專利名稱：一種mtm反熔絲單元結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反熔絲單元結(jié)構(gòu)及其制備方法，尤其是一種 MTM(Metal-to-Metal)反熔絲單元結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
反熔絲技術(shù)當(dāng)今已有很廣泛的應(yīng)用，主要用于基于反熔絲的PR0M、FPGA、PAL等電 路中，是一次編程存儲器的最有效解決方法。反熔絲單元在未編程狀態(tài)下具有高阻特征，典 型值大于IO9 Ω，編程過后具有低阻特征，電阻值一般小于200 Ω，更深層次的意義是基于反 熔絲的器件表現(xiàn)出非常好的抗輻射能力，使得在軍事和太空領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。反熔絲單元的基本結(jié)構(gòu)是三明治結(jié)構(gòu)；所述反熔絲結(jié)構(gòu)內(nèi)對應(yīng)的頂層和底層都為 導(dǎo)電極板，所述導(dǎo)電極板可以是金屬、高摻雜多晶硅或高摻雜硅襯底。所述兩層導(dǎo)電極板 中間是一層絕緣介質(zhì)層，所述絕緣介質(zhì)層可以是Si02、SiN等，不同的絕緣介質(zhì)層其絕緣性 能、擊穿特性、擊穿后的電阻大小和可靠性都存在差異。反熔絲單元編程的基本原理是，當(dāng) 反熔絲開始編程時(shí)，在兩個導(dǎo)電極板間加上偏壓，介質(zhì)層的能帶發(fā)生彎曲，形成三角形的勢 壘，這相對減少了有效隧穿層厚度，大量的隧穿載流子聚集在絕緣介質(zhì)層的頂部和底部界 面處，這種效應(yīng)引起了電流快速并持續(xù)地上升到擊穿電流，形成介質(zhì)的FN擊穿。當(dāng)反熔絲 擊穿后，由于有大電流產(chǎn)生了焦耳加熱效應(yīng)，擊穿產(chǎn)生的高溫使得介質(zhì)層熔通，產(chǎn)生了穩(wěn)定 的導(dǎo)電通路。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)及其 制備方法，其工藝操作簡單、可靠性高、兼容性好、抗輻射能力強(qiáng)。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)，包括襯底及位于襯底上 的絕緣支撐層；所述絕緣支撐層上設(shè)有金屬互連層、反熔絲下極板及氧化層；所述氧化層 包覆金屬互連層與反熔絲下極板，所述反熔絲下極板與金屬互連層間利用氧化層相隔離； 所述金屬互連層上設(shè)有連接孔，所述連接孔從氧化層的表面延伸到金屬互連層，連接孔內(nèi) 填充有金屬電極；反熔絲下極板上設(shè)有反熔絲孔，所述反熔絲孔從氧化層的表面延伸到反 熔絲孔；所述反熔絲孔內(nèi)依次填充有高阻介質(zhì)層、反熔絲上極板及金屬電極；所述金屬電 極與反熔絲上極板、金屬互連層均電性連接。所述絕緣支撐層與氧化層均為二氧化硅。所述金屬互連層與反熔絲下極板包括 AlSiCu膜層與氮化鈦膜層；所述AlSiCu膜層與氮化鈦膜層依次淀積在絕緣支撐層上，分別 形成金屬互連層與反熔絲下極板。所述高阻介質(zhì)層的材料為二氧化硅或氮化硅。所述反熔 絲上極板的材料包括氮化鈦。所述金屬電極的材料包括鋁。所述MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)的制備方法包括如下步驟a、在襯底上生長絕緣支撐層；b、在所述絕緣支撐層上淀積反熔絲下極板層；C、選 擇性的掩蔽和刻蝕反熔絲下極板層，得到位于絕緣支撐層上的金屬互連層與反熔絲下極板；d、在上述絕緣支撐層上淀積氧化層，所述氧化層覆蓋在金屬互連層及反熔絲下極板上； e、在所述氧化層上涂布光刻膠，并去除反熔絲下極板上對應(yīng)的光刻膠；f、利用上述光刻膠， 對氧化層進(jìn)行刻蝕，得到位于反熔絲下極板上的反熔絲孔，所述反熔絲孔從氧化層的表面 延伸到反熔絲下極板的表面；g、去除氧化層上的光刻膠；h、在所述氧化層上依次淀積高阻 介質(zhì)層與反熔絲上極板；i、掩蔽反熔絲孔上的高阻介質(zhì)層與反熔絲上極板，刻蝕對應(yīng)于反 熔絲孔外的高阻介質(zhì)層與反熔絲上極板；j、刻蝕所述金屬互連層上相對應(yīng)的氧化層，得到 金屬互連層上的連接孔，所述連接孔從氧化層延伸到金屬互連層的表面；k、在上述氧化層 上淀積金屬層，并刻蝕所述金屬層，同時(shí)得到位于連接孔與反熔絲孔內(nèi)的金屬電極。所述襯底的材料為硅。在絕緣支撐層上通過PVD依次濺射400nm 800nm的 AlSiCu膜層和200 400nm的氮化鈦膜層，得到位于絕緣支撐層上的反熔絲下極板層。所 述步驟f中，利用光刻膠，對氧化層進(jìn)行各向同性的干法刻蝕，得到位于反熔絲下極板上的 反熔絲孔。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)通過在絕緣支撐層上淀積AlSiCu膜層與氮化鈦膜層，分別形成金 屬互連層與反熔絲下極板；對覆蓋在反熔絲下極板上的氧化層利用各向同性的干法刻蝕， 得到位于反熔絲下極板上的反熔絲孔；在反熔絲孔內(nèi)淀積高阻介質(zhì)層與反熔絲上極板，得 到反熔絲單元結(jié)構(gòu)；工藝簡單，可靠性高，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容性好，能夠改善電路的抗總 劑量輻射和抗單粒子能力。
圖1 圖8為本發(fā)明具體實(shí)施工藝步驟的示意圖，其中
圖1為襯底上生長絕緣支撐層后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為在絕緣支撐層上淀積反熔絲下極板層后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為得到金屬互連層與反熔絲下極板后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為刻蝕出反熔絲孔后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為在氧化層上淀積高阻介質(zhì)層與反熔絲上極板后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為刻蝕高阻介質(zhì)層與反熔絲上極板后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為在金屬互連層上刻蝕出連接孔后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為得到金屬電極后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1 圖8所示本發(fā)明包括襯底100、絕緣支撐層101、AlSiCu膜層102、氮化 鈦膜層1023、氧化層104、光刻膠105、高阻介質(zhì)層106、反熔絲上極板107、金屬電極108、金 屬互連層109、反熔絲下極板110、連接孔111及反熔絲孔112。如圖8所示，為本發(fā)明的MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)示意圖。所述襯底100上設(shè)有絕緣 支撐層101，所述絕緣支撐層101為二氧化硅層。所述絕緣支撐層101上設(shè)有金屬互連層 109與反熔絲下極板110，反熔絲下極板110與金屬互連層109不相接觸；絕緣支撐層101 上還淀積有氧化層104，所述氧化層104覆蓋在金屬互連層109與反熔絲下極板110上，金 屬互連層109與反熔絲下極板110間利用氧化層104分隔。氧化層104為二氧化硅。金屬互連層109與反熔絲下極板110為相同材料層制成，為同一層結(jié)構(gòu)；在絕緣支撐層101上依 次淀積AlSiCu膜層102與氮化鈦膜層103，通過刻蝕AlSiCu膜層102與氮化鈦膜層103， 能夠在絕緣支撐層101同時(shí)形成金屬互連層109與反熔絲下極板110。AlSiCu膜層102為 Si材料里加入Al與Cu，提高了 Si的導(dǎo)電性能。所述金屬互連層109上設(shè)有連接孔111，反熔絲下極板110上設(shè)有反熔絲孔112。 連接孔111內(nèi)填充有金屬電極108，反熔絲孔112內(nèi)依次填充有高阻介質(zhì)層106、反熔絲上 極板107及金屬電極108。所述金屬電極108的材料包括鋁。高阻介質(zhì)層106為二氧化硅 或氮化硅，所述反熔絲上極板107的材料為氮化鈦。所述反熔絲上極板107、高阻介質(zhì)層106 與反熔絲下極板110共同構(gòu)成了 MTM結(jié)構(gòu)的反熔絲單元結(jié)構(gòu)。上述結(jié)構(gòu)的MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)，通過下述步驟實(shí)現(xiàn)a、在襯底100上生長絕緣支撐層101，如圖1所示；所述襯底100的材料為硅，在襯底100上生長的絕緣支撐層101的厚度為450nm lOOOnm，所述絕緣支撐層101作為襯底100的場區(qū)；b、在所述絕緣支撐層101上淀積反熔絲下極板層，如圖2所示；通過在絕緣支撐層101上利用PVD(屋里氣相沉積)濺射的方式淀積400nm 800nm 的 AlSiCu 膜層 102 和 200nm 400nm 的 TiN 膜層 103，所述 AlSiCu 膜層 102 與 TiN 膜層103共同形成了反熔絲下極板；C、選擇性的掩蔽和刻蝕反熔絲下極板層，得到位于絕緣支撐層101上的金屬互連 層109與反熔絲下極板110，如圖3所示；通過對絕緣支撐層101上的反熔絲下極板進(jìn)行光刻和干法刻蝕，得到位于絕緣支 撐層101上的金屬互連層109與反熔絲下極板110 ；d、在上述絕緣支撐層101上淀積氧化層104，所述氧化層104覆蓋在金屬互連層 109及反熔絲下極板110上；在所述絕緣支撐層101上淀積氧化層104的厚度為400nm 800nm，所述氧化層 104包圍金屬互連層109與反熔絲下極板110 ；e、在所述氧化層104上涂布光刻膠105，并去除反熔絲下極板110上對應(yīng)的光刻膠 105 ；在反熔絲下極板110上需要刻蝕出反熔絲孔112，去除反熔絲下極板110上的光刻 膠105，使需要刻蝕反熔絲孔112的氧化層104表面顯露，從而能夠在反熔絲下極板110上 形成反熔絲孔112;f、利用上述光刻膠105，對氧化層104進(jìn)行刻蝕，得到位于反熔絲下極板110上的 反熔絲孔112，所述反熔絲孔112從氧化層104的表面延伸到反熔絲下極板110的表面，如 圖4所示；氧化層104上對應(yīng)的光刻膠105被除去，對氧化層104進(jìn)行各向同性的干法刻蝕， 能夠在氧化層104上刻蝕出反熔絲孔112 ；所述反熔絲孔112從氧化層104的表面延伸到 反熔絲下極板103 ；g、去除氧化層104上的光刻膠105 ；h、在所述氧化層104上依次淀積高阻介質(zhì)層106與反熔絲上極板107，如圖5所 示；
所述高阻介質(zhì)層106與反熔絲上極板107通過PVD或CVD (化學(xué)氣相沉積)方式 淀積在氧化層104上，所述高阻介質(zhì)層106與反熔絲下極板107并填充在反熔絲孔112內(nèi)； 高阻介質(zhì)層106為二氧化硅或氮化硅，為反熔絲結(jié)構(gòu)的中間介質(zhì)層；i、掩蔽反熔絲孔112上的高阻介質(zhì)層106與反熔絲上極板107，刻蝕對應(yīng)于反熔絲 孔112外的高阻介質(zhì)層106與反熔絲上極板107 ；j、刻蝕所述金屬互連層109上相對應(yīng)的氧化層104，得到金屬互連層109上的連接 孔111，所述連接孔111從氧化層104延伸到金屬互連層109的表面，如圖7所示；選擇性的選擇和掩蔽氧化層104與反熔絲上極板107，并使金屬互連層109上對 應(yīng)的氧化層104部分顯露，通過對未掩蔽的氧化層104進(jìn)行光刻和腐蝕，能夠在金屬互連層 109上刻蝕出連接孔111 ；k、在上述氧化層104上淀積金屬層，并刻蝕所述金屬層，同時(shí)得到位于連接孔111 與反熔絲孔112內(nèi)的金屬電極108，如圖8所示。通過在氧化層104上淀積鋁等材料，形成金屬層；對所述金屬層進(jìn)行掩蔽和刻蝕， 掩蔽連接孔111與反熔絲孔112上的金屬層，刻蝕連接孔111與反熔絲孔112外的金屬層， 同時(shí)得到連接孔111與反熔絲孔112內(nèi)的金屬電極108 ；所述金屬電極108與金屬互連層 109、反熔絲上極板107均形成電性連接。連接孔111內(nèi)的金屬電極108用于電極互連，反 熔絲孔112內(nèi)的金屬電極108作為反熔絲單元上極板的一部分。如圖8所示所述金屬電極108、反熔絲上極板107構(gòu)成復(fù)合的反熔絲頂層結(jié)構(gòu)， 采用二氧化硅或氮化硅作為高阻介質(zhì)層106，反熔絲下極板110采用AlSiCu膜層102和TiN 膜層103的復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和工藝操作簡單。所述金屬互連層109用于反熔絲單元的金屬 互連，連接方便。當(dāng)對反熔絲上極板107、高阻介質(zhì)層106、反熔絲下極板110形成三明治結(jié) 構(gòu)的反熔絲編程時(shí)，在金屬電極108、反熔絲上極板107與反熔絲下極板110上加偏壓，高阻 介質(zhì)層106的能帶發(fā)生彎曲，形成三角形的勢壘；相對減少了有效隧穿層的厚度，大量的隧 穿載流子聚集在高阻介質(zhì)層106對應(yīng)于與反熔絲上極板107、反熔絲下極板110的界面處， 這種效應(yīng)引起了電流快速并持續(xù)地上升到擊穿電流，形成介質(zhì)的擊穿。當(dāng)反熔絲單元結(jié)構(gòu) 擊穿后，由于有大電流產(chǎn)生了焦耳加熱效應(yīng)，擊穿產(chǎn)生的高溫使得高阻介質(zhì)層106熔通，產(chǎn) 生了穩(wěn)定的導(dǎo)電通路。本發(fā)明通過在絕緣支撐層101上淀積AlSiCu膜層102與氮化鈦膜層103，分別形 成金屬互連層109與反熔絲下極板110 ；對覆蓋在反熔絲下極板110上的氧化層104利用 各向同性的干法刻蝕，得到位于反熔絲下極板110上的反熔絲孔112 ；在反熔絲孔112內(nèi)淀 積高阻介質(zhì)層106與反熔絲上極板107，得到反熔絲單元結(jié)構(gòu)；工藝簡單，可靠性高，與標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝兼容性好，可以用于抗輻射反熔絲PROM和FPGA電路的研制，能夠改善電路的抗總 劑量輻射和抗單粒子能力。
權(quán)利要求
一種MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)，包括襯底(100)及位于襯底(100)上的絕緣支撐層(101)；其特征是所述絕緣支撐層(101)上設(shè)有金屬互連層(109)、反熔絲下極板(110)及氧化層(104)；所述氧化層(104)包覆金屬互連層(109)與反熔絲下極板(110)，所述反熔絲下極板(110)與金屬互連層(109)間利用氧化層(104)相隔離；所述金屬互連層(109)上設(shè)有連接孔(111)，所述連接孔(111)從氧化層(104)的表面延伸到金屬互連層(109)，連接孔(111)內(nèi)填充有金屬電極(108)；反熔絲下極板(110)上設(shè)有反熔絲孔(112)，所述反熔絲孔(112)從氧化層(104)的表面延伸到反熔絲孔(112)；所述反熔絲孔(112)內(nèi)依次填充有高阻介質(zhì)層(106)、反熔絲上極板(107)及金屬電極(108)；所述金屬電極(108)與反熔絲上極板(107)、金屬互連層(109)均電性連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)，其特征是所述絕緣支撐層(101)與 氧化層(104)均為二氧化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)，其特征是所述金屬互連層(109)與 反熔絲下極板(110)包括AlSiCu膜層(102)與氮化鈦膜層(103)；所述AlSiCu膜層(102) 與氮化鈦膜層(103)依次淀積在絕緣支撐層(101)上，分別形成金屬互連層(109)與反熔 絲下極板(110)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)，其特征是所述高阻介質(zhì)層(106)的 材料為二氧化硅或氮化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)，其特征是所述反熔絲上極板(107)的 材料包括氮化鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)，其特征是所述金屬電極(108)的材 料包括鋁。
7.—種MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，所述制備方法包括如下步驟(a)、在襯底(100)上生長絕緣支撐層(101)；(b)、在所述絕緣支撐層(101)上淀積反熔絲下極板層；(c)、選擇性的掩蔽和刻蝕反熔絲下極板層，得到位于絕緣支撐層(101)上的金屬互連 層(109)與反熔絲下極板(110)；(d)、在上述絕緣支撐層(101)上淀積氧化層(104)，所述氧化層(104)覆蓋在金屬互連 層(109)及反熔絲下極板(110)上；(e)、在所述氧化層(104)上涂布光刻膠(105)，并去除反熔絲下極板(110)上對應(yīng)的光 刻膠(105)；(f)、利用上述光刻膠(105)，對氧化層(104)進(jìn)行刻蝕，得到位于反熔絲下極板(110) 上的反熔絲孔(112)，所述反熔絲孔(112)從氧化層(104)的表面延伸到反熔絲下極板 (110)的表面；(g)、去除氧化層(104)上的光刻膠(105)；(h)、在所述氧化層(104)上依次淀積高阻介質(zhì)層(106)與反熔絲上極板(107)；(i)、掩蔽反熔絲孔(112)上的高阻介質(zhì)層(106)與反熔絲上極板(107)，刻蝕對應(yīng)于反 熔絲孔(112)外的高阻介質(zhì)層(106)與反熔絲上極板(107)；(j)、刻蝕所述金屬互連層(109)上相對應(yīng)的氧化層(104)，得到金屬互連層(109)上的 連接孔(111)，所述連接孔(111)從氧化層(104)延伸到金屬互連層(109)的表面；(k)、在上述氧化層(104)上淀積金屬層，并刻蝕所述金屬層，同時(shí)得到位于連接孔 (111)與反熔絲孔(112)內(nèi)的金屬電極(108)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是所述襯底(100)的 材料為硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是在絕緣支撐層 (101)上通過PVD依次濺射400nm 800nm的AlSiCu膜層(102)和200 400nm的氮化鈦 膜層(103)，得到位于絕緣支撐層(101)上的反熔絲下極板層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是所述步驟(f) 中，利用光刻膠(105)，對氧化層(104)進(jìn)行各向同性的干法刻蝕，得到位于反熔絲下極板 (110)上的反熔絲孔(112)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)及其制備方法，其包括襯底及位于襯底上的絕緣支撐層；所述絕緣支撐層上設(shè)有金屬互連層、反熔絲下極板及氧化層；所述氧化層包覆金屬互連層與反熔絲下極板，所述反熔絲下極板與金屬互連層間利用氧化層相隔離；所述金屬互連層上設(shè)有連接孔，所述連接孔從氧化層的表面延伸到金屬互連層，連接孔內(nèi)填充有金屬電極；反熔絲下極板上設(shè)有反熔絲孔，所述反熔絲孔從氧化層的表面延伸到反熔絲孔；所述反熔絲孔內(nèi)依次填充有高阻介質(zhì)層、反熔絲上極板及金屬電極；所述金屬電極與反熔絲上極板、金屬互連層均電性連接。本發(fā)明工藝操作簡單、可靠性高、兼容性好、抗輻射能力強(qiáng)。
文檔編號H01L21/768GK101887883SQ20101019113
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者洪根深, 肖志強(qiáng), 陳海峰 申請人:無錫中微晶園電子有限公司