[发明专利]金属电熔断器的结构

说明书

有关申请的交叉引用

本申请要求于2010年11月23日提交、标题为“Structure of Metal e-Fuse”的第12/952,317号美国专利申请的优先权，该申请的内容在此通过引用整体并入。

技术领域

本发明主要地涉及半导体器件制造领域，并且具体地涉及金属电熔断器(e-fuse)的结构及其操作。

背景技术

在半导体集成电路装置中，一次性可编程(OTP)电子熔断器(电熔断器)称为临界器件，该临界器件经常并且一般用来为芯片中的各种任务关键部件构建冗余性，以用于在关键器件出故障的情形中的自修复目的；用于通过向集成电路(IC)芯片提供制造后配置功能来提高芯片的总产量；以及用于实现对某些安全结构部件(例如电子芯片标识(ECID))编程。随着互补金属氧化物半导体(CMOS)技术按比例缩减并且更近来采用高k金属栅极，金属电熔断器正在逐渐用来取代常规硅化多晶硅电熔断器。

图7(a)和图7(b)是如在本领域中已知的在编程之前和之后的典型金属电熔断器的简化图示。金属电熔断器700通常由在两端701和702被过孔(在本领域中称为“V1”)和布线(在本领域中称为“M1”)端接的金属链接703(在本领域中称为“M2”)组成。在编程时，如图7(b)中所示，经过M2金属链接驱动过量电子电流作为用于在通量辐散(flux divergence)部位引起电迁移空部化的手段。通常，这样的空部化在端接过孔的底部发展(诸如在V1过孔的空部710)，通量辐散通常在这里出现并且V1过孔的衬垫和金属覆盖可能在制造V1过孔和M2金属链接期间在这里未被很好地控制。然而也已经观察到空部化有时可以出现于M1或者M2布线中，从而影响可以运用图7(a)中所示结构的电熔断器的编程可再现性。

一般而言，迄今存在正在报导的主要两类金属电熔断器，其均通过在受控电子电流流动之下运用金属电迁移(EM)机制来编程。第一类金属电熔断器通过接线EM在接线(诸如铜(Cu)接线)中创建空部来工作(接线模式)。第二类金属电熔断器通过过孔EM在过孔中创建空部来工作(过孔模式)。然而两类电熔断器或者电熔断器操作模式带有包括(1)可编程性(空部化位置不可预测)和(2)可靠性(金属在被编程之后可能向外扩散)的某些顾虑和可靠性问题。

针对接线模式电熔断器的主要顾虑包括一般难以控制和再现空部位置以及空部尺寸以便实现编程后电熔断器电阻的严密分布。鉴于电熔断器编程后电阻的宽范围并且有时失控分布，变得很难表征这样的已编程电熔断器的可靠性以提供用于安全使用它的任何有意义保障。另一方面，过孔模式电熔断器也有可靠性问题。例如难以包含通常为铜的金属向外扩散，以在金属电熔断器编程期间和之后均防止对邻近器件的伴生损坏。这样的损坏可以例如包括使邻近金属线或者过孔改变电阻、金属短路或者开路以及ILD(级内或者级间电介质)泄漏增加或者故障。

发明内容

本发明的实施例提供一种半导体结构。该半导体结构包括：第一传导材料的过孔，该过孔具有底部和侧壁，侧壁的至少一部分由传导衬垫覆盖，过孔的底部形成于电介质层上面；以及第二传导材料的第一和第二传导路径，形成于电介质层上面，在侧壁经过并且仅经过过孔传导地连接第一和第二传导路径。

在一个实施例中，至少第一传导路径的电导率大于在侧壁的一部分覆盖过孔的传导衬垫的电导率。在另一实施例中，侧壁的一部分是在第一传导路径与过孔之间的侧壁。

在一个实施例中，至少一个空部在与侧壁的一部分相邻的位置存在于第一传导路径以内，其中至少一个空部由电迁移引起并且占用第一传导路径的截面的多于一半。

在一个实施例中，从由钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)及其合金构成的组选择第一传导材料，并且从由铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)及其合金构成的组选择第二传导材料。在另一实施例中，传导衬垫由从钛(Ti)、钽(Ta)、钌(Ru)、钨(W)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化钌(RuN)和氮化钨(WN)构成的组选择的材料制成，并且传导衬垫能够防止过孔的第一传导材料经过传导衬垫扩散。