用於高功率應用的雷射熔絲結構的製作方法
2023-04-29 18:17:21
專利名稱：用於高功率應用的雷射熔絲結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於高功率應用的雷射熔絲設計。更具體而言，本發明涉及
一種雷射熔絲，其能用於集成電路(IC)晶片中以將各種功能電路連接到IC 晶片的電源層(power plane)或者將各種功能電路從IC晶片的電源層斷開。
背景技術：
半導體製造的當前趨勢是製造具有更小尺寸的集成電路(IC)晶片。同 樣，包含這樣的IC晶片的功能電路在複雜性方面持續增加。這增加了失效 元件或缺陷導體導致缺陷晶片的可能。該問題的一種解決方法是在IC晶片 上提供冗餘電路或冗餘元件。例如，如果主電路(primary circuit)或元件變 得有缺陷，則冗餘電路或元件能用於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)以及冗餘電路或元件的激活。邏輯 去活方法的一個主要缺點在於，在邏輯去活之後，缺陷電路活元件仍連接到 IC晶片的電源層且繼續消耗來自IC晶片的功率，這能導致功能晶片由於違 反預定功率規範而被拒絕，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晶片的電 源層分隔開。
此外，IC晶片製造技術的進展已經允許在單個IC晶片上實現日益增多 的功能，且已經進行了很多努力來簡化和減少由於大量的各種用戶應用而激 增的IC晶片部件數。如果為IC晶片製造工藝提供一種"通用晶片"模型 ("one-chip-fits-all" model )，且根據特定的用戶應用而在製造後進行IC芯 片的定製修改或"個性化"以調整IC晶片的功能，則能夠實現很大的成本 節約。現在，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，在邏輯定製修改或個性化之後，未使用的電路或元 件仍連接到IC晶片的電源層且繼續消耗來自IC晶片的功率。這樣的未使用 的電路或元件還能導致晶片由於違反預定功率規範而被拒絕，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晶片的定製修改或個性化， 從而完全消除未使用的電路或元件，將它們從晶片電源層分隔開，且減小總 的晶片負載。
雷射熔絲已用於在低功率應用中永久消除缺陷電路或元件，且用於定製 修改和/或個性化IC晶片，低功率應用的特徵一般在於低電壓降(大致在約 0.1V的量級左右)和低佔空因數(duty cycle )限制(大致在約0.001%的量 級左右)。另一方面，由於高電壓和高佔空因數條件下的熔絲再生長，當前 可得到的雷射熔絲在高功率應用(特徵在於高電壓降(至少約2V的量級左 右)和高佔空因數(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於在高功率應用中使用的改善的雷射 熔絲結構將是有利的。
發明內容
在一方面，本發明涉及一種雷射熔絲結構，包括
第一和第二導電支承元件，以間隔開的關係位於集成電路(IC)晶片的 第一金屬層級；
至少一個導電可熔鏈，位於該第 一金屬層級在該第一和第二導電支承元 件之間用於直接連接該第 一和第二導電支承元件；
第一和第二連接元件，位於IC晶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於該第 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，位於該第一金屬層級，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於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，本發明涉及一種通過向上述雷射熔絲結構的導電可熔鏈應 用至少一個雷射束來構建該雷射熔絲結構的方法，該至少一個雷射束具有從 約0.5pj到約2.5pj範圍的能量水平。
在又一方面，本發明涉及一種集成電路(IC)晶片，其包括上述雷射熔 絲結構，其中該雷射熔絲結構的第一金屬層級是該IC晶片的末級銅層級。在又一方面，本發明涉及一種IC晶片，其包括雷射熔絲，該雷射熔絲 包括單個可熔鏈或者平行布置的多個可熔鏈，且位於IC晶片的末級金屬層 級。具體而言，該雷射熔絲的一側連接到該IC晶片的功能部件，該雷射熔 絲的另 一側連接到該IC晶片的電源總線。
在又一方面，本發明涉及一種通過向所述雷射熔絲施加至少一個雷射束
來構建上述IC晶片的方法，所述至少一個雷射束具有從約0.5^至約2.5pj 範圍的能量水平。
本發明的其他方面、特徵和優點將從隨後的描述和附圖變得更明顯。
現在將參照附圖僅以示例方式描述本發明，附圖中
圖1示出才艮據本發明一實施例的示範性雷射熔絲的俯視圖2示出圖1的示範性雷射熔絲的剖視圖3-4示出根據本發明其他實施例的各種示範性雷射熔絲；
圖5A示出根據本發明一實施例的多個完好的雷射熔絲的照片；以及
圖5B示出圖5A的雷射熔絲在被雷射束照射之後的照片。
具體實施例方式
在下面的說明中，闡述了許多特定細節，例如特定的結構、組元、材料、 尺寸、處理步驟和技術，以提供對本發明透徹的理解。然而，本領域普通技 術人員將意識到，可以實踐本發明而沒有這些特定細節。在另一些情況下， 沒有詳細描述熟知的結構或處理步驟以避免使本發明變得模糊。
將理解，當一元件例如層、區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。
本發明提供一種雷射熔絲設計，該雷射熔絲設計能夠容易地集成到集成 電路(IC)晶片的線後端(back-end-of-line, BEOL )互補金屬氧化物半導體(CMOS )部件中以用於將IC晶片上的各種功能組元連接到IC晶片的電源 層或者從其斷開。此外，本發明的雷射熔絲具有足夠高的電流容量(不小於 約30mA)且特別適於高功率應用。
具體地，本發明的雷射熔絲每個包含一個或多個導電可熔鏈(link),其 位於IC晶片中末級銅層級(last copper level)上的兩個導電支承元件之間且 被其支承。雷射熔絲的導電支承元件通過位於不同金屬層級的連接元件電連 接到向外的布線或金屬線，以實現雷射熔絲與向外的布線或金屬線的完全物 理分隔和隔離。例如，連接元件能位於IC晶片中在倒數第二銅層級處。供 選地，連接元件能位於IC晶片中末級銅層級上在鋁布線層級處。
此外，本發明的雷射熔絲每個的特徵在於一個或多個尺寸參數，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 於雷射熔絲的高電流容量和高可靠性，且使其特別適於高功率應用。
現在將參照附圖1-5B更詳細地說明本發明的示範性雷射熔絲。注意， 在這些未按照比例繪製的圖中，相似和/或對應的元件由相似的附圖標記指 示。還應注意，儘管特定數量的可熔鏈和接觸示於這些圖所示的示範性雷射 熔絲中，但是本發明不限於此，本發明意在涵蓋具有任何特定數量的可熔鏈 和接觸的雷射熔絲。
首先參照圖1，其示出雷射熔絲結構的俯視圖，該雷射熔絲結構包括多 條平行布置的導電可熔鏈14，其位於第一和第二導電支承條(bar) 和 12b之間並將它們直接連接。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全部位於同一金屬層級，其在這裡稱為第一金屬層級，而第一 和第二導電墊20a和20b位於不同的金屬層級，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，這將在下面示於圖3-4中。
在本發明一優選實施例中，第一金屬層級是IC晶片中的末級銅層級， 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。
在本發明一供選但同樣優選的實施例中，第一金屬層級是IC晶片中的 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優選地特徵在於選自包括至少約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。更優選 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，常規雷射熔絲一般具有約8|im長的可熔鏈。因 此，本發明的雷射熔絲10的導電可熔鏈14顯著長於常規雷射熔絲的可熔鏈。
此外，導電可熔鏈14優選彼此間隔開不超過約2jum的距離，更優選地 不超過約1.5pm，還更優選地約l|am。注意，類似厚度範圍的常規雷射熔絲 一般具有彼此間隔開至少約6-9(im距離的可熔鏈。因此，本發明的雷射熔絲 10的導電可熔鏈14彼此間隔開比常規雷射熔絲的可熔鏈顯著更窄的距離。
在本發明一特定實施例中，雷射熔絲的第一和第二金屬線22a和22b之 一連接到IC晶片的功能部件(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晶片的電源層(未示出)。以此方式 且如果IC晶片的功能部件變成非功能性，則本發明的雷射熔絲結構能被一 個或多個雷射束熔斷，從而將該非功能性部件從IC晶片的電源層斷開，由 此避免不必要的功率消耗且最小化IC晶片的功耗。
優選地，第一或第二金屬線22a或22b連接到的IC晶片的功能部件以 不小於30mA的高工作電流運行。本發明的雷射熔絲結構具有不小於30mA 的電流容量，因此它能容易地與IC晶片的高功率功能部件一起使用。注意， 電流通常受限於熔絲鏈的寬度和數量。
第一和第二導電支承條12a和12b為導電可熔鏈M提供結構支承，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量不再受 限於導電可熔鏈14的數量。因此，第一和第二通路堆疊18a和18b可包含 任意數量的導電通路，或者與導電可熔鏈14的數量相同，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)。優選地，它們包括選自於A1、 W和它們的組合構成的 組中的 一種或多種自鈍化導電材料。
圖2示出圖1的雷射熔絲的剖視圖。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全部位於第一金屬層級 3,該第一金屬層級是IC晶片的末級銅層級且嵌入在末級層級間電介質 (inter-level dielectric, ILD )層1中。而第一和第二導電墊20a和20b位於 不同的第二金屬層級4，該第二金屬層級是IC晶片的倒數第二銅層級且嵌入 在倒數第二ILD層2中。通路堆疊18a、 18b、 23a和23b包含的導電通路延 伸於第一金屬層級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)優選設置在導電可熔鏈14的任一側或兩側。 這樣的一個或多個空隙腔可僅設置在ILD層1中，或者延伸穿過ILD層1 和2。
圖3示出根據本發明一供選實施例的另一雷射熔絲結構，其包含多個平 行布置的導電可熔鏈M，位於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全部位於相同的第一 金屬層級，而第一和第二導電墊30a和30b位於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的雷射熔絲類似結構的另一雷射熔絲，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設置在導電可熔鏈14兩側，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。
本發明的雷射熔絲結構能通過具有從約0.5^至約2.5^的能量水平的一 個或多個雷射束容易地熔斷或刪去，更優選地從約0.9^至約2.3|ij，還更優選地約2.0pj。雷射束可包含具有從約1.0pm至約5.0|am直徑的單個雷射斑 點或多個雷射斑點，更優選地/人約2.0pm至約4.0fim，還更優選地約4.0|im。 如果雷射束包含多個雷射斑點，這樣的多個雷射斑點優選彼此間隔開從約 0.5^mi至約5.0pm範圍的距離，更優選地從約l.Ojam至約3.5pm,還更優選 i也約2.0pm。
圖5A和5B示出本發明的多個雷射熔絲在構建之前和構建之後的照片， 所述多個雷射熔絲通過具有約l.O^ij能量水平且包含彼此間隔開約l|am的兩 個4.0jum雷射斑點的雷射束構建。
雖然圖l-5B示例性展示了根據本發明特定實施例的示範性雷射熔絲結 構，但是清楚的是，本領域普通技術人員能容易地修改這裡示出的與上面的 描述一致的雷射熔絲結構以適應特定應用要求。因此應意識到，本發明不限 於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 明的範圍內。
權利要求
1.一種雷射熔絲結構，包括第一和第二導電支承元件，以間隔開的關係位於集成電路(IC)晶片的第一金屬層級；至少一個導電可熔鏈，位於該第一金屬層級且在該第一和第二導電支承元件之間用於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，位於該IC晶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於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，位於該第一金屬層級，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於該第一和第二金屬層級之間的一個或多個導電通路。
2. 根據權利要求1所述的雷射熔絲結構，其中該第一金屬層級是該IC 晶片的末級銅層級。
3. 根據權利要求2所述的雷射熔絲結構，其中該不同的第二金屬層級是 位於該末級銅層級下面的倒數第二銅層級。
4. 根據權利要求2所述的雷射熔絲結構，其中該不同的第二金屬層級是 位於該末級銅層級之上的鋁布線層級。
5. 根據權利要求1所述的雷射熔絲結構，其中該第一和第二金屬線之一 連接到該IC晶片的功能部件，且其中該第一和第二金屬線中的另一個連接 到該IC晶片的電源層。
6. 根據權利要求5所述的雷射熔絲結構，其中該IC晶片的該功能部件 具有不小於30mA的工作電流，且其中該雷射熔絲結構的特徵在於不小於 30mA的電流容量。
7. 根據權利要求1所述的雷射熔絲結構，其中所述至少一個導電可熔鏈 的特徵在於選自包括至少約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。
8. 根據權利要求1所述的雷射熔絲結構，其中所述至少一個導電可熔鏈 的特徵在於選自包括至少約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。
9. 根據權利要求1所述的雷射熔絲結構，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. 根據權利要求1所述的雷射熔絲結構，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. 根據權利要求1所述的雷射熔絲結構，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和它們的組合構成的組中的一種或多種 自鈍化導電材料。
12. 根據權利要求1所述的雷射熔絲結構，其中該第一金屬層級嵌入於 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或 兩側的 一個或多個間隙腔。
13. —種用於構建權利要求1的雷射熔絲結構的方法，包括施加至少一 個雷射束到所述至少一個導電可熔鏈，該至少一個雷射束具有從約0.5|uj到 約2.5RJ的能量水平。
14. 一種集成電路(IC)晶片，包括權利要求1的雷射熔絲結構，其中 該第一金屬層級是該IC晶片的末級銅層級。
15. —種集成電路(IC)晶片，包括雷射熔絲，該雷射熔絲包括單個可 熔鏈或者平行布置的多個可熔鏈，其中所述雷射熔絲位於所述IC晶片的末 級金屬層級，其中所述雷射熔絲的一側連接到該IC晶片的功能晶片，且其 中所述雷射熔絲的另一側連接到該IC晶片的電源總線。
16. 根據權利要求15所述的IC晶片，其中該IC晶片的該功能部件具有 不小於30mA的工作電流，且其中該雷射熔絲的特徵在於不小於30mA的電 流答量。
17. 根據權利要求15所述的IC晶片，其中該雷射熔絲的該可熔鏈或多 個可熔鏈的特徵在於選自包括至少約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。
18. 根據權利要求15所述的IC晶片，其中該雷射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. 一種用於構建權利要求15的IC晶片的方法，包括向所述雷射熔絲 施加至少一個雷射束，該雷射束具有從約0.5)ij到約2.5pj範圍的能量水平。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中在所述IC晶片的該功能部件變 成非功能性之後，施加所述至少一個雷射束。 —
全文摘要
本發明涉及一種用於高功率應用的雷射熔絲結構。具體地，本發明的雷射熔絲結構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)位於第一金屬層級(3)，而連接元件(20a、20b)位於不同的第二金屬層級(4)且通過延伸於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 優先權日2005年11月30日
發明者保羅·S·麥克勞克林, 克里斯多福·D·馬齊, 埃裡克·L·赫德伯格, 張大勇, 史蒂芬·E·格雷科, 簡·E·溫, 諾曼·J·羅勒 申請人:國際商業機器公司