瑞萨科技公司(Renesas Technology Corp.)今天宣布开发出一种用于65nm工艺的铜电子熔丝技术,其低介电常数不会导致低介电系数材料的开裂,因此具有很高的可靠性。

这种新技术在全球首次实现了利用熔融状态下切断铜熔丝的方法来防止低介电系数材料的开裂。该技术已经应用于65nm制造工艺的试验阶段,且已被证实可提供以下卓越的性能：

1)一根熔丝切断所需的时间少于10μs。2)在熔丝完好无损的条件下,熔丝切断后的电流值可以减少到5位数或更大值。3)切断的熔丝的高温老化测试没有显示出退化,这表明了一种高度的可靠性。

技术背景

熔丝广泛用于大规模集成电路器件,包括存储器修补和稳压电路的冗余电路。熔丝是这类器件的一种重要构成技术。过去,都是采用激光切断等技术来切断熔丝。不过最近几年,采用电流切断的电子熔丝的开发工作获得了进展。一般地说,电子熔丝具有以下的特性：熔丝能够在成型后切断,进而有助于实现更高的产量;无需使用激光微调系统,可以有效地控制设备的投资成本。

此外,一种类型的电子熔丝,也就是铜熔丝,可以使用制造工艺中常用类型的铜布线工艺。除了上述的优势外,还具备以下的优势：无需在生产线上增加额外的工序,有助于控制成本;铜布线可以继续用于未来的超精细制造工艺,因此,在引入新的超精细工艺时可以降低开发成本。

不过,切断铜熔丝的电流技术还存在以下问题。

(a)低介电系数材料是一种易碎材料,熔丝上可能发生开裂。
(b)铜可能被迫进入裂缝中,导致熔丝区域出现空隙。
(c)如果熔丝是在这种条件下切断,如上所述,裂缝中的铜就会使布线短路。

这种熔丝区域上的布线线迹的连接是不能容忍的。这个问题成为了进一步缩小芯片尺寸的障碍。因此,在努力实现更加精细的制造工艺时,找到防止低介电系数材料开裂的方法就成为了一个重要的课题。

技术细节

在这个背景下,瑞萨科技开发出了一种用于65nm工艺的高度可靠的铜熔丝技术,在熔丝切断时,不会引起低介电系数材料的开裂。下面描述了这种新开发的技术。

1.抑制熔丝和低介电系数材料之间热应力的技术。

在非常短的时间内施加一个大电流是可靠地切断熔丝的一种有效方法,但是这种方法有可能造成低介电系数材料的开裂。发生开裂的过程如下：

(a)当电流流过熔丝时,其温度会突然(在100ns内)升至大约500℃。
(b)然而,低介电系数材料的导热效果很差,所以其温度的提升比较缓慢。
(c)因此,熔丝和低介电系数材料之间的温度差额会突然增加,出现热应力。
(d)这种应力特别集中在熔丝之上的区域,而这正是使低介电系数材料发生开裂的地方。

为了解决这个问题,瑞萨科技用1.2V晶体管代替3.3V晶体管,来提供切断熔丝的电流。

早期的3.3V晶体管在广泛的饱和区*4 具有电流-电压特性(I-V特性),所以当熔丝电阻随温度上升而增加时,电流仍然保持恒定。不过,由于阻值是随着熔丝温升而增加的,就会产生大量的热（电流2×电阻）。这将导致熔丝和低介电系数材料之间的温度出现较大的差额。相比之下,1.2V晶体管的饱和区比较狭窄。随着其温度的升高,熔丝的电阻增加而电流值下降。当熔丝的温度升高时,可以抑制所产生热量的增加,这将有助于减少开裂的可能性。

2.采用Lorentz force的熔丝切断技术

瑞萨科技开发的技术采用了劳伦兹力(Lorentz force),在电流流过熔丝时即可把它切断。

当电流施加在熔丝上时,就会产生劳伦兹力,它可以产生一种朝向熔丝中心的收缩效应,在横截面上可以看到这种现象。这种情况下的劳伦兹力非常巨大,大约为200GN/m3*6(这大约相当于地球重力加速力的106 倍)。不过,它还不足以使处于固态的铜变形。另一方面,如果熔丝被加热到超过1,084.5℃(铜的熔点)的温度,它就会成为液态。由于劳伦兹力导致的这种状态变形开始发生,使熔丝的中心开始逐渐收缩。这个温度也高于低介电系数材料开始软化的点(大约为700℃)。因此,通过施加一个巨大的力使变形变得比较容易。

此外,熔丝中心的温度最高,而液化是从中心朝着熔丝的末端逐渐进展。通过改变施加电流维持时间的长短,就可以只是熔化熔丝中心而使之切断。利用这种现象,可以实现以下熔丝切断技术。

1.熔化铜触点部分,挤出相对的两端。
2.低介电系数材料只出现很小的变形,在熔丝中建立一个间隙而切断它。
3.施加的电流值和持续时间是优化控制1.和2.的一种有效方法。

当电流施加开始时,切断熔丝所需的持续时间非常短,持续少于10μs。

3. 熔丝切断之后的高可靠性

因为低介电系数材料不会发生开裂,不会出现熔丝之上布线的短路、通过裂缝渗入外部湿气或临界剥离等问题。因此,在熔丝切断之后可以保证高可靠性。

新技术不会导致开裂,因此线迹能够经过熔丝,有助于实现越来越小巧的芯片设计。此外,这种熔丝可以采用与半导体制造工艺相同类型的铜布线,因此无需在生产线上增加额外的工序。由于能够应用于更加精细的制造工艺,未来该技术具有应用于更大规模LSI器件的潜力。