DE19600398C1 - Schmelzsicherung in einer integrierten Halbleiterschaltung, deren Verwendung in einer Speicherzelle (PROM) sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung in einer inte­ grierten Halbleiterschaltung, bei der eine Leitbahn eine Querschnittsverengung als Sollschmelzstelle aufweist, deren Ver­ wendung in einer Speicherzelle sowie das Verfahren zu ihrer Herstellung.

Integrierte Halbleiterschaltungen weisen häufig Schmelzsiche­ rungen, sogenannte fusible links, auf, die zur Einbringung von Information in eine bereits fertiggestellte integrierte Schaltung dienen. Dies geschieht dadurch, daß die Schmelzsi­ cherung gezündet oder nicht gezündet wird, d. h. eine Leitbahn unterbrochen oder nicht unterbrochen ist. Schmelzsicherungen werden beispielsweise zur Sicherung persönlicher Daten in Chipkarten, zur Personalisierung von Standardbausteinen in Kraftfahrzeugen, zur Einstellung von genauen Widerständen oder Widerstandsverhältnissen in analogen Schaltungen, als Speicherelement in einem PROM oder zur Erhöhung der Ausbeute bei Speicherbausteinen durch Abtrennen von defekten Speicher­ zellen eingesetzt.

Üblicherweise besteht eine Schmelzsicherung aus einer Leit­ bahn, die an der Sollschmelzstelle eine Verengung ihres Quer­ schnitts aufweist. Dieser verengte Querschnitt weist typi­ scherweise eine vertikale Ausdehnung von 0,1 bis 1 µm und eine horizontale Ausdehnung von 0,5 bis 3 µm auf. Die Schmelzsicherung ist entsprechend der Schichtfolge des Halb­ leiterbausteins in eine oder mehrere isolierende Schichten, vorzugsweise Siliziumdioxid, eingebettet.

Die Unterbrechung der Leitbahn erfolgt durch einen Stromim­ puls, der zum Aufschmelzen der Sicherung und der sie umgeben­ den Isolationsschicht führt. Bei einer üblichen aus Polysili­ zium bestehenden Sicherung sind etwa 20 mA bei 12 V für eine Zeitdauer von 5 bis 10 µsec erforderlich, um eine Durchtren­ nung zu erzielen. Dabei sind nur etwa 1 bis 10% dieser Zünd­ energie für das Aufschmelzen der verengten Leitbahn selber erforderlich, d. h. der weitaus überwiegende Teil der Zün­ denergie wird in die umgebenden Isolationsschichten abge­ führt. Ein Problem bei derart unterbrochenen Sicherungen ist die Gefahr der Revitalisierung, d. h. die ursprüngliche Leit­ fähigkeit wird durch Temperatur- und Spannungseffekte teil­ weise wieder hergestellt. Beim Zünden schmilzt ein etwa ku­ gelförmiger Bereich mit einem Durchmesser von einigen µm (typischerweise 2 bis 3 µm) auf. Dies führt zu einer Zerstö­ rung der umliegenden Schichten, insbesondere der überliegen­ den Passivierungsschicht. Dadurch können Verunreinigungen wie beispielsweise Alkaliionen leichter eindringen und die Zuver­ lässigkeit der Bauelemente der integrierten Schaltung beein­ trächtigen.

Fusible links werden auch als Speicherelement bei PROM-Spei­ cherbausteinen eingesetzt. Dabei besteht eine Speicherzelle aus einem fusible link und einer Diode. Da die Leistungen zum Durchschmelzen sehr hoch sind und die erreichte Zuverlässig­ keit gering, werden alternativ solche Speicher mit sogenann­ ten Floating Gate- oder SONOS-Strukturen realisiert. Zum Pro­ grammieren wird der Fowler-Nordheim-Tunneleffekt oder Hot- Electron-Injektion verwendet. Nachteilig beim Fowler-Nord­ heim-Tunneleffekt sind die erforderlichen hohen Program­ mierspannungen von etwa 15 V, die Schreibzeiten liegen bei etwa 10 µsec bis 1 msec. Bei der Programmierung mittels Hot- Electron-Injektion sind relativ hohe Ströme von einigen mA notwendig bei Schreibzeiten von ca. 10 µsec.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schmelzsiche­ rung sowie ein Herstellungsverfahren für diese für eine integrierte Schaltung anzugeben, die eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweist und die Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung nicht beeinträchtigt. Ferner soll sie als Speicherelement geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Schmelzsicherung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, ihre Verwendung gemäß Anspruch 7 und durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Bei der Erfindung ist die Soll-Schmelzstelle der Schmelzsi­ cherung in einem Hohlraum untergebracht. Es muß daher nur die verengte Leitbahn selber, jedoch keine umliegende Isolations­ schicht aufgeschmolzen werden. Es sind also nur noch etwa 1 bis 10% der üblichen Zündenergie erforderlich. Dadurch wird der Platzbedarf für die Zündtransistoren verringert. Die Aus­ beute beim Zündvorgang wird ebenfalls verbessert. Die Gefahr der Revitalisierung wird vermieden. Da der Schmelzvorgang auf die Leitbahn beschränkt ist, werden darüber angeordnete Schutzschichten der integrierten Schaltung, wie beispiels­ weise Getter- und Barriereschichten, nicht zerstört, so daß die Zuverlässigkeit der übrigen Bauelemente nicht verringert wird.

Eine derartige Schmelzsicherung kann als Speicherelement ein­ gesetzt werden, indem sie in Serie mit einer Diode oder mit einem Drain eines Auswahltransistors geschaltet wird. Ein we­ sentlicher Vorteil ist, daß zur Programmierung weder ein ho­ her Strom noch eine hohe Spannung notwendig sind. Beträgt beispielsweise der Querschnitt der Soll-Schmelzstelle 0,4 × 0,7 µm² bei einer Polysiliziumbahn, so beträgt der Fusestrom ca. 5 mA bei einer Spannung von etwa 4 V. Diese Werte können durch die Wahl von kleineren Querschnitten weiter verringert werden. Die Zeit für die Programmierung einer solchen Zelle beträgt weniger als eine µsec. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die gespeicherten Daten sicher sind, da ein Lö­ schen und Neuschreiben grundsätzlich nicht mehr möglich ist. Auch durch Strahlung oder Temperaturlagerung können die Daten nicht verändert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Die Fig. 1 bis 5 zeigen einen Aus­ schnitt aus einem Halbleitersubstrat in Querschnitt bzw. in Draufsicht, an dem die Herstellung der Schmelzsicherung ver­ deutlicht wird.

Fig. 1 und 2: Auf einem Halbleitersubstrat 1 befinden sich eine untere und eine obere Isolationsschicht 2, 3, die eine Leitbahn 4 umgeben. Die untere und die obere Isolations­ schicht 2, 3, die vorzugsweise aus Siliziumoxid bestehen, bilden zusammen eine erste Schicht. Wie in Fig. 1 erkennbar, besitzt die in die erste Schicht eingebettete, vorzugsweise aus Polysilizium bestehende Leitbahn 4 eine Querschnitts­ verengung, die in diesem Fall durch die Verringerung ihrer Breite erzeugt wird. Diese Querschnittsverengung stellt die Sollschmelzstelle S der Leitbahn 4 dar. Auf der oberen Isola­ tionsschicht 3 ist eine zweite Schicht 5 aufgebracht, die beispielsweise wiederum aus Polysilizium besteht (in Fig. 1 nicht dargestellt).

Fig. 3 und 4: Vorzugsweise direkt oberhalb der Soll-Schmelz­ stelle S wird in der zweiten Schicht 5 eine Öffnung erzeugt, beispielsweise in einem anisotropen Ätzprozeß unter Verwen­ dung einer Fotolackmaske. Anschließend wird in der darunter­ liegenden ersten Schicht 2, 3 ein Hohlraum erzeugt, derart, daß die Soll-Schmelzstelle S innerhalb dieses Hohlraums liegt. Dafür kann ein isotroper Ätzprozeß eingesetzt werden, der selektiv zum Leitbahnmaterial und zur zweiten Schicht verläuft. Es wird ein Hohlraum mit einem Durchmesser von etwa 1 bis 3 µm hergestellt.

Fig. 5: Anschließend kann der Hohlraum verschlossen werden, in dem eine Deckschicht aus Siliziumnitrid, BPSG (Bor-Phosphor-Silikat-Glas), TEOS (Tetraethylorthosilikat) oder ei­ nem anderen geeigneten Material oder eine Mehrfachschicht, die vorzugsweise diese Komponenten enthält, aufgebracht wird. Bei Verwendung von BPSG als Deckschicht kann dieses an­ schließend in einem Temperaturschritt verflossen werden, wo­ durch eine ebene, spannungsfreie und hoch belastbare Ab­ deckung entsteht.

Fig. 6: Die Schmelzsicherung kann wie oben erläutert, als Speicherelement eingesetzt werden. In einer Ausführungsform wird sie als eine Einheit mit der Diode hergestellt, indem die Leitbahn 4 selber einen pn-Übergang 7, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Sollschmelzstelle, aufweist. Die Leit­ bahn 4 besteht also aus einem p-dotierten Teil 4b. Die Deck­ schicht 6 kann eine Mehrfachschicht sein, bspw. eine in der Halbleitertechnologie übliche Abdeckung aus BPSG, TEOS und Siliziumnitrid.

Fig. 7: die Erfindung umfaßt auch eine Ausführungsform, bei der die Sollschmelzstelle S nicht vollständig im Hohlraum liegt, sondern nur eine Oberfläche der Leitbahn 4 an den Hohlraum angrenzt. Die zweite Schicht 5 kann dann mit der Schicht, aus der die Leitbahn hergestellt wird, identisch sein. Vorzugsweise wird sie derart strukturiert, daß sie als Maske bei der Ätzung des Hohlraums dient. Direkt neben der Leitbahn weist die zweite Schicht 5 die für den Ätzprozeß notwendigen Öffnungen auf. Das Herstellverfahren wird dadurch stark vereinfacht, wobei die wesentlichen Vorteile der Erfin­ dung weiterhin in etwas verringertem Maß erreicht werden.

In der Figur verläuft die Leitbahn 4 senkrecht zur Zeichen­ ebene, der Schnitt verläuft durch die Sollschmelzstelle S. Die untere Oberfläche der Sollschmelzstelle liegt im Hohl­ raum.

Die Schmelzsicherung kann auch aus einer anderen leitenden Schicht anstelle des Polysiliziums hergestellt werden, bei­ spielsweise aus Aluminium oder einem anderen für die Metalli­ sierung der integrierten Schaltung verwendeten Metall oder Legierung. Für das Freiätzen des Hohlraums ist dann ein je­ weils geeignetes Verfahren anzuwenden. Bei Verwendung von Aluminium kann beispielsweise HF-Dampf eingesetzt werden.

Die integrierte Schaltung mit der Schmelzsicherung kann wie gewohnt weiter verarbeitet werden, da der verschlossene Hohl­ raum beispielsweise dem beim Einbau in ein Plastikgehäuse auftretenden Druck ohne weiteres Stand hält. Das Verfahren zur Herstellung der Schmelzsicherung selber ist einfach, da nur eine unkritische Fototechnik und ein einfacher Naßätz­ schritt erforderlich sind.

Claims (14)

1. Schmelzsicherung in einer integrierten Halbleiterschal­ tung, bei der eine Leitbahn (4) eine Querschnittsverengung als Sollschmelzstelle (S) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollschmelzstelle (S) zumindest mit einer ihrer Oberflä­ chen in einem Hohlraum (H) angeordnet ist.

2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, bei der der Hohlraum in einer die Leitbahn (4) umgebenden ersten Schicht (2, 3) auf einem Halbleitersubstrat (1) gebildet ist.

3. Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der der Hohlraum mit einer Deckschicht (6) abgedeckt ist.

4. Schmelzsicherung nach Anspruch 3, bei der die Deckschicht (6) eine BPSG-Schicht umfaßt.

5. Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Sollschmelzstelle (S) etwa in der Mitte des Hohlraums an­ geordnet ist.

6. Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der auf dem Hohlraum eine zweite Schicht (5) mit einer Öffnung und eine Deckschicht (6), die die Öffnung ver­ schließt, angeordnet sind.

7. Verwendung einer Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, als Speicherelement in einer Speicherzelle eines Halbleiterbauelementes.

8. Herstellverfahren für eine Schmelzsicherung in einer inte­ grierten Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit fol­ genden Schritten:

• - Herstellung einer Leitbahn (4) mit einer Querschnittsveren­ gung als Sollschmelzstelle (S), die in einer auf einem Halbleitersubstrat (1) angeordneten ersten Schicht (2, 3) eingebettet ist,
• - Herstellen einer zweiten Schicht (5), die eine Öffnung in der Nähe der Sollschmelzstelle (S) aufweist, auf der ersten Schicht (2, 3),
• - Erzeugen eines Hohlraumes in der ersten Schicht (2, 3) um die Sollschmelzstelle herum mit Hilfe eines Ätzprozesses.

9. Herstellverfahren für eine Schmelzsicherung in einer inte­ grierten Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit fol­ genden Schritten:

• - Herstellen einer ersten Schicht (2) auf einem Halbleiter­ substrat,
• - Herstellen einer zweiten Schicht (5) auf der ersten Schicht (2), die eine Leitbahn (4) mit einer Querschnittsverengung als Sollschmelzstelle (3) und dazu benachbarte Öffnungen umfaßt,
• - Erzeugen eines Hohlraumes (H) in der ersten Schicht (2) un­ terhalb der Sollschmelzstelle.

10. Herstellverfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Öffnung in der zweiten Schicht (5) mit Hilfe einer Deck­ schicht (6) verschlossen wird.

11. Herstellverfahren nach Anspruch 10, bei dem die Deck­ schicht (6) aus BPSG besteht.

12. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Schmelzsicherung in Serienschaltung mit einer Diode oder dem Drain eines Auswahltransistors verbunden wird.

13. Herstellverfahren nach Anspruch 12, bei dem die Leitbahn (4) einen p-n-Übergang (7) innerhalb des Hohlraums aufweist, der die Diode darstellt.

14. Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Leitbahn (4) einen p-n-Übergang (7) innerhalb des Hohlraums aufweist, der eine Diode darstellt.