專利名稱：熱起動(dòng)的抗噪聲熔絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在VLSI(超大規(guī)模集成)電路中的電可編程的熔絲的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，更具體地涉及呈現(xiàn)抗噪聲性能的縮小的熔絲的設(shè)計(jì)，從而防止它受到寄生噪聲信號(hào)的意外編程。
電可編程熔絲已廣泛地用在超大規(guī)模集成電路(VLSI)的設(shè)計(jì)與制造中。
熔絲通常用于冗余性目的，其中集成電路(IC)芯片或IC組件內(nèi)的某些缺陷區(qū)可以在電氣上加以斷開并用工作區(qū)來取代。這種編程熔絲技術(shù)以熟悉本技術(shù)的人所共知的方式具有提高產(chǎn)量及增加電路設(shè)計(jì)人員的靈活性的優(yōu)點(diǎn)，提供了諸如工程改變(EC)等“修理”的方便。
通常，熔絲可在稱作“激光突擊(zapping)”的一種操作中用(激光)來編程，其中的熔絲受到物理上加熱與熔化。其它編程技術(shù)包含以脈沖形式使電流通過熔絲鏈路以使熔絲電阻產(chǎn)生焦耳能量加熱，它熱熔化與電隔離互相之間的電連接。在這兩種情況中，能量是在編程期間直接作用在熔絲上的。
作為示例，頒給Machida等人的英國專利2,237,446A中描述了在具有將熔絲連接到外部布線與編程源的兩個(gè)端點(diǎn)的熔絲上形成開路的一種過程。

圖1a與1b中示出了按照Machida等人的指導(dǎo)的一種熔絲。
另外，如圖2a與2b中所示的第二種典型的熔絲設(shè)計(jì)中，能量可間接作用在熔絲上。這種設(shè)計(jì)在頒給Lester等人的美國專利5,084,691中有所描述，其中具有一個(gè)或多個(gè)加熱元件12的一個(gè)可編程熔絲示出為提供足夠的能量來熔化一種低溫焊接合金11。該熔絲由緊鄰熔絲放置并將熔化溫度提升到足夠高的程度來保證斷開的能源來斷開。
在Machida等人與Lester等人以及本技術(shù)中已知的類似結(jié)構(gòu)所描述的類型的熔絲中，內(nèi)在固有兩個(gè)在熔絲的編程期間通過電流的端。所有熔絲公有的為實(shí)際上導(dǎo)致熔絲斷開的通過兩端的焦耳熱量與電流的組合。
雖然熔絲構(gòu)成與集成化這些內(nèi)容是熟悉本技術(shù)的人員所熟知的，但這種熔絲存在著嚴(yán)重的缺點(diǎn)。
首先，當(dāng)向一塊IC芯片供電時(shí)，在線路中總會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的電流與電壓“尖峰”而導(dǎo)致線路中的功率起伏。在芯片集成度提高與電路尺寸縮小到亞微米級(jí)時(shí)，這種情況尤為重要。其次，環(huán)境中的電噪聲通常能使電壓擺動(dòng)超過IC芯片設(shè)計(jì)的規(guī)范。如果出現(xiàn)這些擺動(dòng)或噪聲“尖峰”中的一種，相信上述類型的熔絲可達(dá)到意外編程所要求的閾值以上的一個(gè)點(diǎn)，從而無意中燒斷熔絲。
從而，本發(fā)明的主要目的為提供一種抗噪聲的熔絲，即保護(hù)它不受可能觸發(fā)意外的編程的電噪聲的影響。
另一個(gè)目的為提供一種能以通過該熔絲的較低電流編程的熔絲結(jié)構(gòu)。
又一個(gè)目的為提供具有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)或BiCMOS(雙極CMOS)工藝制造技術(shù)最少增加的一種熔絲制造方法。
又另一目的為提供在“燒斷”期間產(chǎn)生最少的碎屑的具有編程能力的一種熔絲結(jié)構(gòu)。
另一個(gè)目的為提供能縮小到集成電路尺寸的一種熔絲結(jié)構(gòu)。
更具體的目的為提供IC芯片已安裝在下一級(jí)組件(諸如模件或卡)上長時(shí)間之后能夠編程的一種熔絲結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明的上述與其它目的，在具有用絕緣層絕緣的一塊基極的集成電路中，提供了可編程的熔絲結(jié)構(gòu)，它包括一塊由絕緣層絕緣的基板；一個(gè)包括一對(duì)在絕緣層上的攜帶電流的熔絲鏈路的可編程的熔絲結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)熔絲鏈路互相十分靠近；熱傳導(dǎo)材料的耦合層，該對(duì)熔絲鏈路是由該耦合層熱耦合的；以及用于通過起動(dòng)熔絲鏈路對(duì)中的第二鏈路來將能量從對(duì)中的第二鏈路經(jīng)由熱傳導(dǎo)材料層傳送到第一鏈路而編程熔絲鏈路對(duì)中的第一鏈路的裝置。
下面參照附圖用本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例來進(jìn)一步描述本發(fā)明，附圖中相同的參照數(shù)字在若干視圖中用來描繪相同的元件，附圖中圖1a-1b為第一種現(xiàn)有技術(shù)熔絲結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2a-2b為第二種現(xiàn)有技術(shù)的熔絲結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為示出按照本發(fā)明的熔絲結(jié)構(gòu)的透視三維視圖；圖4a-4b分別為按照本發(fā)明的熔絲結(jié)構(gòu)的俯視與側(cè)視示意圖。
現(xiàn)在參見示出按照本發(fā)明的教導(dǎo)的一種熔絲結(jié)構(gòu)的圖3，一條熔絲鏈路25電連接在接線端20之間，后者又連接在電源上。采用與熔絲鏈路25相似但不完全相同的設(shè)計(jì)，將連接接線端22的一條第二鏈路27放置在緊鄰熔絲鏈路25處(即只要當(dāng)前金屬板印刷工藝允許便盡可能靠近，通常為0.5微米數(shù)量級(jí))，采用一個(gè)熱傳導(dǎo)元件10作為電絕緣體與熱導(dǎo)體以便編程該熔絲。如果電壓單獨(dú)地作用在鏈路25與27上，任何一條熔絲鏈路都不會(huì)“燒斷”。將這一熔絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得充分堅(jiān)固，即使電路中電噪聲的大變化也不足以導(dǎo)致熔絲被編程。在編程期間，電流同時(shí)通過熔絲25與27，使得兩個(gè)元件中都產(chǎn)生一定量的焦耳加熱。在兩條線上出現(xiàn)電流時(shí)熱傳導(dǎo)層10防止從熔絲25的熱損失使熔絲達(dá)到其熔點(diǎn)的程度。流經(jīng)兩條熔絲鏈路的電流可以是在一個(gè)極短的延時(shí)瞬間中順序地作用的同步脈沖的形式或者也可以是同時(shí)出現(xiàn)的脈沖。
在第二優(yōu)選實(shí)施例中，可將熔絲鏈路25與27布置成互相上下地通過而產(chǎn)生與上面所描述的相同的效果。在這種布置中，熱耦合材料必須電氣地隔離兩條熔絲鏈路。
如上所述，熔絲鏈路25與27是用一個(gè)絕緣層10復(fù)蓋或重疊的，并且是建在一個(gè)絕緣層2上的。熔絲鏈路25是設(shè)計(jì)成用作啟動(dòng)編程的電路的一部分的主熔絲的。鏈路27為副熔絲，并設(shè)計(jì)成啟動(dòng)編程主熔絲的電路的一部分。
主熔絲25與副熔絲27兩者都設(shè)計(jì)成活動(dòng)元件，(一個(gè)活動(dòng)元件定義為，如果提供給任一熔絲鏈路足夠的能量便能“燒斷”)。然而，為了提供較簡單的制造與控制工藝，熔絲最好不用相似的燒斷特征制成，而是提供主熔絲以比副熔絲27更高的功率生成能力。當(dāng)熔絲是用相同的厚度、寬度與成分構(gòu)成時(shí)，這一任務(wù)可通過控制熔絲鏈路的長度容易地完成，同時(shí)容許熔絲鏈路從同一電源工作。
圖4a-4b示出按照本發(fā)明的熔絲結(jié)構(gòu)的平面(俯視)與剖視(側(cè)視)圖。雖然圖3中的熔絲設(shè)計(jì)示出分別連接4個(gè)觸點(diǎn)或接線端20與22的兩條熔絲鏈路25與27，但熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能理解，可在設(shè)計(jì)中有利地采用多條與鏈路25與27相似的熔絲鏈路。
置于熔絲鏈路25與27上方的熱耦合層10在主熔絲鏈路25與副熔絲鏈路27之間提供一條熱鏈路。從而，由于其將熱能傳送給主熔絲25的能力，副熔絲27具有許多與為加熱元件同樣設(shè)計(jì)的屬性。熱耦合層10是由任何具有高熱傳導(dǎo)性的電絕緣材料制成的，諸如BeO、Al3N4或金剛石。本技術(shù)的專業(yè)人員應(yīng)能容易地理解上述材料只是為示例的目的而列舉的，而材料成分的變化將會(huì)提供同樣令人滿意的結(jié)果。類似地，只要熱耦合層10連接兩個(gè)熔絲元件，便有可能通過在結(jié)構(gòu)內(nèi)不同的層次上建立主與副熔絲而產(chǎn)生相同的功能。
副熔絲元件27的功能為一旦在編程電平上激勵(lì)了主熔絲時(shí)，便使主熔絲的能量耗散率互相配合。當(dāng)副熔絲不活躍時(shí)，能量能通過熱耦合層10從活躍的主熔絲迅速地耗散到副熔絲區(qū)中并從兩條熔絲耗散到全部周圍環(huán)境中。當(dāng)啟動(dòng)副熔絲時(shí)，隨著其通過熱耦合層傳送能量的潛力受到限制而降低了從主熔絲到副熔絲的能量耗散率。由于其控制從主熔絲鏈路25的能量損失率的能力，副熔絲鏈路27獲得通常分配給選通元件的功能。從而在正常的電路操作中，主熔絲的溫度始終高于副熔絲的溫度。
圖4b中所示的層6、7與8展示該熔絲通常是埋置在工藝的后期中鍍復(fù)的多層下面的，諸如在芯片的特性化期中。通常，層6可能是隔離器件與第一金屬層的電絕緣體。諸如SiO2等材料可用作層6。層7通常是一個(gè)平面化層并可以是能用本技術(shù)中眾所周知的方法平面化的玻璃或絕緣體。最后，可以在平面結(jié)構(gòu)上形成層8，層8可以是金屬、聚酰亞胺或適用于芯片或組件的布線的某種其它材料。由于并不認(rèn)為它們是本發(fā)明的主要部分而在圖3中未示出層6、7與8。
通過采用有限元法建立了一個(gè)熱模型，已經(jīng)研究了圖4a中所示的熔絲結(jié)構(gòu)的熱性能來展現(xiàn)按照本發(fā)明的熔絲結(jié)構(gòu)的有效性。采用2000厚的多晶硅層25與27在5000的SiO2鍍層2上建立兩條熔絲鏈路。然后在熔絲層25與27上涂復(fù)一層2000的BeO。然后根據(jù)需要在多層結(jié)構(gòu)上復(fù)蓋SiO2絕緣層與多晶硅層以提供對(duì)熔絲鏈路的電連接。主熔絲鏈路25的典型尺寸為2×0.5微米，而副熔絲鏈路27則為3×0.5微米。熱耦合層10的尺寸為1×2微米。從實(shí)驗(yàn)上已確定具有這些特征的熔絲在熔絲鏈路材料在熔化狀態(tài)中時(shí)，可通過作用一個(gè)電壓脈沖至少0.4毫秒而加以編程。
熔絲25與27最好由摻雜的多晶硅制成而使它們導(dǎo)電。多晶硅線可以很好地用作熔絲，因?yàn)樗鼈兊碾娮枳銐蚋呖梢栽诩由厦}沖時(shí)提供足夠的焦耳加熱。在加上脈沖時(shí)某些多晶硅線呈現(xiàn)電流感應(yīng)的電阻改變(CIRC)性質(zhì)。多晶硅的摻雜物與粒度可加以優(yōu)化以增進(jìn)或推遲這一效應(yīng)。也有可能使熔絲對(duì)較低的電阻呈現(xiàn)CIRC性質(zhì)，并且在保持電流時(shí)仍然燒斷。CIRC性質(zhì)在P型多晶硅中比在n型摻雜材料中更為常見。也可以在多晶硅上方形成作為熔絲工作但具有不顯示CIRC性質(zhì)的明顯優(yōu)越性的硅化物材料(諸如TiSi2或WSi2)。本技術(shù)的專業(yè)人員完全理解也可采用其它導(dǎo)電材料來得到相似的結(jié)果。
對(duì)上述結(jié)構(gòu)的評(píng)估顯示1微秒之后便能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的最高溫度取決于作用的脈沖的類型。按照一個(gè)優(yōu)選模型，當(dāng)一個(gè)電壓脈沖只作用在主熔絲上時(shí)，則發(fā)現(xiàn)主熔絲達(dá)到的最高溫度為1280℃，而副熔絲則為527℃。這一能量不足以使主熔絲達(dá)到其熔點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)電壓脈沖只作用在副熔絲上時(shí)，主熔絲達(dá)到400℃而副熔絲達(dá)到922℃。這也不足以“燒斷”被激勵(lì)的熔絲。最終，當(dāng)一個(gè)電壓脈沖同時(shí)作用在兩條熔絲上時(shí)，同時(shí)激勵(lì)兩條熔絲之后0.1微秒主熔絲便達(dá)到其熔化溫度。當(dāng)一個(gè)3伏脈沖作用在該結(jié)構(gòu)上時(shí)，在大于0.5微秒內(nèi)副熔絲溫度不超過1400℃而達(dá)到的最高溫度為1416℃。
當(dāng)同一電壓脈沖作用在兩條熔絲上時(shí)，下述兩種保護(hù)性機(jī)制防止副熔絲意外地?zé)龜嘣诳赡堋盁龜唷备比劢z之前較長的時(shí)間內(nèi)才使主熔絲達(dá)到使其“燒斷”的熔點(diǎn)溫度，與流經(jīng)主熔絲的電流相比作用在副熔絲的熔絲鏈路上的電流較低。這使得燒斷副熔絲所需的時(shí)間比燒斷主熔絲所需的時(shí)間增加0.4微秒以上。然而熟悉本技術(shù)的人員應(yīng)能理解上述保護(hù)機(jī)制中任何一種本身已足以防止副熔絲的意外“燒斷”。
采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝可達(dá)到制造抗熱噪聲的可編程熔絲的目的。在一塊平面基板上，最好作為復(fù)蓋膜涂復(fù)諸如SiO2等的一個(gè)絕緣層。同樣作為復(fù)蓋膜涂復(fù)大約0.2μm厚的諸如多晶硅等適當(dāng)?shù)娜劢z材料。采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)用單一的掩膜顯影并同時(shí)蝕刻主與副熔絲鏈路，借此保證熔絲之間的距離保持不變。兩條熔絲鏈路之間的典型距離具有0.5μm的數(shù)量級(jí)，但可以根據(jù)所要求的型號(hào)而改變。熔絲是采用諸如CF等氣體在活性離子蝕刻工具中用各向異性蝕刻法進(jìn)行蝕刻的。然后作為復(fù)蓋膜在熔絲結(jié)構(gòu)上涂復(fù)諸如BeO等導(dǎo)熱層?？梢杂羞x擇地從膜片上去掉導(dǎo)熱層而只留下連接與復(fù)蓋兩條熔絲鏈路的一條材料帶。然后涂復(fù)諸如SiO2等絕緣層而在全部表面上形成保護(hù)層。采用接觸級(jí)金屬板印刷術(shù)(Contact level lithography)在兩條熔絲鏈路的兩端上開出觸點(diǎn)。得到的結(jié)構(gòu)示出在圖3與4a-4b中。
作為替代，也可通過增加一層垂直地放置在熔線結(jié)構(gòu)上方的導(dǎo)熱材料而制成諸如前面描述的一種熔絲結(jié)構(gòu)?？蓪⒏比劢z制成只有一部分熔絲結(jié)構(gòu)跨越主熔絲，但保證保持與導(dǎo)熱層在物理上接觸。
雖然參照特定的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但熟悉本技術(shù)的人員容易理解可以在不脫離本發(fā)明的范圍與精神的條件下，在形式與細(xì)節(jié)上作出上述與其它變化與改型。
權(quán)利要求
1.在具有用一個(gè)絕緣層絕緣的一塊基板的一個(gè)集成電路中，一種可編程的熔絲結(jié)構(gòu)包括在所述絕緣層上的一對(duì)攜帶電流的熔絲鏈路，所述熔絲鏈路互相靠緊；一個(gè)導(dǎo)熱材料的耦合層，所述熔絲鏈路對(duì)是用所述的層熱耦合的；以及用于通過起動(dòng)所述熔絲鏈路對(duì)中的第二鏈路將能量從所述對(duì)中的所述第二鏈路經(jīng)由所述導(dǎo)熱材料層傳送到所述第一鏈路而編程所述熔絲鏈路對(duì)中的所述第一鏈路的裝置。
2.權(quán)利要求1中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述基板是用形成在所述基板上的一層SiO2絕緣的。
3.權(quán)利要求1中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述熔絲鏈路對(duì)中的各鏈路具有兩個(gè)接線端，各所述接線端分別連接在向集成電路提供布線的互連線上。
4.權(quán)利要求3中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于各所述熔絲鏈路的所述接線端之一共用一條公共的互連線。
5.權(quán)利要求1中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導(dǎo)熱層是一個(gè)電絕緣層。
6.權(quán)利要求5中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導(dǎo)熱層由選自包含BeO、Al3N4與金剛石的組中的一種材料制成。
7.權(quán)利要求1中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于用于編程的所述裝置為一個(gè)同時(shí)作用在所述熔絲對(duì)中的各鏈路上的一個(gè)電壓脈沖。
8.權(quán)利要求1中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于用于編程的所述裝置為順序地作用在所述熔絲鏈路對(duì)中的各鏈路上的一個(gè)同步脈沖。
9.權(quán)利要求1中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導(dǎo)熱與電絕緣層復(fù)蓋所述熔絲鏈路對(duì)中的第一與第二鏈路兩者。
10.權(quán)利要求1中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于第一條所述熔絲鏈路從上面跨越第二條所述鏈路。
11.權(quán)利要求1中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于第一條所述熔絲鏈路從下面跨越第二條所述鏈路。
12.權(quán)利要求1中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于一旦將第一熔絲鏈路激勵(lì)到了其編程電平，所述熔絲對(duì)的第二鏈路便選通第一熔絲鏈路的能量耗散率。
13.在具有用一個(gè)絕緣層絕緣的一塊基板的一個(gè)集成電路中，一種可編程熔絲結(jié)構(gòu)包括在所述絕緣層上的一對(duì)攜帶電流的熔絲鏈路，所述熔絲鏈路互相靠緊；一個(gè)導(dǎo)熱材料的耦合層，所述熔絲鏈路對(duì)用所述的層熱耦合；以及用于令所述第二鏈路選通由所述第一鏈路生成的能量經(jīng)由所述導(dǎo)熱材料層的傳送而限制所述熔絲鏈路對(duì)中的所述第一鏈路所生成的能量來編程所述熔絲鏈路對(duì)中的第一鏈路的裝置。
14.權(quán)利要求13中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于通過流經(jīng)所述第一鏈路的電流及由所述第二鏈路選通的在所述第一鏈路中所生成的受限制的能量的組合來進(jìn)行所述編程。
15.在具有用一個(gè)絕緣層絕緣的一塊基板的一個(gè)集成電路中，一種可編程的熔絲結(jié)構(gòu)包括絕緣層上的多對(duì)熔絲鏈路，各所述對(duì)內(nèi)的所述熔絲鏈路互相靠緊；熱耦合各所述多對(duì)熔絲鏈路的導(dǎo)熱材料；以及通過起動(dòng)所述多對(duì)中的至少一對(duì)中的一條鏈路將能量經(jīng)由所述導(dǎo)熱材料傳送到構(gòu)成要編程的所述至少一對(duì)的另一條鏈路來編程該熔絲結(jié)構(gòu)的裝置。
16.在一個(gè)集成電路中，一種可編程的熔絲結(jié)構(gòu)包括絕緣層上的至少一條熔絲鏈路；所述絕緣層上所述至少一條熔絲鏈路中的一個(gè)加熱元件；導(dǎo)熱材料的一個(gè)耦合層，所述耦合層熱耦合所述至少一條熔絲鏈路到所述加熱元件上；以及用于起動(dòng)所述加熱元件的裝置，其中來自所述加熱元件的能量是耦合到所述熔絲鏈路來斷開所述熔絲鏈路的。
17.權(quán)利要求16中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括共用所述加熱元件的多條所述熔絲鏈路。
18.權(quán)利要求16中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述加熱元件是一條熔絲鏈路。
19.權(quán)利要求16中所述的可編程熔絲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導(dǎo)熱材料是電絕緣的。
20.編程集成電路中一塊絕緣基板上的一條熔絲的一種方法，包括下述步驟在絕緣層上形成一個(gè)攜帶電流的熔絲鏈路，所述鏈路包括互相靠緊的所述對(duì)；用導(dǎo)熱材料熱耦合所述熔絲鏈路對(duì)；以及通過起動(dòng)所述對(duì)中的第二鏈路將能量從第二熔絲鏈路經(jīng)由所述導(dǎo)熱材料傳送到所述對(duì)中的第一鏈路來編程所述對(duì)的一條鏈路。
21.權(quán)利要求20中所述的編程熔絲結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述導(dǎo)熱材料是電絕緣的。
22.權(quán)利要求20中所述的編程熔絲結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述熔絲鏈路對(duì)中的一條鏈路為一個(gè)加熱元件。
全文摘要
具有亞微米尺寸的一種抗噪聲熔絲，能夠由電與熱同步的事件加以編程。該熔絲包含一對(duì)互相靠緊的熔絲鏈路、熱耦合構(gòu)成該對(duì)的兩條鏈路的一個(gè)導(dǎo)熱與電絕緣材料層以及通過促使第二鏈路選通鏈路之間經(jīng)由耦合層的能量傳送的裝置。通過組合熱與電脈沖來執(zhí)行編程功能，與單一元件的熔絲相比，極大地增進(jìn)了熔絲結(jié)構(gòu)的可靠性。
文檔編號(hào)H01H85/02GK1120735SQ9510990
公開日1996年4月17日 申請(qǐng)日期1995年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月10日
發(fā)明者R·J·貝扎馬, D·J·舍皮斯, K·塞斯?jié)h 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司