和"OFF"電阻分別估算為 200Q和4.0xl05Q。[00301除了提供電絕緣之外，層308還設(shè)計(jì)成是熱絕緣的。因 此，材料例如N-BLoK (Si-C-H-N化合物)提供比氧化物更好的熱 絕緣，具有Si02熱導(dǎo)率的大約一半(例如，大約0.008 Watt cm"K:1 或更小)。熔絲器件設(shè)計(jì)使它很好地維持在大約1000°C的其最大操 作溫度以下。同樣具有低的熱和電傳導(dǎo)性的并且可以承受大約 1000°C的溫度的替代N-BLoK材料也是可接受的。[0031應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，上述eFUSE器件300的示例實(shí)施方案在多 個(gè)方面是優(yōu)于現(xiàn)有器件的。例如，器件300所占據(jù)的面積可以非常小 (例如，大約0.3x0.3nm2)?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)I/0電源來(lái)操作編程器件 300的加熱器302。盡管常規(guī)電遷移熔絲需要大約10mA的編程電 流，但基于PCM的本結(jié)構(gòu)僅使用大約2mA，并且以大約500ns或更 少(與電遷移熔絲的大約200jis對(duì)比)執(zhí)行編程.此外，與一次性電 遷移熔絲不同，基于PCM的熔絲300可以是大約10"次量級(jí)的可再 編程的。0032此外，PCM 306和金屬電極之間的界面是相對(duì)堅(jiān)實(shí)的， 因?yàn)樗３纸咏谑覝?，從而不受到提供可靠性?wèn)題的潛在根源的界 面反應(yīng)。器件300具有相對(duì)低且穩(wěn)定的ON電阻，以及相對(duì)高且穩(wěn)定
的OFF電阻；因此，它相對(duì)容易與計(jì)劃的電路應(yīng)用協(xié)作，并且無(wú)鎖 存操作可以是可能的。[0033最后，圖6~16和

圖17~26是說(shuō)明可以在半導(dǎo)體器件的 BEOL區(qū)域中制造基于PCM的eFUSE器件的示例集成技術(shù)的一系 列工藝流程圖。首先參考圖6，在邏輯或存儲(chǔ)芯片的頂(BEOL)層 600上形成電介質(zhì)層602 (例如，低K材料、Si02、 SiN等)。在電 介質(zhì)層602中制作溝槽(開(kāi)槽)604的圖案，它表示其中要形成與 eFUSE器件加熱器部分接觸的下電極的金屬的開(kāi)槽(例如，深度大 約為100nm),如圖7中所示的(例如，圖4中的加熱器端hl)。 在圖8中，溝槽通過(guò)鑲嵌工藝而填充上適當(dāng)?shù)慕佑|材料606 (例如， W、 Cu、 TiW)，然后通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)而平面化。舉例 來(lái)說(shuō)，下加熱器接觸材料606顯示為在器件的金屬級(jí)M1處形成，雖 然也可以使用不同起始位置。然后是用來(lái)電絕緣到加熱器和PCM的 接觸的相對(duì)薄的(例如，大約500-1000A)電介質(zhì)層608 (例如， Si02)，如圖9中所示的。[0034在圖10中，通過(guò)制作在其中沉積用作PCM熔絲一端的 電接觸(例如，圖4中的熔絲端"Out")的下熔絲電極接觸金屬610 (例如，W、 TiW、 Ti等)的圓形溝槽的圖案而將電介質(zhì)層608開(kāi) 槽。如隨后所示的，PCM將又包圍垂直布置的加熱器結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)注 意電介質(zhì)層608中的圖案制作在是這樣的下熔絲電極接觸金屬610 (例如，在M2級(jí))始終不貫穿層608，使得與下加熱器電極606的 金屬保持電隔離。[0035如圖11中所示的，在低K電介質(zhì)層614中所形成的開(kāi)槽 中沉積相對(duì)厚(例如，大約200-400nm)的熱和電絕緣材料612 (例 如，N-BLoK),其表示將受保護(hù)以免受加熱PCM材料的熱影響的 區(qū)域。低K電介質(zhì)層614和N-BLoK絕緣材料612在電介質(zhì)層608 和下熔絲電極接觸金屬610上面形成。然后，在圖12中，將N-BLoK絕緣材料612的一部分本身制作圖案、向下刻蝕至下熔絲電極 610，以及填充隨后被平面化的PCM 616。 N-BLoK和PCM形成都
可以根據(jù)鑲嵌處理技術(shù)。[0036進(jìn)行到圖13，在N-BLoK絕緣材料612和PCM 616上形 成另一個(gè)電介質(zhì)層618 (例如，Si02)。將電介質(zhì)層618制作圖案、 刻蝕、以及填充上導(dǎo)電材料(例如，W、 Cu、 TiW)，使得形成上 熔絲電極620 (在示例的金屬級(jí)M3)。在所描繪的實(shí)施方案中，上 熔絲電極620的形狀具有與下熔絲電極610相同的圃形圖案。在圖 14中，穿過(guò)上熔絲電極620、 PCM616、下熔絲電極610和電介質(zhì)層 608，并在下加熱器電極606上停止，而刻蝕出高縱橫比通孔622 (例如，4:1)。然后是電絕緣襯墊材料624例如硅氧化物的共形沉 積(例如，原子層沉積(ALD)、等離子體輔助化學(xué)汽相沉積 (PECVD))。襯墊材料624具有大約10nm的示例厚度。有許多 適合于共形氧化物沉積的化學(xué)物，其中的一些列舉如下 SiCh 化學(xué)物 沉積溫度TEOS Si(OC2H5)4 200。C或400。C硅烷 珪烷 400oCOMCTS SiCOH 350oCPlasmatherm 珪烷 200°C-400°C[0037同樣地如圖14中所示的，定向(各向異性)刻蝕用來(lái)去 除原先在暴露的下加熱器電極606上面形成的襯墊624的一部分。然 后，在圖15中，用能夠運(yùn)轉(zhuǎn)到大約1000°C而其電性能不退化的導(dǎo)電 加熱器材料626來(lái)填充通孔622 (例如，通itA蓋沉積)。在示例實(shí) 施方案中，加熱器材料626是TaxSiyNz,其中可以調(diào)節(jié)x， y和z， 以將電阻系數(shù)和熱阻系數(shù)調(diào)整到適合于期望應(yīng)用的范圍。例如， Ta37Si14N49在大約600°C下具有大約40il/口的薄層電阻，而 Ta29Si2SN47是更有電阻性的，在相同溫度下R口為大約30011/口，0038在圖15中還應(yīng)當(dāng)注意的是，首先將加熱器材料626的初 始覆蓋沉積平面化至對(duì)齊上熔絲電極620和電介質(zhì)層618的頂部。然 后，為了提供上熔絲電極620和隨后形成的上加熱器電極之間的電隔 離，在電介質(zhì)層618、上熔絲電極620以及加熱器材料626上面形成另一個(gè)電介質(zhì)層628 (例如，Si02)。將電介質(zhì)層628刻蝕以重新暴 露加熱器材料626，使得可以通過(guò)額外Ta,SiyNz的沉積和平面化而在 其上添加加熱器延伸630。在形成加熱器延伸630之后，在電介質(zhì)層 628和加熱器延伸630上面在金屬級(jí)M4處形成最終電介質(zhì)層632 (例如，Si02)。然后，將電介質(zhì)層632刻蝕并填充上導(dǎo)電材料(例 如，W、 Cu、 TiW)以形成上加熱器電極接觸634。[0039如上所述，從平面透視圖來(lái)看，eFUSE器件的圓柱形實(shí) 施方案的特征在于圓形橫截面元件。圖16說(shuō)明在上述工藝流程例子 中的處于M3級(jí)的上熔絲電極620、電絕緣襯墊624以及加熱器材料 626的上橫截面圖。平臺(tái)區(qū)域636可以包含在熔絲電極620的一般圓 形圖案中以便提供與器件的BEOL區(qū)域的另外金屬級(jí)的接觸。類似 類型的平臺(tái)區(qū)域也可以用于處于M2布線級(jí)的下熔絲電極610。[0040在eFUSE的覆蓋區(qū)不是約束因素的器件應(yīng)用中，整個(gè)結(jié) 構(gòu)可選地可以在關(guān)于襯底的水平方向上構(gòu)建。也就是，加熱器元件的 縱軸可以取向在單個(gè)器件水平上而不是垂直布置。這種示例實(shí)施方案 的制造在圖17~26中說(shuō)明，其中對(duì)于具有(a)和(b)標(biāo)號(hào)的那些 圖，(a)部分表示側(cè)橫截面視圖，而(b)標(biāo)號(hào)是頂視圖。[0041現(xiàn)在參考圖17，在邏輯或存儲(chǔ)芯片的頂(BEOL)層 1700上形成低K電介質(zhì)層1702。在低K電介質(zhì)層中制作溝槽的圖 案，以便在其中容納在沉積之后被平面化的熱和電絕緣材料(例如， N-BLoK)(圖17中沒(méi)有顯示)。然后如圖18 (a)中所示的，將 N-BLoK層1704本身制作圖案并刻蝕，使得形成將容納eFUSE PCM材料的下半部分的開(kāi)槽1706。圖18 (b)是圖18 (a)的頂視 圖。在圖19 (a)和19 (b)中顯示PCM 1708的沉積和平面化。0042進(jìn)行到圖20 ( a )和20 (b ) , PCM 1708和N隱BLoK層 1704的相對(duì)端形成熔絲接觸電極1710"In，，和"Out"。并且，與早先 描述的實(shí)施方案形成對(duì)比，熔絲器件的兩個(gè)終端布置在相同器件級(jí) 上。然后，如圖21 (a)和21 (b)中所示的，在PCM 1708中形成 延長(zhǎng)的加熱器溝槽，并且完全延伸穿過(guò)熔絲接觸電極1710。加熱器
溝槽填充上電絕緣襯墊材料1712 (例如，Si02的ALD)，然后填充 加熱器材料1714 (例如，TaxSiyNz)。在將加熱器材料1714平面化 之后，然后可以沉積額外襯墊材料1712,以便完全密封加熱器材料 1714。為了清晰，沿著圖21 (a)中的箭頭"B"獲取圖21 (b)，使 得僅說(shuō)明襯墊材料1712的溝槽部分。[0043然后如圖22 (a)和22 (b)中所示的，去除并不直接包 圍加熱器材料1714的襯墊材料的那部分。這可以通過(guò)例如刻蝕用來(lái) 制造加熱器溝槽圖案的掩模來(lái)實(shí)施。現(xiàn)在參考圖23，重復(fù)在圖17-19 中概述的步驟，以便形成低K電介質(zhì)1702、 N-BLoK層1704和 PCM 1708的額外高度。然后是在圖24中的熔絲電極材料1710的額 外建立，以便與圖23中形成的添加高度一致。然后，在圖25中，在 熔絲電極材料1710和PCM 1708 (用虛線標(biāo)記)的最終高度上面添 加低K電介質(zhì)1702和N-BLoK 1704的另一個(gè)額外高度，然后是添 加低K電介質(zhì)1702的頂層以覆蓋N-BLoK 1704的最終高度。因 此，應(yīng)當(dāng)看到關(guān)于加熱器1714的縱軸，低K材料1702包圍N-BLoK 1704， 1704又包圍PCM 1708 (被圖26中的"IN，，熔絲電極 1710遮蔽)，1708又包圍襯墊材料1712，而1712又包圍加熱器材 料1714。[0044最后，如圖26 (a)和26 (b)中所示的，在結(jié)構(gòu)中形成 垂直通孔1716，以便提供到熔絲電極1710的以及到加熱器端部(即 Hl、 H2)的BEOL布線接觸，還應(yīng)當(dāng)注意到，圖26 (b)的頂視圖 是沿著圖26 (a)中的多個(gè)平面線B-B獲取的，以便說(shuō)明器件中的每 個(gè)不同材料。[0045雖然已經(jīng)關(guān)于優(yōu)選實(shí)施方案描述發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù) 人員應(yīng)當(dāng)明白可以進(jìn)行各種修改，并且等價(jià)物可以替換其中的元 件，而不背離發(fā)明的范圍。另外，可以進(jìn)行許多修改，以使特定情形 或材料適應(yīng)發(fā)明的講授內(nèi)容，而不背離其基本范疇.因此，發(fā)明不限 于作為被認(rèn)為是實(shí)施本發(fā)明的最佳方式而公開(kāi)的特定實(shí)施方案，而是 發(fā)明將包括處于附加權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案，
權(quán)利要求
1.一種用于集成電路器件中的電可再編程熔絲(eFUSE)器件，包括延長(zhǎng)的加熱器元件；包圍延長(zhǎng)的加熱器元件的外表面的，對(duì)應(yīng)于其縱軸的，使延長(zhǎng)的加熱器元件的相對(duì)端與第一和第二加熱器電極電接觸的電絕緣襯墊；包圍電絕緣襯墊的外表面的一部分的相變材料(PCM)；包圍PCM的外表面的熱和電絕緣層；以及與PCM的相對(duì)端電接觸的第一和第二熔絲電極；其中PCM密封在電絕緣襯墊、熱和電絕緣層以及第一和第二熔絲電極中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的eFUSE器件，其中第一和第二加熱器電極 與第一和第二熔絲電極電隔離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的eFUSE器件，其中PCM是以下中的一 種鍺(Ge)、銻(Sb)和碲(Te)的三元合金(GST)，以及Ge 和Sb的化合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的eFUSE器件，其中加熱器元件由TaxSiyNz 制成，其中可選擇性地調(diào)節(jié)x， y和z,以調(diào)整加熱器元件的電阻系 數(shù)和熱阻系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的eFUSE器件，其中熱和電絕緣層具有大約 0.008 Watt cm"K1或更小的熱導(dǎo)率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的eFUSE器件，其中熱和電絕緣層包括Si-C-H-N的化合物或者具有基本類似的熱和電傳導(dǎo)性以及基本類似的 抗熱循環(huán)的材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的eFUSE器件，其中電絕緣襯墊包括 Si02o
8. —種集成電路器件，包括在集成電路器件的線后端(BEOL)區(qū)域中形成的電可再編程熔 絲(eFUSE)器件，該eFUSE器件進(jìn)一步包括 延長(zhǎng)的加熱器元件；包圍延長(zhǎng)的加熱器元件的外表面的，對(duì)應(yīng)于其縱軸的，使延長(zhǎng)的 加熱器元件的相對(duì)端與第一和第二加熱器電極電接觸的電絕緣襯墊； 包圍電絕緣襯墊的外表面的一部分的相變材料(PCM); 包圍PCM的外表面的熱和電絕緣層；以及 與PCM的相對(duì)端電接觸的第一和第二熔絲電極； 其中PCM密封在電絕緣襯墊、熱和電絕緣層以及第一和第二熔 絲電極中，使得保護(hù)BEOL區(qū)中的電介質(zhì)材料免于作為eFUSE器件 編程結(jié)果的由加熱器元件產(chǎn)生的操作溫度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路器件，其中第一和第二加熱器電 極與第 一和第二熔絲電極電絕緣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路器件，其中PCM是以下中的一 種鍺(Ge)、銻(Sb)和碲(Te)的三元合金(GST)，以及Ge 和Sb的化合物。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的集成電路器件，其中加熱器元件由 Ta,SiyNz制成，其中可選擇性地調(diào)節(jié)x， y和z,以調(diào)整加熱器元件的 電阻系數(shù)和熱阻系數(shù)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的集成電路器件，其中熱和電絕緣層包括 Si-C-H-N的化合物或者具有基本類似的熱和電傳導(dǎo)性以及基本類似 的抗熱循環(huán)的材料。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的集成電路器件，其中電絕緣襯墊包括 Si02。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路器件，其中eFUSE器件被配置 以促進(jìn)PCM材料在2mA或更小的加熱器電流下在電阻性的非晶狀 態(tài)與導(dǎo)電性的晶體狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路器件，其中eFUSE器件被配置 以促進(jìn)PCM材料在大約500ns或更小的編程過(guò)程中在電阻性的非晶 狀態(tài)與導(dǎo)電性的晶體狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。
16. 根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路器件，其中加熱器元件的縱軸水 平地布置在BEOL區(qū)中，使得第一和第二加熱器電極彼此布置在相 同金屬級(jí)中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求8的集成電路器件，其中加熱器元件的縱軸垂 直地布置在BEOL區(qū)中，使得第一和笫二加熱器電極彼此布置在不 同金屬級(jí)中。
18. —種形成用于集成電路器件中的電可再編程熔絲(eFUSE) 器件的方法，包括用 電絕緣襯墊沿著其縱軸包圍延長(zhǎng)的加熱器元件的外表面，使得 延長(zhǎng)的加熱器元件的相對(duì)端與第一和第二加熱器電極電接觸； 用相變材料(PCM)包圍電絕緣襯墊的外表面的一部分； 用熱和電絕緣層包圍PCM的外表面；以及 形成與PCM的相對(duì)端電接觸的第一和第二熔絲電極；其中PCM密封在電絕緣襯墊、熱和電絕緣層以及第一和第二熔絲電極中，并且其中第一和第二加熱器電極與第一和第二熔絲電極電絕緣。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中PCM是以下中的一種鍺(Ge)、銻(Sb )和碲(Te)的三元 合金(GST)，以及Ge和Sb的化合物；以及加熱器元件由TaxSiyNz制成，其中可選擇性地調(diào)節(jié)x, y和z, 以調(diào)整加熱器元件的電阻系數(shù)和熱阻系數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中熱和電絕緣層包括Si-C-H-N的化合物或者具有基本類似的熱和 電傳導(dǎo)性以及基本類似的抗熱循環(huán)的材料；以及 電絕緣襯墊包括Si02。
全文摘要
一種用于集成電路器件中的電可再編程熔絲(eFUSE)器件，包括延長(zhǎng)的加熱器元件、包圍延長(zhǎng)的加熱器元件的外表面的，對(duì)應(yīng)于其縱軸的，使延長(zhǎng)的加熱器元件的相對(duì)端與第一和第二加熱器電極電接觸的電絕緣襯墊。相變材料(PCM)包圍電絕緣襯墊的外表面的一部分，熱和電絕緣層包圍PCM的外表面，并且第一和第二熔絲電極與PCM的相對(duì)端電接觸。PCM密封在電絕緣襯墊、熱和電絕緣層，以及第一和第二熔絲電極中。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101131989SQ20071013995
公開(kāi)日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2007年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者丹尼斯·M.·紐恩斯, 克里斯蒂·森塞尼什·蒂伯格, 劉小虎, 利亞·克魯辛-艾爾鮑姆, 布魯斯·G.·艾爾梅格林, 林仲漢, 詹姆斯·P.·多伊爾 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司