專利名稱：用于編程和重編程低功率多狀態(tài)電子熔絲(e熔絲)的電路結構和方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例總地涉及電子熔絲(e熔絲)，并且更具體地涉及用于編程和重編程低功率、多狀態(tài)e熔絲的電路結構和相關聯(lián)的用于編程和重編程這種e熔絲的方法。
背景技術：
可編程熔絲或反熔絲，例如電熔絲或者激光熔絲或者反熔絲，對于現(xiàn)代集成電路應用實現(xiàn)冗余、可重用和可靠設計來說很關鍵。遺憾的是，大多數(shù)這種可編程熔絲或者反熔絲只能被編程一次。即它們在本質(zhì)上是破壞性的，所以不可能重編程。例如，當常規(guī)電子熔絲被編程(即熔斷)時，生成不能逆轉的開路狀態(tài)。類似地，當常規(guī)的反熔絲被編程時，生成不能逆轉的短路狀態(tài)。非易失性隨機存取存儲器(NVRAM)使用浮柵方案，該浮柵方案能夠重編程很多次，并且能夠被包括在電路設計中，用于代替可編程熔絲編程函數(shù)。但是，使用NVRAM技術顯著提高工藝復雜性和制造成本。因此，提供一種能夠被更容易地包括在現(xiàn)有工藝中并且其中編程在本質(zhì)上是非破壞性的低功率多狀態(tài)e熔絲，以及一種用于執(zhí)行編程和重編程的電路結構，及相關聯(lián)的用于編程和重編程這種e熔絲的方法將會是有益的。

發(fā)明內(nèi)容
考慮以上，這里公開了用于編程和重編程低功率、多狀態(tài)電子熔絲(即e熔絲)的電路結構的實施例。在電路的一個實施例中，e熔絲能夠包括兩個相對較短的導體層，位于一相對較長的導體層的相反側上并位于其同一端。短導體層可以具有相對較高的原子擴散阻力(即能夠表現(xiàn)出較低的原子擴散性)，而長導體層可以具有相對較低的原子擴散阻力 (即能夠表現(xiàn)出較高的原子擴散性)。電壓源可以電氣連接到長導體層的相反端，并且也連接到每一短導體層，以使e熔絲結構具有四個端子。電壓源能夠被選擇性地控制以便改變施加于不同端子的電壓的極性，以及可選地，改變施加于不同端子的電壓的大小。通過改變不同端子處的電壓極性(和大小)，能夠選擇性地控制電子在長導體層內(nèi)的雙向流動。通過控制電子在長導體層內(nèi)的雙向流動，能夠選擇性地控制在長導體層-短導體層界面處非破壞性開路和/或短路的形成，以實現(xiàn)多個不同的編程狀態(tài)。電路的其他實施例包括具有額外的導體層和額外的端子以便實現(xiàn)更多的編程狀態(tài)的e熔絲。還公開了相關聯(lián)的e熔絲編程和重編程方法的實施例。更具體地，這里公開了用于編程和重編程低功率、多狀態(tài)電子熔絲(即e熔絲)的電路結構的實施例。在一個實施例中，電路結構可以包括e熔絲。所述e熔絲可以包括第一導體層，位于所述第一導體層上的第二導體層，和位于所述第二導體層上的第三導體層。與所述第二導體層相比，所述第一導體層和所述第三導體層均可具有相對高的原子擴散阻力。所述電路結構還可以包括電壓源和所述電壓源與e熔絲上的各種位置之間的生成端子的電連接。 具體來說，所述電壓源和所述第一導體層之間的電連接能夠生成第一端子。所述電壓源和所述第三導體層之間的電連接能夠生成第二端子。最后，所述電壓源和所述第二導體層的相反端之間的電連接能夠分別生成第三和第四端子。這樣，在本實施例中，e熔絲能夠具有四個不同的端子。電壓源能夠被選擇性地控制以便允許電連接處(即四個端子處)電壓的極性，以及可選地，電壓的大小被改變，從而選擇性地控制電子在所述第二導體層內(nèi)的雙向流動。通過選擇性地控制電子在所述第二導體層內(nèi)的雙向流動，非破壞性開路和/或短路在所述第二導體層內(nèi)在高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面處(即第二導體層與第一和第三導體層之間的界面處)的形成能夠被選擇性地控制。通過選擇性地控制這種開路和/ 或短路的形成，e熔絲能夠被用四個不同的編程狀態(tài)中的任何一個編程和重編程。在另一實施例中，電路結構也包括e熔絲。在這個實施例中，e熔絲可以包括額外的導電層，實現(xiàn)更多的高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面、更多的端子，因而更多的編程狀態(tài)。具體來說，e熔絲可以包括第一導體層，位于所述第一導體層上方的第二導體層， 位于所述第二導體層上方的第三導體層，和位于所述第三導體層上方的第四導體層。與所述第一導體層和所述第三導體層相比，所述第二導體層和所述第四導體層均可具有相對高的原子擴散阻力。這種電路結構還可以包括電壓源，以及所述電壓源和所述第一導體層的相反端之間、所述電壓源和所述第三導體層的相反端之間、以及所述電壓源和所述第四導體層之間的電連接。因此，在本實施例中，e熔絲可以具有五個不同的端子。電壓源能夠被選擇性地控制以便允許電連接處(即五個端子處)電壓的極性，以及可選地，電壓的大小被改變，從而選擇性地控制電子在所述第一和第三導體層內(nèi)的雙向流動。通過選擇性地控制電子在所述第一和第三導體層內(nèi)的雙向流動，非破壞性開路和/或短路在所述第一和第三導體層內(nèi)在高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面處(即第一導體層內(nèi)與第二導體層的界面處，以及第三導體層內(nèi)與第二導體層和第四導體層的界面處)的形成能夠被選擇性地控制。和先前的實施例相同，通過選擇性地控制這種開路和/或短路的形成，e熔絲能夠被用多個不同狀態(tài)中的任何一個編程和重編程。這里還公開了相關聯(lián)的e熔絲編程和重編程方法的實施例。所述方法的實施例可以包括提供熔絲，把電壓源電氣連接到e熔絲上的不同位置，以及通過選擇性地控制電壓源以便選擇性地改變不同位置處電壓的極性，以及可選地，改變不同位置處電壓的大小來執(zhí)行e熔絲編程和重編程過程。在一個實施例中，所述方法可以包括提供e熔絲，所述e熔絲包括第一導體層， 位于所述第一導體層上的第二導體層，和位于所述第二導體層上的第三導體層。與所述第二導體層相比，所述第一導體層和所述第三導體層均可具有相對高的原子擴散阻力。然后， 在電壓源和生成第一端子的第一導體層之間、在所述電壓源和生成第二端子的第三導體層之間，以及在所述電壓源和生成第三和第四端子的第二導體層的相反端之間分別形成電連接。接著，通過選擇性地控制電壓源以便允許電連接處(即在四個端子處)的電壓極性被改變，從而選擇性地控制電子在第二導體層內(nèi)的雙向流動，能夠執(zhí)行e熔絲編程和重編程過程。電子在所述第二導體層內(nèi)的雙向流動能夠被選擇性地控制，以便在所述第二導體層內(nèi)在高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面處(即第二導體層與第一和第三導體層之間的界面處)選擇性地形成非破壞性開路和/或短路，并由此用四個不同的編程狀態(tài)中的任何一個編程和重編程e熔絲。在另一實施例中，所述方法可以包括提供具有額外導電層的e熔絲，實現(xiàn)更多的高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面、更多的端子、因而更多的編程狀態(tài)。更具體地，這種方法實施例可以包括提供e熔絲，所述e熔絲包括第一導體層，位于所述第一導體層上方的第二導體層，位于所述第二導體層上方的第三導體層，和位于所述第三導體層上方的第四導體層。與所述第一導體層和所述第三導體層相比，所述第二導體層和所述第四導體層均可具有相對高的原子擴散阻力。在電壓源和所述第一導體層的相反端(即第一導體層的近端和遠端)之間、所述電壓源和所述第三導體層的相反端(即第三導體層的近端和遠端)之間，以及所述電壓源和所述第四導體層之間形成電連接。因此，在本實施例中，生成了五個不同的端子。接著，可以通過選擇性地控制電壓源以便允許電連接處(即五個端子處)電壓極性被改變，從而選擇性地控制電子在所述第一和第三導體層內(nèi)的雙向流動來執(zhí)行e熔絲編程和重編程過程。電子在所述第一和第三導體層內(nèi)的雙向流動可以被選擇性地控制，以便在所述第一和第三導體層內(nèi)在高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面處(即第一導體層內(nèi)與第二導體層的界面處，以及第三導體層內(nèi)與第二導體層和第四導體層的界面處)形成非破壞性開路和/或短路。和先前的方法實施例相同，通過選擇性地控制這種開路和/或短路的形成，e熔絲能夠被用多個不同狀態(tài)中的任何一個編程和重編程。


參考附圖，從下面的詳細描述，本發(fā)明的實施例將被更好地理解，附圖不一定按比例繪制，在附圖中圖1是示出處于11編程狀態(tài)的e熔絲的e熔絲編程和重編程電路的實施例的示意圖；圖2是示出處于01編程狀態(tài)的e熔絲的圖1的e熔絲編程和重編程電路的實施例的示意圖；圖3是示出處于11重編程狀態(tài)的e熔絲的圖1的e熔絲編程和重編程電路的實施例的示意圖；圖4是示出處于10編程狀態(tài)的e熔絲的圖1的e熔絲編程和重編程電路的實施例的示意圖；圖5是示出處于00編程狀態(tài)的e熔絲的圖1的e熔絲編程和重編程電路的實施例的示意圖；圖6是e熔絲編程和重編程電路的另一實施例的示意圖；圖7是示出e熔絲編程和重編程方法的實施例的流程圖；和圖8是示出e熔絲編程和重編程方法的另一實施例的流程圖。
具體實施例方式參考非限制性實施例更全面地說明本發(fā)明的實施例及其各種特征和有益細節(jié)，在附圖中示出了這些實施例，并在下面的描述中詳述?？紤]以上，這里公開了用于編程和重編程低功率、多狀態(tài)電子熔絲(即e熔絲)的電路結構的實施例。在電路的一個實施例中，e熔絲能夠包括兩個相對較短的導體層，位于一相對較長的導體層的相反側上并位于其同一端。短導體層可以具有相對較高的原子擴散阻力(即能夠表現(xiàn)出較低的原子擴散性)，而長導體層可以具有相對較低的原子擴散阻力(即能夠表現(xiàn)出較高的原子擴散性)。電壓源可以電氣連接到長導體層的相反端，并且也連接到每一短導體層，以使e熔絲結構具有四個端子。電壓源能夠被選擇性地控制以便改變施加于不同端子的電壓的極性，以及可選地，改變施加于不同端子的電壓的大小。通過改變不同端子處的電壓極性(和大小)，能夠選擇性地控制電子在長導體層內(nèi)的雙向流動。通過控制電子在長導體層內(nèi)的雙向流動，能夠選擇性地控制在長導體層-短導體層界面處非破壞性開路和/或短路的形成，以實現(xiàn)多個不同的編程狀態(tài)。電路的其他實施例包括具有額外的導體層和額外的端子以便實現(xiàn)更多的編程狀態(tài)的e熔絲。還公開了相關聯(lián)的e熔絲編程和重編程方法的實施例。更具體地，這里公開了用于編程和重編程低功率、多狀態(tài)電子熔絲(即e熔絲)的電路結構的實施例。參考圖1，電路結構100的一個實施例可以包括e熔絲150、能夠選擇性地控制的電壓源170、以及e熔絲150和電壓源170之間的電連接161-164。e熔絲150可以包括第一導體層110、第一導體層110上的第二導體層120、和第二導體層120上的第三導體層130。第一導體層110和第三導體層130相對于所述第二導體層120可以較短，并且還可被置于第二導體層120的相反側121、122上(即上方和下方)， 并鄰近第二導體層120的一端123(即近端)。此外，在本實施例中，與第二導體層120相比，第一導體層110和第三導體層130均可具有相對高的原子擴散阻力。具體來說，第二導體層120可以包括表現(xiàn)出低原子擴散阻力(即表現(xiàn)出高原子擴散性)的任何適當?shù)膶щ姴牧稀＠?，第二導體層120可以包括銅或者鋁。相反，第一導體層110和第三導體層130可以包括表現(xiàn)出高原子擴散阻力的任何適當?shù)膶щ姴牧?即表現(xiàn)出低原子擴散性的導電擴散阻擋材料)。例如，第一和第三導體層可以包括鈷、鉻、釕、鉭、氮化鉭、氧化銦、鎢、氮化鎢、 鈦和氮化鈦，或者其任何適當?shù)暮辖?。應該注意，第一和第三導體層110、130可以包括相同的導電擴散阻擋材料或者不同的導電擴散阻擋材料。電壓源170與e熔絲150上的各個位置之間的電連接161-164生成端子。具體來說，電壓源170和第一導體層110之間的電連接161生成第一端子。電壓源170和第三導體層130之間的電連接162生成第二端子。最后，電壓源170和第二導體層120的相反端 (即近端123和遠端124)之間的電連接163、164分別生成第三和第四端子。因此，在本實施例中，e熔絲150具有四個不同的端子。電壓源170能夠被選擇性地控制(即，適于被選擇性地控制，配置成被選擇性地控制，例如通過來自控制器180的控制信號)，以便允許電連接161-164處(即四個端子處) 電壓的極性，以及可選地，電壓的大小被改變。即，電壓源170能夠包括常規(guī)的電壓極性切換電路。本領域技術人員將認識到電壓極性切換電路是公知的，因此，這些切換電路的具體細節(jié)被省略，以便允許讀者專注于這里描述的實施例的突出方面。通過選擇性地改變端子161-163處的電壓極性，以及可選地，改變電壓大小，電子在第二導體層120內(nèi)的雙向流動能夠被選擇性地控制。通過選擇性地控制電子在第二導體層120內(nèi)的雙向流動，非破壞性開路和/或短路在第二導體層內(nèi)在高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面125、1沈處(即第二導體層120與第一和第三導體層110、130之間的界面 125-1 處)的形成能夠被選擇性地控制。通過選擇性地控制這種開路和/或短路的形成， e熔絲150能夠被用四個不同的編程狀態(tài)中的任何一個編程和重編程。這些狀態(tài)此后被稱為11、01、10和00，如圖1中所示，狀態(tài)11包括無任何開路所以所有端子161-164在電氣上連接(即，使得在第二導體層120與第一導體層110以及第三導體層130這兩者之間的界面125-1 處存在短路)的初始狀態(tài)(即基線狀態(tài))，并且，如圖2、4和5中所示，狀態(tài) 01、10和00分別包括在第二導體層120與第一和第三導體層110、130之間的界面125-126 處具有一個或更多個開路的編程狀態(tài)。例如，e熔絲150可被從初始11狀態(tài)編程到01狀態(tài)，并且按需要重編程回到11 狀態(tài)。具體來說，參考圖2，控制信號可以導致電壓源170向第一導體層110(即向第一端子161)施加負電壓，并向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164)施加正電壓。這將導致第二導體層120內(nèi)的電子從第一導體層110與第二導體層120之間的界面125朝第二導體層120的遠端124(即朝第四端子164)流動220。沿此方向流動的電子將導致第二導體材料(即構成第二導體層120的導電材料)的原子擴散離開界面125，因而生成開路 201 (即空隙)。這個開路201實際上把端子161與其他端子162-164斷開。電子不跨越界面1 流動。結果，第二導體材料保留在第三導體層130與第二導體層120之間的界面126 處(即在界面126短路保持原樣)。如圖3中所示，為了逆轉這個01狀態(tài)，另一控制信號可以導致電壓源170向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164)施加負電壓，并向第二導體層120的近端 123(即向第三端子16 施加正電壓。這將導致第二導體層內(nèi)的電子朝第二導體層120的近端123(即朝第三端子16 往回流動320，并由此導致包括第二導電層120的導電材料的原子擴散，用第二導體材料填充空隙201以便在與第一導體層110的界面125處重新生成短路(即把端子161重新連接到其他端子162-163)。e熔絲150可以被類似地從初始11狀態(tài)編程到10狀態(tài)，并按需要重編程回到11 狀態(tài)。具體來說，參考圖4，控制信號可以導致電壓源170向第三導體層130 (即向第二端子162)施加負電壓，并向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164)施加正電壓。這將導致第二導體層120內(nèi)的電子從第三導體層130與第二導體層120之間的界面1 朝第二導體層120的遠端124(即朝第四端子164)流動420。沿此方向流動的電子將導致第二導體材料(即構成第二導體層120的導電材料)的原子擴散離開界面126，因而生成開路 403(即空隙)。這個開路403實際上把端子162與其他端子161、163、164斷開。電子不跨越界面125流動。結果，第二導體材料保留在第一導體層110與第二導體層120之間的界面125處(即在界面125處短路保持原樣)。如圖3中所示，為了逆轉這個10狀態(tài)，另一控制信號可以導致電壓源170向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164)施加負電壓，并向第二導體層120的近端 123(即向第三端子16 施加正電壓。這將導致第二導體層120內(nèi)的電子朝第二導體層120 的近端123(即朝第三端子16 往回流動320，并由此導致第二導體材料的原子擴散，用第二導體材料填充空隙403并在與第三導體層130的界面1 處再次生成短路(即把端子 162重新連接到端子161和163-164)。最后，e熔絲150可以被類似地從初始11狀態(tài)編程到00狀態(tài)，并按需要重編程回到11狀態(tài)。具體來說，參考圖5，控制信號可以導致電壓源170向第一導體層110(即向第一端子161)和向第三導體層130(即向第二端子162)施加負電壓，并向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164)施加正電壓。這將導致第二導體層120內(nèi)的電子從第二導體層120與第一和第三導體層110、130之間的界面125和126 (即從第一和第二端子161、162) 朝第二導體層120的遠端124(即朝第四端子164)流動520。以此方式流動的電子將導致第二導體材料(即構成第二導體層120的導電材料)在界面125和1 處的原子擴散，因而生成開路501、503(即空隙)。這些開路501、503實際上把端子161、162中的每一個與其他端子163和164斷開。如圖3中所示，為了逆轉這個00狀態(tài)，另一控制信號可以導致電壓源170向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164)施加負電壓，并向第二導體層120的近端 123 (即向第三端子163)施加正電壓，以便填充開路501、503并在這些界面125、1 處再次生成短路(即重新連接端子161和162)。應該注意，在這些編程和重編程過程期間，為了增強編程和/或重編程過程，也可以調(diào)整不同端子處的電壓的大小。再次參考圖1，還應該注意，在e熔絲150中，從第二導體層120的近端123處的界面125、126中的任何一個到第二導體層120的遠端IM處的電連接164的距離191必須是足以允許在界面125、1沈處形成空隙的預定距離。具體來說，這個長度191應該大于臨界空隙長度，后者是基于第二導體材料(即構成第二導體層120的導電材料)的原子擴散特性以及第二和第三導體層的尺寸(或者更具體地一界面的尺寸)來確定的。第二和第三導體層的尺寸(例如長度和寬度)可以是可由用來制造e熔絲的技術節(jié)點實現(xiàn)的任何尺寸。 為了說明目的，界面125和1 被示出為對齊，但是，預期界面125和1 也可以在X或Z 方向上偏移。參考圖6，電路結構600的另一實施例可以包括e熔絲650、能夠選擇性控制的電壓源670和e熔絲650與電壓源670之間的電連接661-665。e熔絲650可以包括額外的導電層，實現(xiàn)更多的高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面、更多的端子，因而更多的編程狀態(tài)。例如，e熔絲650可以包括第一導體層610，在所述第一導體層610上方的第二導體層620，在所述第二導體層620上方的第三導體層630， 和在所述第三導體層630上方的第四導體層640。在本實施例中，第二和第四導體層620、 640相對于第一和第三導體層610、630可以較短。第二和第四導體層620、640還可以被置于第一和第三導體層610、630的近端613、633。此外，在本實施例中，與第一導體層610和第三導體層630相比，第二導體層620和第四導體層640均可以具有相對高的原子擴散阻力。具體來說，第一導體層610和第三導體層630可以包括表現(xiàn)出低原子擴散阻力 (即表現(xiàn)出高原子擴散性)的任何適當?shù)膶щ姴牧?。例如，第一導體層610和第三導體層 630可以包括銅或者鋁。應該注意，第一和第三導體層610、630可以包括相同或者不同的材料。相反，第二和第四導體層620、640可以包括表現(xiàn)出高原子擴散阻力的任何適當?shù)膶щ姴牧?即表現(xiàn)出低擴散性的導電擴散阻擋材料)。例如，第二和第四導體層620、640可以包括鈷、鉻、釕、鉭、氮化鉭、氧化銦、鎢、氮化鎢、鈦和氮化鈦，或者其任何適當?shù)暮辖?。應該注意，第二和第四導體層620、640可以包括相同的導電擴散阻擋材料或者不同的導電擴散阻擋材料。電壓源670和e熔絲650上的各個位置之間的電連接661-665生成端子。這些電連接包括電壓源670和第一導體層610的相反端613、614 (即近端和遠端)之間的電連接661和663、電壓源670和第三導體層630的相反端633、634(即近端和遠端)之間的電連接664和665，以及電壓源670和第四導體層640之間的電連接662。因此，在本實施例中， e熔絲650可以具有五個不同的端子。電壓源670能夠被選擇性地控制(即，適于被選擇性地控制，配置成被選擇性地控制，例如通過來自控制器680的控制信號)，以便允許電連接661-665處(即五個端子處) 電壓的極性，以及可選地，電壓的大小被改變。即，電壓源670能夠包括常規(guī)的電壓極性切換電路。本領域技術人員將認識到電壓極性切換電路是公知的，因此，這些切換電路的具體細節(jié)被省略，以便允許讀者專注于這里描述的實施例的突出方面。通過選擇地改變端子661-665處的電壓極性，以及可選地，電壓大小，電子在第一和第三導體層610和630內(nèi)的雙向流動能夠被選擇性地控制。通過選擇性地控制電子在第一和第三導體層610、630內(nèi)的雙向流動，非破壞性開路和/或短路在第一和第三導體層 610,630內(nèi)在高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面616、635、636處(即第一導體層610 內(nèi)與第二導體層620的界面616處，以及在第三導體層內(nèi)分別在與第二導體層620和第四導體層640的界面635、636處)的形成能夠被選擇性地控制。和前面的實施例相同，通過選擇性地控制這種開路和/或短路的形成，e熔絲650可以被用多個不同狀態(tài)中的任何一個編程和重編程。參考圖7和圖8，這里還公開了相關聯(lián)的e熔絲編程和重編程方法的實施例。所述方法的實施例可以包括提供e熔絲，把電壓源電氣連接到e熔絲上的不同位置，以及通過選擇性地控制電壓源以便選擇性地改變不同位置處電壓的極性，并且可選地，改變不同位置處電壓的大小來執(zhí)行e熔絲編程和重編程過程。具體來說，參考圖7，一個方法實施例可以包括提供例如在圖1中所示并在上面針對第一電路結構實施例100詳細描述的e熔絲150(702)。應該注意，可以使用公知的襯底刻蝕、鑲嵌和雙鑲嵌技術在常規(guī)的后段(back end of line, BEOL)處理期間(即在金屬化層的形成期間)在半導體晶圓上形成e熔絲150，更具體地，形成構成e熔絲150的不同導體層110、120、130，其具體細節(jié)被省略以便允許讀者專注于這里描述的實施例的突出方面。然后在電壓源170和生成第一端子的第一導體層110之間、在電壓源170和生成第二端子的第三導體層130之間、以及在電壓源170和分別生成第三和第四端子的第二導體層120的相反端(即近端123和遠端124)之間形成電連接161-164，以使e熔絲具有四個不同的端子(704)。接著，可以通過下述操作來執(zhí)行e熔絲的編程和重編程選擇性地控制電壓源 170(例如通過來自控制器180的控制信號)以便允許四個端子處電壓極性，并且可選地，電壓大小被改變，從而選擇性地控制電子在第二導體層120內(nèi)的雙向流動(706)。電子在第二導體層120內(nèi)的雙向流動能夠被選擇性地控制，以便在第二導體層120內(nèi)在高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面125、1 處(即第二導體層120與第一和第三導體層110、130之間的界面125、1沈處)選擇性地形成非破壞性開路和/或短路，并由此用四個不同的編程狀態(tài)中的任何一個編程或重編程e熔絲150。這些狀態(tài)此后被稱為11、01、10和00，狀態(tài) 11包括無任何開路所以所有端子在電氣上連接(即，使得在第二導體層120與第一導體層 110以及第三導體層130之間的界面125、1 處存在短路)的初始狀態(tài)(即基線狀態(tài))，并且，狀態(tài)01、10和00包括第二導體層120與第一和第三導體層110、130之間的界面125、126處具有一個或更多個開路的被編程狀態(tài)。例如，e熔絲150可被從初始11狀態(tài)編程到01狀態(tài)，并且按需要重編程回到11 狀態(tài)。具體來說，通過向第一導體層110(即向第一端子161)施加負電壓，并向第二導體層 120的遠端124(即向第四端子164)施加正電壓可以執(zhí)行第一編程過程(707，見圖幻。這將導致第二導體層120內(nèi)的電子從第一導體層110與第二導體層120之間的界面125朝第二導體層120的遠端124(即朝第四端子164)流動220。沿此方向流動的電子將導致第二導體材料(即構成第二導體層120的導電材料)在界面125處的原子擴散，因而生成開路 201 (即空隙)。這個開路201實際上把端子161與其他端子162-164斷開。電子不跨越界面1 流動。結果，第二導體材料保留在第三導體層130與第二導體層120之間的界面126 處(即在界面126處短路保持原樣)。為了逆轉這個01狀態(tài)，可以通過向第二導體層120 的遠端124(即向第四端子164)施加負電壓，并向第二導體層120的近端123(即向第三端子16 施加正電壓來執(zhí)行第二編程過程(713，見圖幻。這將導致第二導體層120內(nèi)的電子朝第二導體層120的近端123 (即朝第三端子16 往回流動320，并由此導致第二導電材料的原子擴散，填充開路201并在與第一導體層110的界面125處重新生成短路(即把端子161重新連接到其他端子162-163)。e熔絲150可以被類似地從初始11狀態(tài)編程到10狀態(tài)，并按需要重編程回到11 狀態(tài)。具體來說，可以通過向第三導體層130(即向第二端子16 施加負電壓，并向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164)施加正電壓來執(zhí)行第一編程過程(709，見圖4)。 這將導致第二導體層120內(nèi)的電子從第三導體層130與第二導體層120之間的界面1 朝第二導體層120的遠端124(即朝第四端子164)流動。沿此方向流動的電子將導致第二導體材料(即構成第二導體層120的導電材料)在界面1 處的原子擴散，因而生成開路 403(即空隙)。這個開路403實際上把端子162與其他端子161、163-164斷開。電子不跨越界面125流動。結果，第二導體材料保留在第一導體層110與第二導體層120之間的界面125處(即在界面125處短路保持原樣)。為了逆轉這個10狀態(tài)，可以通過向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164)施加負電壓，并向第二導體層120的近端123(即向第三端子16 施加正電壓來執(zhí)行第二編程過程(713，見圖幻。這將導致第二導體層120 內(nèi)的電子朝第二導體層120的近端123(即朝第三端子16 往回流動320，并由此導致第二導體材料的原子擴散，填充開路403并在與第三導體層130的界面1 處再次生成短路 (即把端子162重新連接到端子161和163-164)。最后，e熔絲150可以被類似地從初始11狀態(tài)編程到00狀態(tài)，并按需要重編程回到11狀態(tài)。具體來說，可以通過向第一導體層110(即向第一端子161)和向第三導體層 130(即向第二端子162)施加負電壓，并向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164) 施加正電壓來執(zhí)行第一編程過程(711，見圖幻。這將導致第二導體層120內(nèi)的電子從第二導體層120與第一和第三導體層110、130之間的界面125、126(即從第一和第二端子161、 162)朝第二導體層120的遠端124(即朝第四端子164)流動520。以此方式流動的電子將導致第二導體材料(即構成第二導體層120的導電材料)的原子擴散離開界面125、126，因而生成開路501、503(即空隙)。這些開路501、503實際上把端子161、162中的每一個與其他端子斷開。為了逆轉這個00狀態(tài)，可以通過向第二導體層120的遠端124(即向第四端子164)施加負電壓，并向第二導體層120的近端123(即向第三端子163)施加正電壓以便填充開路501、502并在這些界面125、1沈處重新生成短路(即重新連接端子161和162) 來執(zhí)行第二編程過程。所述方法的另一實施例可以包括提供具有額外的導電層以便實現(xiàn)更多的高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面、更多的端子、因而更多的編程狀態(tài)的e熔絲。具體來說， 參考圖8，所述方法的另一實施例可以包括提供例如在圖6中所示并在上面針對第一電路結構實施例600詳細描述的e熔絲650 (802)。應該注意，可以使用公知的襯底刻蝕、鑲嵌和雙鑲嵌技術在常規(guī)的后段(BEOL)處理期間(即在金屬化層的形成期間)在半導體晶圓上形成e熔絲650，更具體地，形成構成e熔絲650的不同導體層610、620、630和640，其具體細節(jié)被省略以便允許讀者專注于這里描述的實施例的突出方面。然后可以在電壓源670和第一導體層610的相反端613、614 (即第一導體層610的分別生成第一和第三端子的近端613和遠端614)之間、在電壓源和生成第二端子的第四導體層640之間、以及在電壓源670和第三導體層630的相反端633、634(即第三導體層630 的生成第四和第五端子的近端633和遠端634)之間形成電連接661-665 (804)。因此，在本實施例中，e熔絲可以具有五個不同的端子。接著，可以通過選擇性地控制電壓源670(例如通過來自控制器180的控制信號) 以便允許電連接661-665處(即在五個端子處)電壓極性被改變，從而選擇性地控制電子在第一和第三導體層內(nèi)的雙向流動(806)來執(zhí)行e熔絲編程和重編程。電子在第一和第三導體層610、630內(nèi)的雙向流動可以被選擇性地控制，以便在第一和第三導體層610、630內(nèi)在高原子擴散阻力-低原子擴散阻力界面616、635、636處(即第一導體層610內(nèi)與第二導體層620的界面616處，以及在第三導體層630內(nèi)分別在與第二導體層620和第四導體層 640的界面635、636處)形成非破壞性開路和/或短路。和前面的實施例相同，通過選擇性地控制這種開路和/或短路的形成，e熔絲650可以被用多個不同狀態(tài)中的任何一個編程和重編程。應該理解，這里針對任何導體層(例如圖1的第二導體層120或者圖6的第一和第三導體層610和630)使用的短語“近端”指最靠近與其他導體層的一個或更多個界面的那一端，而這里針對任何導體層使用的短語“遠端”的使用則指最遠離這些界面的那一端。 還應該理解，下面的權利要求中的所有裝置或者步驟加功能元素的對應結構、材料、動作和等同物旨在包括用于結合具體要求保護的其他要求保護的元素執(zhí)行該功能的任何結構、材料或者動作。此外，應該理解上面對本發(fā)明的描述已被為了說明和描述的目的給出，但是并非預期是窮盡的或者限于公開形式的發(fā)明。不偏離本發(fā)明的范圍和精神，很多修改和變化對于本領域技術人員來說將是明顯的。選擇和描述了實施例以便最好地說明本發(fā)明的原理和實際應用，并使其他本領域技術人員能夠針對具有適于所構思的具體應用的各種修改的實施例理解本發(fā)明。為了不非必要地模糊本發(fā)明的實施例，在上面的描述中省略了公知的部件和處理技術。最后，也應該理解在上面的描述中使用的術語只是用于描述具體實施例的目的， 并非旨在限制本發(fā)明。例如，如這里使用的那樣，單數(shù)形式“一”、“該”預期也包括復數(shù)形式， 除非上下文明確地另有所指。此外，如這里使用的，當在本說明書中使用時，術語“包括”、 “包含”規(guī)定存在所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元素，和/或部件，但是不排除存在或者添加一個或更多個其他的特征、整數(shù)、步驟、操作、元素、部件，和/或其組合。
因此，上面公開了用于編程和重編程低功率、多狀態(tài)電子熔絲(即e熔絲)的電路結構的實施例。在電路的一個實施例中，e熔絲能夠包括兩個相對較短的導體層，位于一相對較長的導體層的相反側上并位于其同一端。短導體層可以具有相對較高的原子擴散阻力 (即能夠表現(xiàn)出較低的原子擴散性)，并且長導體層可以具有相對較低的原子擴散阻力(即能夠表現(xiàn)出較高的原子擴散性)。電壓源可以電氣連接到長導體層的相反端，并且也連接到每一短導體層，以使e熔絲結構具有四個端子。電壓源能夠被選擇性地控制以便改變施加于不同端子的電壓的極性，以及可選地，改變施加于不同端子的電壓的大小。通過改變不同端子處的電壓極性(和大小)，能夠選擇性地控制電子在長導體層內(nèi)的雙向流動。通過控制電子在長導體層內(nèi)的雙向流動，能夠選擇性地控制在長導體層-短導體層界面處非破壞性開路和/或短路的形成，以實現(xiàn)多個不同的編程狀態(tài)。電路的其他實施例可以包括具有額外的導體層和額外的端子以便實現(xiàn)更多的編程狀態(tài)的e熔絲。還公開了相關聯(lián)的e熔絲編程和重編程方法的實施例。上述實施例實現(xiàn)低功率非破壞性編程和重編程，并具有與現(xiàn)有的后段(BEOL)金屬化過程完全兼容的益處。
權利要求
1.一種電路結構，包括熔絲，包括第一導體層；位于所述第一導體層上的第二導體層；和位于所述第二導體層上的第三導體層，與所述第二導體層相比，所述第一導體層和所述第三導體層均具有相對高的原子擴散阻力；電壓源；和所述電壓源和所述第一導體層之間、所述電壓源和所述第二導體層的相反端之間、以及所述電壓源和所述第三導體層之間的電連接，所述電壓源能夠被選擇性地控制，從而允許所述電連接中被選擇的電連接處的電壓極性被改變，以便選擇性地控制電子在所述第二導體層內(nèi)的雙向流動，并由此選擇性地控制任何非破壞性開路和短路在所述第二導體層內(nèi)在與所述第一導體層和所述第三導體層的界面處的形成。
2. 如權利要求1所述的電路結構，所述第二導體層具有近端和與所述近端相反的遠端，所述第一導體層和所述第三導體層相對于所述第二導體層均較短，并且還被置于所述第二導體層的相反側上并鄰近所述近端。
3.如權利要求1所述的電路結構，所述電壓源還能夠被選擇性地控制以便允許所述電連接中被選擇的電連接處的電壓大小被改變。
4.如權利要求2所述的電路結構，所述電壓源向所述第三導體層施加負電壓，并向所述第二導體層的所述遠端施加正電壓，以便在與所述第三導體層的界面處生成開路；并且所述電壓源還向所述第二導體層的遠端施加負電壓并向所述第二導體層的所述近端施加正電壓以便填充所述開路，在與所述第三導體層的所述界面處重新生成短路。
5.如權利要求2所述的電路結構，所述電壓源向所述第一導體層施加負電壓并向所述第二導體層的所述遠端施加正電壓，以便在與所述第一導體層的界面處生成開路；并且所述電壓源還向所述第二導體層的所述遠端施加負電壓并向所述第二導體層的所述近端施加正電壓以便填充所述開路，在與所述第一導體層的所述界面處重新生成短路。
6.如權利要求2所述的電路結構，所述電壓源向所述第一導體層和所述第三導體層施加負電壓并向所述第二導體層的所述遠端施加正電壓以便在所述界面處生成開路；所述電壓源還向所述第二導體層的所述遠端施加負電壓并向所述第二導體層的所述近端施加正電壓以便填充所述開路，在所述界面處重新生成短路。
7.如權利要求1所述的電路結構，所述第二導體層包括銅和鋁中的任何一種。
8.如權利要求1所述的電路結構，所述第一導體層和所述第三導體層均包括導電的擴散阻擋材料。
9.如權利要求8所述的電路結構，所述導電的擴散阻擋材料包括鈷、鉻、釕、鉭、氮化鉭、氧化銦、鎢、氮化鎢、鈦和氮化鈦中的任何一種。
10.一種電路結構，包括熔絲，包括第一導體層；位于所述第一導體層上方的第二導體層；位于所述第二導體層上方的第三導體層；和位于所述第三導體層上方的第四導體層，與所述第一導體層和所述第三導體層相比， 所述第二導體層和所述第四導體層均具有相對高的原子擴散阻力；電壓源；和所述電壓源和所述第一導體層的相反端之間、所述電壓源和所述第三導體層的相反端之間、以及所述電壓源和所述第四導體層之間的電連接，所述電壓源能夠被選擇性地控制， 從而允許所述電連接處的電壓極性被改變，以便選擇性地控制電子在所述第一導體層和所述第三導體層內(nèi)的雙向流動，并由此選擇性地控制任何非破壞性開路和短路在所述第一導體層內(nèi)在與所述第二導體層的界面處、以及在所述第三導體層內(nèi)在與所述第二導體層和所述第四導體層的界面處的形成。
11.如權利要求10所述的電路結構，所述第二導體層和所述第四導體層相對于所述第一導體層和所述第三導體層均較短。
12.如權利要求10所述的電路結構，所述電壓源還能夠被選擇性地控制以便允許所述電連接中被選擇的電連接處的電壓大小被改變。
13.如權利要求10所述的電路結構，所述第一導體層和所述第三導體層均包括銅和鋁中的任何一種。
14.如權利要求10所述的電路結構，所述第二導體層和所述第四導體層均包括導電的擴散阻擋材料。
15.如權利要求14所述的電路結構，所述導電的擴散阻擋材料包括鈷、鉻、釕、鉭、氮化鉭、氧化銦、鎢、氮化鎢、鈦和氮化鈦中的任何一種。
16.一種熔絲編程和重編程方法，包括提供熔絲，所述熔絲包括第一導體層，位于所述第一導體層上的第二導體層，和位于所述第二導體層上的第三導體層，其中，與所述第二導體層相比，所述第一導體層和所述第三導體層均具有相對高的原子擴散阻力，其中，所述第二導體層具有近端和與所述近端相反的遠端，并且其中，所述第一導體層和所述第三導體層相對于所述第二導體層較短，并且被置于所述第二導體層的相反側上并鄰近所述近端；在電壓源和所述第一導體層之間、所述電壓源和所述第二導體層的相反端之間、以及所述電壓源和所述第三導體層之間形成電連接；和通過下述操作執(zhí)行編程和重編程過程選擇性地控制所述電壓源從而允許所述電連接處的電壓極性被改變，以便選擇性地控制電子在所述第二導體層內(nèi)的雙向流動，并由此選擇性地控制任何非破壞性開路和短路在所述第二導體層內(nèi)在與所述第一導體層和所述第三導體層的界面處的形成。
17.如權利要求16所述的方法，所述執(zhí)行所述編程和重編程過程還包括通過向所述第三導體層施加負電壓并向所述第二導體層的遠端施加正電壓以便在與所述第三導體層的界面處生成開路來執(zhí)行第一編程過程；和通過向所述第二導體層的所述近端施加正電壓并向所述第二導體層的所述遠端施加負電壓以便填充所述開路，在與所述第三導體層的所述界面處生成短路來執(zhí)行第二編程過程。
18.如權利要求16所述的方法，所述執(zhí)行所述編程和重編程過程還包括通過向所述第一導體層施加負電壓并向所述第二導體層的所述遠端施加正電壓以便在與所述第一導體層的界面處生成開路來執(zhí)行第一編程過程；和通過向所述第二導體層的所述遠端施加負電壓并向所述第二導體層的所述近端施加正電壓以便填充所述開路，在與所述第一導體層的所述界面處生成短路來執(zhí)行第二編程過程。
19.如權利要求16所述的方法，所述執(zhí)行所述編程和重編程過程還包括通過向所述第一導體層和所述第三導體層施加負電壓并向所述第二導體層的所述遠端施加正電壓以便在所述界面處生成所述開路來執(zhí)行第一編程過程；通過向所述第二導體層的所述遠端施加負電壓并向所述第二導體層的所述近端施加正電壓以便填充所述開路，在所述界面處生成所述短路來執(zhí)行第二編程過程。
20.—種熔絲編程和重編程方法，包括提供熔絲，所述熔絲包括第一導體層，位于所述第一導體層上方的第二導體層，位于所述第二導體層上方的第三導體層，和位于所述第三導體層上方的第四導體層，與所述第一導體層和所述第三導體層相比，所述第二導體層和所述第四導體層均具有相對高的原子擴散阻力；在電壓源和所述第一導體層的相反端之間、所述電壓源和所述第三導體層的相反端之間、以及所述電壓源和所述第四導體層之間形成電連接；和通過下述操作執(zhí)行編程和重編程過程選擇性地控制所述電壓源從而允許所述電連接處的電壓極性被改變，以便選擇性地控制電子在所述第一導體層和所述第三導體層內(nèi)的雙向流動，并由此選擇性地控制任何非破壞性開路和短路在所述第一導體層內(nèi)在與所述第二導體層的界面處、以及在所述第三導體層內(nèi)在與所述第二導體層和所述第四導體層的界面處的形成。
全文摘要
公開了e熔絲編程/重編程電路的實施例。在一個實施例中，e熔絲(150)具有兩個較短的高原子擴散阻力導體層(110、130)，位于一相對較長的低原子擴散阻力導體層的相反側(121、122)上并位于其同一端(123)。使用電壓源(170)改變施加于端子(第一端子＝170/161/110；第二端子＝170/162/130；第三端子＝170/163/導體層120的近端123；和第四端子＝170/164/導體層120的遠端124)的電壓的極性，以及可選地，改變施加電壓的大小，以便控制電子在長導體層內(nèi)的雙向流動，并由此控制在長導體層-短導體層界面(125、126)處非破壞性開路和/或短路的形成。這些開路和/或短路的形成可用來實現(xiàn)不同的編程狀態(tài)(11、01、10、00)。其他的電路結構實施例包括具有額外的導體層和額外的端子以便實現(xiàn)更多的編程狀態(tài)的e熔絲。還公開了相關聯(lián)的e熔絲編程和重編程方法的實施例。
文檔編號H01L21/82GK102473677SQ201080031353
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權日2009年7月1日
發(fā)明者C·S·普特納姆, M·J·阿布-克哈里爾, S·米特拉, T·C·李, 小R·J·高西爾, 李軍俊 申請人:國際商業(yè)機器公司