含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置的製作方法
2023-10-26 07:42:22
專利名稱：含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置。
小尺寸的可編程非易失存儲器使用在非常多的微電子產品中，例如邏輯和模擬設備中，比如用於識別衰減或者產品。其他的應用包括存儲例如安全位、電子密鑰、網絡地址位和低密度的作業系統碼。
用於將小尺寸的可編程非易失存儲器加入到半導體裝置中幾種方法是已知的例如專用線路圖形的雷射切割、應用單-多(E)EPROMS、應用專用的非易失裝置例如EPROM、EEPROM或者閃電存儲器，以及使用熔斷絲。
一般的，現有技術中的方法缺少費用的有效性、可靠性和可測量性。例如，雷射切割會損壞在半導體裝置中的鈍化層。另外，雷射切割是相對慢的過程，不利地減少了整個的處理過程。
使用專用的非易失裝置例如EPROM、EEPROM或者閃電存儲器需要許多另外的處理步驟，這也增加到產品的費用中去。
單-多(E)EPROMS需要低的隧道氧化物限制，大約7nm，以正確保持數據和低的洩漏電流。在深亞微型處理中，例如0.25μm和更低，柵極氧化物典型地低於7nm。例如對於(E)EPROMS，另外的處理步驟也增加了製造的費用。
最後，熔斷絲提供了相對簡單的存儲器元件，在編程過程中，該存儲器元件能夠被電流流過熔斷絲產生的焦耳熱寫入。該熔斷絲在這樣的編程步驟中熔斷和斷開。
然而，用於熔斷熔斷絲所必須的能量分散需要一個電流，該電流太高而不能夠由熔斷絲本身提供。在現有技術中，已知了熔斷絲存儲器元件的編程通過提供另外的加熱絲進行改進，該加熱絲靠近熔斷絲並且該加熱絲局部地提供另外的熱量給由此加熱絲的焦耳熱進行編程的熔斷絲。
US 3,699,403描述了在半導體表面上二極體矩陣中的這種加熱絲。該加熱絲元件作為平的導線布置，該導線提供另外的熱量給矩陣中的二極體。一個二極體被一個電流編程，該電流的能量分布與由加熱絲產生的熱結合足夠用於熔斷該二極體。
US4,814,853描述了具有一個可編程熔斷絲的半導體裝置，其中一個平的加熱絲被形成在一個襯底上。通過絕緣層分開，一個平的熔斷絲被形成在加熱絲的頂部。該熔斷絲沿著垂至於加熱絲的方向延伸。因為熔斷絲和加熱絲交叉，由加熱絲產生的附加熱量只在交叉處影響了熔斷絲，這導致了更加的可靠性以及改良的本地熔斷過程。
US5,444,287描述了在半導體裝置中的熱啟動的免噪聲熔斷器。該熔斷器含有一個熔斷絲和一個加熱絲，它們通過耦合層進行熱耦合。該耦合層在編程過程中將熱從加熱絲傳導到熔斷絲。該加熱絲在相同的平面上平行於熔斷絲延伸。另外，該加熱絲可以在含有熔斷絲的平面的下面或者上面的平面中與熔斷絲交叉。在US5,444,287中公開的熔斷絲的布置較少受到無意識編程的影響，因為在導線之一上的電壓尖峰(噪聲)。
當特徵尺寸減小到(深)亞微型時，關於現有技術中的熔斷絲的可靠性編程的困難升高。因為在微電子裝置中的電源電壓(VCC)隨著特徵尺寸的減小而下降，在0.25μm的產生過程中，能量的分布已經變得非常嚴格(VCC＝2.5V)。在另外的低於0.25μm的產生過程中，當電源電壓被希望繼續減小時，熔斷絲存儲器單元的編程變得更加困難。另外，因為線寬的減小，在熔斷絲和加熱絲之間的重疊區域變得更小，熱交換區域也變得更小，從而導致大量的熱損失和低效率。
本發明的目的是提供一個半導體裝置，該裝置含有一個通過低電壓操作的電可編程非易失存儲器單元的布置。
本發明涉及一個含有形成在一個半導體表面上的電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置，該單元例如存儲數據位；該非易失存儲器單元含有一個熔斷絲和一個加熱絲；熔斷絲被作為一個平的導線設置，並且另外作為一個存儲器單元設置，以能夠通過一個電流產生的焦耳熱使熔斷絲熔斷；加熱絲被設置以通過電流產生的焦耳熱產生另外的熱並且在熔斷絲的編程過程中將所述的另外的熱提供給熔斷絲，其特徵在於，該加熱絲作為一個加熱器空間地圍繞該熔斷絲。
另外，本發明涉及如上所述的一含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置，其特徵在於，該加熱絲含有水平的導線部分以及垂直的導線部分；水平的導線部分和垂直的導線部分被串聯連接以形成加熱絲。
另外，本發明涉及如上所述的一含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置，其特徵在於，水平的導線部分被形成為在本地互連以及半導體裝置的金屬化層中的水平線，並且垂直的導線部分被作為在半導體裝置中的垂直的接觸以及通過部分(vias)形成。
另外，本發明涉及如上所述的一含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置，其特徵在於，在本地互連以及半導體裝置的金屬化層中的水平線，以及在半導體裝置中的垂直接觸和通過部分被作為半導體裝置中的亞微型部分構成。
如果非易失存儲器含有半導體裝置的金屬化層，例如在「金屬1」的技術中已知的第一金屬化層，本發明還涉及如上所述的含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置，其特徵在於，該熔斷絲被形成在半導體裝置的金屬化層中。
並且在這種情況下，本發明涉及一含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置，其特徵在於，空間圍繞熔斷絲的加熱器作為一系列的開環圍繞熔斷絲設置；該開環在平行於熔斷絲的方向纏繞。
可選的，該熔斷絲可以形成在半導體裝置的本地互連層中。那麼，本發明還涉及一含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置，其特徵在於，該熔斷絲形成在半導體裝置的本地互連層中。
另外，本發明還涉及一含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置，其特徵在於，空間圍繞熔斷絲的加熱器作為一系列的半環圍繞熔斷絲設置；該半環在平行於熔斷絲的方向纏繞。
有利的，本發明涉及一個半導體裝置，其中非易失存儲器單元的編程能夠高度可靠地完成。
下面本發明參考附圖進行解釋，在附圖中定義的內容只是用於示出的目的而不是用於限制本發明的保護範圍。
圖1示意性地示出了含有根據本發明的電可編程非易失存儲器單元的半導體裝置的第一個實施形式的透視圖；圖2示意性地示出了含有根據本發明的電可編程非易失存儲器單元的半導體裝置的第二個實施形式的透視圖。
根據本發明的含有電可編程非易失存儲器單元的布置的半導體裝置具有一個熔斷絲和一個加熱絲。在該裝置中，在熔斷絲中的能量分布被局部地放大。加熱絲圍繞或者沿著熔斷絲蜿蜒纏繞以形成一個空間區域，在編程過程中，在該空間區域中熱量產生被有效地增強以斷開熔斷絲。圖1示意性地示出了含有根據本發明的電可編程非易失存儲器單元的半導體裝置的第一個實施形式的透視圖。
一個非易失存儲器單元1被形成在半導體表面2上。熔斷絲3通過環形的加熱絲4圍繞。熔斷絲3和加熱絲4優選埋入到絕緣材料中，該絕緣材料為了清楚起見沒有在此示出。加熱絲4具有第一低的水平線6、第一垂直線7、第一高的水平線8、第二垂直線9和第二低的水平線10。
注意的是在此的「水平」和「垂直」是相對於平面2而言的並且與地球的水平面沒有關係。可以想像的是(一些)導線部分是相對於表面2是傾斜的。
加熱絲4是通過第一低的水平線6、第一垂直線7、第一高的水平線8、第二垂直線9和第二低的水平線10串聯連接形成的。水平線是基本直的線，在平行於熔斷絲3的方向上具有小的步幅，以產生作為開環的加熱絲4。相似的，作為直線表示的垂直線可以在平行於熔斷絲3的方向上含有小的步幅。
熔斷絲3和加熱絲4都含有用於電連接的連接片(未示出)。如本領域的技術人員已知的，熔斷絲3和加熱絲4典型地被連接到選擇電路(未示出)，該選擇電路能夠選擇特定的熔斷絲用於編程和/或讀出。
非易失存儲器單元1能夠如現有技術所示在用於製造半導體裝置(集成電路)的標準的處理步驟中進行生產。沒有另外的處理步驟是必需的。下面對非易失存儲器單元1的製造例子進行簡短的解釋。
第一低的水平線6和第二低的水平線10在半導體裝置的本地互連線的形成過程中形成，其中非易失存儲器單元1通過使用相同的處理步驟進行集成。
第一垂直線7和第二垂直線9分別具有多個部分各自的接觸部分11和12、各自的金屬部分13和14、各自的經由部分15和16。金屬部分13、14使接觸部分11、12和經由部分15、16如所示出地互相連接。接觸部分11、12、金屬部分13、14和經由部分15、16在一系列的處理步驟中生產。在第一步驟中，含有第一低的水平線6和第二低的水平線10的平面通過絕緣層，優選是SiO2進行覆蓋。
通過含有平板印刷和蝕刻的圖形處理，一個接觸開口被產生。該接觸開口通過現有技術中另外的處理步驟由金屬進行填充。
在下面的含有金屬層沉澱的處理順序中，平板印刷、蝕刻、和介電層的沉澱、金屬層13和14被確定。在這個順序中，熔斷絲3在介電層中形成圖案。
替換的，在此處理步驟中，含有金屬部分13和14的開口通過含有絕緣層的沉澱、平板印刷和蝕刻的處理順序進行確定。在此順序中，定義熔斷絲3的溝槽在絕緣層中形成圖案。然後，開口和溝槽被填充金屬以分別形成金屬部分13、14以及熔斷絲3。為了所述的填充處理使用了常規的對於本領域的技術人員熟知的處理步驟。
第一垂直線7和第二垂直線9在另外的處理順序中完成，該順序含有絕緣層的沉澱、平板印刷和形成圖案，用於定義開口以分別形成通過部分15和16。通過現有技術中已知的處理，該經由部分15、16通過金屬填充後面的形成。
在最後的處理順序中，第一高的水平線8通過現有技術中的金屬化和形成圖案處理產生。例如，一個金屬層被沉澱，其中第一高的水平線8通過平板印刷和蝕刻定義。接下來，一個介電層被沉澱。
在一個替換的處理順序中，一個絕緣層被沉澱，其中一個定義第一高的水平線8的溝槽通過在現有技術中已知的圖案處理進行形成。通過在隨後的金屬填充操作中，第一高的水平線8被形成。
在此第一優選的實施形式中，加熱絲含有一個單環用於在熔斷絲中產生一個本地的熱點。注意，依賴於實際的能量分布，加熱絲會含有多個單環。在此情況下，另外的低的水平的、高的水平的和垂直的導線需要在處理順序中進行生產。
在此應注意，如上所述的處理步驟只描述了定義如圖1所示的非易失存儲器單元1的基本步驟。該處理步驟可以含有對於本領域的技術人員已知的其他的處理步驟，例如平面化步驟也可以使用。
在第一個優選實施形式中，熔斷絲3作為金屬線形成在第一金屬層面上，已知作為「金屬1」。然而，熔斷絲3也可以作為金屬線形成在更高的層面上。在那種情況下，加熱絲4能夠通過從低於熔斷絲3層面的低的金屬化層到高於熔斷絲3的高的金屬化層的環路圍繞熔斷絲3。
替換的，在第二個優選實施形式中，熔斷絲3可以作為(摻雜的)多晶矽或者矽化物(例如二硒化鈦)線形成在本地的互連層面上。圖2示意性地示出了含有根據本發明的電可編程非易失存儲器單元的半導體裝置的第二個實施形式的透視圖。
非易失存儲器單元1形成在半導體表面2上。熔斷絲3在側面並且沿著頂部通過蜿蜒的加熱絲4的半環被包圍。熔斷絲3和加熱絲4優選被埋入到絕緣材料中，該絕緣材料為了清楚的原因在此沒有示出。加熱絲含有第一低的水平線20、第二低的水平線21、第三低的水平線22和第四低的水平線23，它們分別位於本地的互連層面。另外，加熱絲4含有垂直的部分，即第一垂直線24、第二垂直線25、第三垂直線26、第四垂直線27、第五垂直線28、第六垂直線29、第七垂直線30、第八垂直線31。在熔斷絲3的上面，加熱絲4含有水平的部分，即第一上水平線32、第二上水平線33、第三上水平線34、第四上水平線35、第五上水平線36。在圖2中，第二低的水平線21和第四垂直線27隻是部分可見的。第三垂直線26被隱藏在圖2的視點中，通過虛的輪廓線示出。
重複的，注意此處的「水平」和「垂直」是相對於表面2定義的並且與地球的表面沒有關係。
加熱絲是通過串聯如下的部分構成的，即第一上水平線32、第一垂直線24、第一低的水平線20、第二垂直線25、第二上水平線33、第三垂直線26、第二低的水平線21、第四垂直線27、第三上水平線34、第五垂直線28、第三低的水平線22、第六垂直線29、第四上水平線35、第七垂直線30、第四低的水平線23、第八垂直線31和第五上水平線36。
熔斷絲3和加熱絲4含有一個連接(未示出)用於如上所述電連接到一個選擇電路。
在此第二個優選實施形式中，分別位於本地連接層面的熔斷絲3、第一低的水平線20、第二低的水平線21、第三低的水平線22和第四低的水平線23在半導體裝置的本地互連線的形成過程中形成，其中非易失存儲器單元1通過使用相同的處理步驟進行集成。
熔斷絲3、第一低的水平線20、第二低的水平線21、第三低的水平線22和第四低的水平線23可以全部由多晶矽或者矽化物構成。每一個元件的材料也可以分開選擇，這依賴於實際的處理順序。
第一垂直線24和第二垂直線25分別含有一個連接到第一低的水平線20的連接部分。第三垂直線26和第四垂直線27分別含有一個連接到第二低的水平線21的接觸部分。第五垂直線28和第六垂直線29分別含有一個連接到第三低的水平線22的接觸部分。第七垂直線30和第八垂直線31分別含有一個連接到第四低的水平線23的接觸部分。例如，這些接觸部分可以全部由一種金屬(A1，W)構成，該金屬用於本領域的技術人員已知的接觸填充處理。其他的也可以使用，這依賴於接觸部分的實際的形成處理。
在第一步驟中，含有熔斷絲3、第一低的水平線20、第二低的水平線21、第三低的水平線22和第四低的水平線23的層面通過絕緣層，優選是SiO2進行覆蓋。
在第二個步驟中，通過含有平板印刷和蝕刻的圖案處理，接觸開口被產生以分別形成連接到第一低的水平線20的第一和第二垂直線24和25、連接到第二低的水平線21的第三和第四垂直線26和27、連接到第三低的水平線22的第五和第六垂直線28和29、連接到第四低的水平線23的第七和第八垂直線30和31。接觸開口使用現有技術已知的另外處理步驟進行填充金屬。
在接下來的含有絕緣層的沉澱、平板印刷和蝕刻的處理順序中定義了用於將上水平線連接到各個垂直線的開口。在這個順序中，另外定義上水平線32、33、34、35和36的溝槽在絕緣層中被形成圖案。
下面，開口和溝槽被填充金屬以用於形成上水平線以及到垂直線的連接點。金屬填充是以本領域的技術人員熟知的常規處理步驟進行。
替換的，上水平線32、33、34、35、36如本領域的技術人員熟知的處理順序，即金屬沉澱、平板印刷、蝕刻和介電層的沉澱的順序形成。
在第二個優選實施形式中，加熱絲4含有三個半環用於在熔斷絲中產生本地的熱點。注意，根據實際的能量分布，加熱絲可以含有其他數量的半環。在那種情況下，將要生產的低的水平、上水平以及垂直線的數量必須進行相應的改變。
在此第二優選實施形式中，加熱絲4的垂直和水平部分是直線。然而，如果需要，加熱絲4的垂直和水平部分可以含有平行於熔斷絲3方向的小步幅。如本領域的技術人員所熟知的，處理順序在那種情況下並不受到影響。
高興地看到，在非易失存儲器單元1的形成中註明的所有處理順序相應於已知的常規處理步驟，該步驟被使用在其中集成了非易失存儲器單元1的特殊半導體裝置形成的特定階段。沒有其他的處理步驟是必需的。
另外高興的看到，非易失存儲器單元1的形狀並不局限於含有在熔斷絲3上面的上水平線32、33、34、35的全環或者多個半環。可以想像，半環的水平線只以「u」形出現在熔斷絲3的下面，或者甚至於，一個單半環只含有一個在熔斷絲3的一個側面處的、「u」形、旋轉90度角的垂直線。
非易失存儲器單元1能夠例如在產品測試器上或者在包裝之後進行電編程。在編程過程中，加熱絲4通過電流進行加熱，以在加熱線環(或者半環)的空間區域提供另外的熱。新＝作為結果，在熔斷絲3中所需要的用於編程的能量分布會成功地變得非常小並且因此更加升級到更低的電壓操作。在讀出非易失存儲器單元1中，熔斷絲中的電導通被檢測。在這個階段，加熱器沒有被加熱，如果熔斷絲保持完整，該加熱器會限制在熔斷絲3周圍的功率分布，並且因此產生熔斷絲3的自加熱(並且斷開熔斷絲3，不注意地)。作為結果，讀出操作更好的可靠性被提供。
另外注意的是，因為熔斷器原則是無源元件，沒有直接連接到有源元件例如二極體和電晶體。因此，本發明的觀念一般性地適用於含有一個非易失存儲器單元1的半導體裝置。
關於編程條件所必須的焦耳熱分布或者熱梯度，基於本發明觀念的另外優化是可能的。
權利要求
1.含有電可編程非易失存儲器單元(1)布置的半導體裝置，該存儲器單元形成在半導體表面(2)上，用於存儲數據位；非易失存儲器單元(1)含有熔斷絲(3)和加熱絲(4)；熔斷絲(3)被作為一個平的線構成，並且另外作為一個存儲器單元構成以能夠通過由電流產生的焦耳熱燒斷熔斷絲(3)進行編程；加熱絲(4)被設置用於通過電流產生的焦耳熱來產生附加的熱並且在熔斷絲(3)的編程過程中將所述附加的熱提供給熔斷絲(3)，其特徵在於，加熱絲(4)被作為一個空間圍繞熔斷絲(3)的加熱器構成。
2.根據權利要求1的含有電可編程非易失存儲器單元(1)布置的半導體裝置，其特徵在於，加熱絲(4)含有水平的導線部分和垂直的導線部分；水平的導線部分和垂直的導線部分被串聯連接以形成加熱絲(4)。
3.根據權利要求2的含有電可編程非易失存儲器單元(1)布置的半導體裝置，其特徵在於，水平的導線部分在半導體裝置的本地互連和金屬化層中作為水平線構成，並且垂直的導線部分作為在半導體裝置中的垂直接觸和通過部分構成。
4.根據權利要求3的含有電可編程非易失存儲器單元(1)布置的半導體裝置，其特徵在於，在半導體裝置中的本地互連和金屬化層中的水平線和在半導體裝置中的垂直接觸和通過部分是作為半導體裝置的亞微型層次構成的。
5.根據權利要求1到4之一的含有電可編程非易失存儲器單元(1)布置的半導體裝置，其特徵在於，熔斷絲(3)被形成在半導體裝置的金屬化層中。
6.根據權利要求5的含有電可編程非易失存儲器單元(1)布置的半導體裝置，其特徵在於，空間圍繞熔斷絲(3)的加熱器作為圍繞熔斷絲(3)的一系列開環布置；開環在平行於熔斷絲(3)的方向上纏繞。
7.根據權利要求1到4之一的含有電可編程非易失存儲器單元(1)布置的半導體裝置，其特徵在於，熔斷絲(3)被形成在半導體裝置的本地互連層中。
8.根據權利要求5或者7的含有電可編程非易失存儲器單元(1)布置的半導體裝置，其特徵在於，空間圍繞熔斷絲(3)的加熱器作為圍繞熔斷絲(3)的一系列半環布置；半環在平行於熔斷絲(3)的方向上纏繞。
全文摘要
含有電可編程非易失存儲器單元(1)布置的半導體裝置，該存儲器單元形成在半導體表面(2)上，用於存儲數據位；非易失存儲器單元(1)含有熔斷絲(3)和加熱絲(4)；熔斷絲(3)被作為一個平的線構成，並且另外作為一個存儲器單元構成以能夠通過由電流產生的焦耳熱燒斷熔斷絲(3)進行編程；加熱絲(4)被作為一個空間圍繞熔斷絲(3)的加熱器構成，並且加熱絲(4)被設置用於通過電流產生的焦耳熱來產生附加的熱並且在熔斷絲(3)的編程過程中將所述附加的熱提供給熔斷絲(3)。
文檔編號H01L27/10GK1404628SQ01805459
公開日2003年3月19日 申請日期2001年12月7日 優先權日2000年12月22日
發明者G·陶 申請人:皇家菲利浦電子有限公司