一种用于集成电路器件中的电可再编程熔丝（ｅＦＵＳＥ）器件，包括：延长的加热器元件、包围延长的加热器元件的外表面的，对应于其纵轴的，使延长的加热器元件的相对端与第一和第二加热器电极电接触的电绝缘衬垫。相变材料（ＰＣＭ）包围电绝缘衬垫的外表面的一部分，热和电绝缘层包围ＰＣＭ的外表面，并且第一和第二熔丝电极与ＰＣＭ的相对端电接触。ＰＣＭ密封在电绝缘衬垫、热和电绝缘层，以及第一和第二熔丝电极中。
【技术实现步骤摘要】
将如下理解图3和4的基于PCM的eFUSE器件的操 作。由于PCM壳306的块体处于晶体状态中，所以在"In"和"Out，， 端之间具有相对低的电阻。电RESET脉冲(如上所述的)到加热器 端hi和h2的施加导致从加热器核心向外延展的熔化区，其在淬火 后变成非晶区402。非晶区402具有高电阻系数并阻挡"In"和"Out" 端之间的电流通路，从而器件在RESET之后处于非导电OFF状 态。相反地，较低温度、较緩慢的SET脉冲的施加使系统返回到晶 体的导电ON状态。0027图5是描绘图3和4的eFUSE器件300的等价电路的示 意图，其特别地说明独立的加热器和PCM电路，这是对于eFUSE 应用的合乎需要且方便的布局。通过仿真，用于RESET操作的加热 器功率是大约1.3mW量级，而用于SET操作的功率更小。通过从电 压源502施加适当的电脉冲到加热器302的输入端的电极hl、 h2来 实施eFUSE 300的编程(例如，作为BIST协议的一部分)。跨越 eFUSE端"In"和"Out，，的电阻可以通过施加短时间的大电压脉冲V 而设置成高值(使PCM 306变成非晶的)，以及通过施加较长时 间、较低幅度的电压脉冲而设置成低值(使PCM 306变成晶体 的)。[0028示例器件尺寸可以是大约以下量级加热器半径25-80nm;电绝缘体(例如，氧化物)厚度5-10nm; PCM厚度20-80nm;以及整个器件高度200-500nm,但是，在这点上不应当在限 制意义上解释公开内容。作为具体例子，器件的仿真尺寸包括50nm 的加热器半径、5nm的氧化物厚度、Mnm的PCM厚度、400nm的 器件高度。由于300K的限定好的外部边界条件，所以350°C等值线 (表示在温度诱发的相变操作过程中PCM的温锋)的最大半径是大 约135nm。因此，器件半径(即加热器核302的中心跟热/电绝缘体材料308与低K材料306之间界面之间的距离)在该例子中将是大 约270nm。[00291关于材料选择，可以用具有在金属/半导体边界上的大约 (例如)1.5xl(T3Q.cm的电阻系数的难熔材料例如TaSiN来制造加 热器302。这将允许在l.OV电压下获得1.3mW加热器功率(该功率 对应于从仿真估算的RESET操作)。在TaSiN的情况中，其电阻系数随温度的增加而稍微降低，并且可通过组成进行调节。Si02是用于薄电绝缘层304的合适材料，其在大约5nm的示例厚度下将为加 热器提供足够的电绝缘。PCM材料306是低电阻系数型，例如 GeSb4。取GeSb4的晶体电阻系数为5xl(T4Q.cm，以及其非晶电阻系 数为l.OQ.cm，则熔丝器件300的"ON"和"OFF"电阻分别估算为 200Q和4.0xl05Q。[00301除了提供电绝缘之外，层308还设计成是热绝缘的。因 此，材料例如N-BLoK (Si-C-H-N化合物)提供比氧化物更好的热 绝缘，具有Si02热导率的大约一半(例如，大约0.008 Watt cm"K:1 或更小)。熔丝器件设计使它很好地维持在大约1000°C的其最大操 作温度以下。同样具有低的热和电传导性的并且可以承受大约 1000°C的温度的替代N-BLoK材料也是可接受的。[0031应当认识到，上述eFUSE器件300的示例实施方案在多 个方面是优于现有器件的。例如，器件300所占据的面积可以非常小 (例如，大约0.3x0.3nm2)。可以使用标准I/0电源来操作编程器件 300的加热器302。尽管常规电迁移熔丝需要大约10mA的编程电 流，但基于PCM的本结构仅使用大约2mA，并且以大约500ns或更 少(与电迁移熔丝的大约200jis对比)执行编程.此外，与一次性电 迁移熔丝不同，基于PCM的熔丝300可以是大约10"次量级的可再 编程的。0032此外，PCM 306和金属电极之间的界面是相对坚实的， 因为它保持接近于室温，从而不受到提供可靠性问题的潜在根源的界 面反应。器件300具有相对低且稳定的ON电阻，以及相对高且稳定的OFF电阻；因此，它相对容易与计划的电路应用协作，并且无锁 存操作可以是可能的。[0033最后，图6~16和附图说明图17~26是说明可以在半导体器件的 BEOL区域中制造基于PCM的eFUSE器件的示例集成技术的一系 列工艺流程图。首先参考图6，在逻辑或存储芯片的顶(BEOL)层 600上形成电介质层602 (例如，低K材料、Si02、 SiN等)。在电 介质层602中制作沟槽(开槽)604的图案，它表示其中要形成与 eFUSE器件加热器部分接触的下电极的金属的开槽(例如，深度大 约为100nm),如图7中所示的(例如，图4中的加热器端hl)。 在图8中，沟槽通过镶嵌工艺而填充上适当的接触材料606 (例如， W、 Cu、 TiW)，然后通过化学机械抛光(CMP)而平面化。举例 来说，下加热器接触材料606显示为在器件的金属级M1处形成，虽 然也可以使用不同起始位置。然后是用来电绝缘到加热器和PCM的 接触的相对薄的(例如，大约500-1000A)电介质层608 (例如， Si02)，如图9中所示的。[0034在图10中，通过制作在其中沉积用作PCM熔丝一端的 电接触(例如，图4中的熔丝端"Out")的下熔丝电极接触金属610 (例如，W、 TiW、 Ti等)的圆形沟槽的图案而将电介质层608开 槽。如随后所示的，PCM将又包围垂直布置的加热器结构。应当注 意电介质层608中的图案制作在是这样的下熔丝电极接触金属610 (例如，在M2级)始终不贯穿层608，使得与下加热器电极606的 金属保持电隔离。[0035如图11中所示的，在低K电介质层614中所形成的开槽 中沉积相对厚(例如，大约200-400nm)的热和电绝缘材料612 (例 如，N-BLoK),其表示将受保护以免受加热PCM材料的热影响的 区域。低K电介质层614和N-BLoK绝缘材料612在电介质层608 和下熔丝电极接触金属610上面形成。然后，在图12中，将N-BLoK绝缘材料612的一部分本身制作图案、向下刻蚀至下熔丝电极 610，以及填充随后被平面化的PCM 616。 N-BLoK和PCM形成都可以根据镶嵌处理技术。[0036进行到图13，在N-BLoK绝缘材料612和PCM 616上形 成另一个电介质层618 (例如，Si02)。将电介质层618制作图案、 刻蚀、以及填充上导电材料(例如，W、 Cu、 TiW)，使得形成上 熔丝电极620 (在示例的金属级M3)。在所描绘的实施方案中，上 熔丝电极620的形状具有与下熔丝电极610相同的圃形图案。在图 14中，穿过上熔丝电极620、 PCM616、下熔丝电极610和电介质层 608，并在下加热器电极606上停止，而刻蚀出高纵横比通孔622 (例如，4:1)。然后是电绝缘衬垫材料624例如硅氧化物的共形沉 积(例如，原子层沉积(ALD)、等离子体辅助化学汽相沉积 (PECVD))。衬垫材料624具有大约10nm的示例厚度。有许多 适合于共形氧化物沉积的化学物，其中的一些列举如下 SiCh 化学物 沉积温度TEOS Si(OC2H5)4本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于集成电路器件中的电可再编程熔丝（ｅＦＵＳＥ）器件，包括：延长的加热器元件；包围延长的加热器元件的外表面的，对应于其纵轴的，使延长的加热器元件的相对端与第一和第二加热器电极电接触的电绝缘衬垫；包围电绝缘衬垫的外 表面的一部分的相变材料（ＰＣＭ）；包围ＰＣＭ的外表面的热和电绝缘层；以及与ＰＣＭ的相对端电接触的第一和第二熔丝电极；其中ＰＣＭ密封在电绝缘衬垫、热和电绝缘层以及第一和第二熔丝电极中。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯P多伊尔，布鲁斯G艾尔梅格林，利亚克鲁辛艾尔鲍姆，林仲汉，刘小虎，丹尼斯M纽恩斯，克里斯蒂森塞尼什蒂伯格，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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