一次可编程单元及集成有一次可编程单元的半导体器件
阅读说明：本技术 一次可编程单元及集成有一次可编程单元的半导体器件 (sub-programmable cell and semiconductor device integrated with sub-programmable cell ) 是由 金兴成 高淑荣 于 2018-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种一次可编程单元及集成有一次可编程单元的半导体器件,所述一次可编程单元包括：第一电极,包括相对的第一表面和第二表面；第二电极,包括相对的第一表面和第二表面,所述第一电极的第二表面与所述第二电极的第一表面相对；可编程介质层,设于所述第一电极的第二表面与所述第二电极的第一表面之间,且与所述第二电极的第一表面相接触；绝缘介质层,设于所述可编程介质层与所述第一电极之间,且形成有开口,所述可编程介质层穿过所述开口与所述第一电极的第二表面相接触。本发明减小了一次可编程单元在辐照环境下的“辐照接受面”,防止一次可编程单元在辐照环境下形成漏电通道,甚至造成误编程。(The invention relates to -time programmable units and a semiconductor device integrated with -time programmable units, wherein each -time programmable unit comprises a th electrode, a second electrode, a th surface and a second surface, the 5393 th surface and the second surface are opposite, the second surface of a th electrode is opposite to the th surface of the second electrode, a programmable dielectric layer is arranged between the th surface and the th surface of the second electrode and is in contact with the th surface of the second electrode, and an insulating dielectric layer is arranged between the programmable dielectric layer and the th electrode and is provided with an opening, and the programmable dielectric layer is in contact with the second surface of the th electrode through the opening.)
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种一次可编程单元，还涉及一种集成有一次可编程单元的半导体器件。
背景技术
一次可编程(One Time Programmable，OTP)单元是一种存储器件，它是相对于多次性编程而言的，其编程过程是不可逆的活动。
在一些涉及到辐照的特殊应用领域，传统的基于晶体管的一次可编程(OTP)单元容易因为辐照导致电路失效甚至烧毁。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够抗辐照的一次可编程单元。
一种一次可编程单元，包括：第一电极，包括相对的第一表面和第二表面；第二电极，包括相对的第一表面和第二表面，所述第一电极的第二表面与所述第二电极的第一表面相对；可编程介质层，设于所述第一电极的第二表面与所述第二电极的第一表面之间，且与所述第二电极的第一表面相接触；绝缘介质层，设于所述可编程介质层与所述第一电极之间，且形成有开口，所述可编程介质层穿过所述开口与所述第一电极的第二表面相接触；其中，所述第二电极和第一电极为导电材料，且所述可编程介质层为当通过的电流达到阈值电流时会与接触的所述第二电极和第一电极的至少部分发生合金化、从而阻值变小的材料。
在其中一个实施例中，所述可编程介质层为非晶硅材料，所述第二电极和第一电极为通过的电流达到阈值电流时会与至少部分所述非晶硅形成合金的导电材料。
在其中一个实施例中，所述第二电极包括第一金属氮化物材料层，所述第一电极包括第二金属氮化物材料层。
在其中一个实施例中，所述第一金属氮化物材料层的厚度为
在其中一个实施例中，所述可编程介质层的厚度为
在其中一个实施例中，所述绝缘介质层的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
在其中一个实施例中，所述绝缘介质层的厚度为
还有必要提供一种集成有一次可编程单元的半导体器件。
一种集成有一次可编程单元的半导体器件，包括以上任一实施例所述的一次可编程单元，所述第一电极为下电极，所述第二电极为上电极，所述半导体器件还包括：第一金属互联线，与所述上电极电性连接；第二金属互联线，位于所述下电极下方，与所述下电极电性连接。
在其中一个实施例中，所述绝缘介质层通过化学气相淀积工艺制成，且化学气相淀积所述绝缘介质层的温度低于400摄氏度。
在其中一个实施例中，还包括位于所述第二金属互联线和下电极之间的导电黏附层，所述导电黏附层用于将所述第二金属互联线和下电极黏在一起。
上述一次可编程单元及集成有一次可编程单元的半导体器件，与传统的基于晶体管的OTP单元的编程原理不同，利用可编程介质层的材料在通大电流时会与第一电极和第二电极发生合金化的特性，通过在第一电极和第二电极之间施加编程电压，实现一次性编程。且在可编程介质层和第一电极之间设置绝缘介质层，通过在绝缘介质层中开口，可编程介质层只在开口处与第一电极接触、其他位置被绝缘介质层隔开，从而减小了一次可编程单元在辐照环境下的“辐照接受面”(即将辐照接受面限制在开口处)，防止一次可编程单元在辐照环境下形成漏电通道，甚至造成误编程。
附图说明
图1是一实施例中一次可编程单元的结构示意图；
图2是另一实施例中一次可编程单元的结构示意图；
图3是一实施例中集成有一次可编程单元的半导体器件的结构示意图；
图4为可编程阵列结构的示意图；
图5为一实施例的集成有一次可编程单元的半导体器件的电性测试曲线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请提供一种能够抗辐照的一次可编程单元，包括：
第一电极，包括相对的第一表面和第二表面；
第二电极，包括相对的第一表面和第二表面，所述第一电极的第二表面与所述第二电极的第一表面相对；
可编程介质层，设于所述第一电极的第二表面与所述第二电极的第一表面之间，且与所述第二电极的第一表面相接触；
绝缘介质层，设于所述可编程介质层与所述第一电极之间，且形成有开口，所述可编程介质层穿过所述开口与所述第一电极的第二表面相接触；其中，所述第二电极和第一电极为导电材料，且所述可编程介质层为通过的电流足够大时会与接触的所述第二电极和第一电极的材料发生合金化、从而阻值变小的材料。
在一个实施例中，绝缘介质层包括相对的第一表面和第二表面，绝缘介质层的第一表面与第一电极的第二表面相接触，绝缘介质层形成有从绝缘介质层的第二表面贯穿至绝缘介质层的第一表面的开口。可编程介质层与绝缘介质层的第二表面相接触。
图1是一实施例中一次可编程单元的结构示意图，一次可编程单元包括下电极10、绝缘介质层20、可编程介质层30及上电极40。绝缘介质层20设于下电极10上，可编程介质层30设于绝缘介质层20上，绝缘介质层20形成有开口23，绝缘介质层20上的可编程介质层30向下穿过开口23与下电极10接触。上电极40形成于可编程介质层30上，与可编程介质层30接触。其中，上电极40和下电极10为导电材料，且可编程介质层30为当通过的电流达到阈值电流时会与接触的上电极40和下电极10的至少部分发生合金化、从而阻值变小的材料。即，可编程介质层30的材料在初始状态下(制造成一次可编程单元之前)的电阻值非常大(高阻材料)，但在两个电极施加电压时，较强的纵向电场会在可编程介质层30与上电极40、下电极10的接触表面形成，当电压达到击穿电场要求时，会形成瞬间大电流，从而产生焦耳热，造成上电极40和下电极10的材料(例如金属、金属化合物、合金等)向可编程介质层30内部扩散，在焦耳热作用下形成永久的合金通道，合金的电阻值较小(低阻材料)，从而实现可编程单元的编通。利用这个原理，通过在上电极40和下电极10之间加一个足够大的电压，就可以对上述一次可编程单元进行一次性的数据写入。因此，上述阈值电流的大小由可编程介质层30、上电极40、下电极10的材料特性决定。
上述一次可编程单元，与传统的基于晶体管的OTP单元的编程原理不同，利用可编程介质层的材料在通大电流时会与上电极和下电极发生合金化的特性，通过在上电极和下电极之间施加编程电压，实现一次性编程。且在可编程介质层和下电极之间设置绝缘介质层，通过在绝缘介质层中开口，可编程介质层只在开口处与下电极接触、其他位置被绝缘介质层隔开，从而减小了一次可编程单元在辐照环境下的“辐照接受面”，防止一次可编程单元在辐照环境下形成漏电通道，甚至造成误编程。
在一个实施例中，开口23位于绝缘介质层20的中部，这样可以控制一次可编程单元的编程通道，缩小编程过程中形成金属化导电的钛硅合金(Salicide)通道的区域，防止一次可编程单元边缘高缺陷造成的早期击穿失效，提高编程良率。
图2是另一实施例中一次可编程单元的结构示意图，其与图1所示实施例的区别在于，绝缘介质层20是形成于可编程介质层30和上电极40之间，可编程介质层30向上穿过开口23与上电极40接触。即一次可编程单元从下到上依次为下电极10、可编程介质层30、绝缘介质层20(以及开口23中填充的可编程介质层30)、上电极40。
发明人实际测试了图1和图2的两个实施例，发现对于从上往下的辐照，采用图1所示实施例的结构并在编程时对上电极40加高电压、对下电极10加低电压(即让电流方向为从上电极40到下电极10)，会比图2所示实施例的结构有更好的抗辐照效果。机理模型可以解释为当一次可编程单元在电路中的时候，上电极40高电压，下电极10低电压，可编程介质层30(高阻的非晶硅)有分压和分流的作用，在开口23电场强度最强。而击穿的原因是从低电压到高电压的电子流激发形成瞬间大电流造成，所以开口在低电压一侧能够提升抗辐照性能。
在一个实施例中，可编程介质层30为非晶硅材料，第二电极和第一电极为在通过的电流足够大时会与非晶硅形成合金的导电材料。非晶硅材料的电阻可以达到兆欧级。第二电极和第一电极的材料可以为氮化钛、钛、铝等。
在一个实施例中，下电极10的厚度为
在一个实施例中，可编程介质层30的厚度为
在一个实施例中，绝缘介质层20可以使用化学气相淀积工艺形成。绝缘介质层20的材料可以为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等，例如等离子体增强二氧化硅薄膜，等离子体增强氮氧化硅薄膜，等离子体增强氮化硅薄膜。
在一个实施例中，绝缘介质层20的厚度为
本申请还提供一种集成有一次可编程单元的半导体器件，包括上述任一实施例中一次可编程单元，还包括与上电极40电性连接第一金属互联线，以及位于下电极10下方，与下电极10电性连接的第二金属互联线。
参见图3，在一个实施例中，第一金属互联线120通过接触孔中的金属塞132电性连接至上电极40，第二金属互联线110与下电极10之间通过导电黏附层112黏附在一起。下电极10通过接触孔中的金属塞134连接至第三金属互联线122，金属塞134可以是向下延伸至下电极10，也可以是延伸至第二金属互联线110。第三金属互联线122可以是与第一金属互联线120为同一层金属层，通过图形化工艺再各自形成相应的金属互联线。
采用图3所示的结构，可以将一次可编程单元集成于集成电路后段金属布线层次，而不占用芯片底层(即衬底)的制造空间，制造成工序简单，稳定性好，满足抗辐照能力。例如，可以将可编程单元的下极板(包括第二金属互联线110、导电黏附层112、下电极10)作为CMOS集成电路的下层互联金属层次，从而与现有的CMOS集成电路制造工艺实现兼容。
同一条金属线互联可以串联单个或者多个可编程单元，从而实现可编程阵列结构。图4为可编程阵列结构的示意图，其中横向的线条为第二金属互联线110，竖向的线条为第三金属互联线122，相交处的圆点表示二者通过接触孔电性连接在一起。
在其中一个实施例中，导电黏附层112的材质为钛。
在其中一个实施例中，导电黏附层112的厚度为
第一金属互联线120、第二金属互联线110及第三金属互联线122可以采用本领域习知的互联金属层材料，包括铝、铝合金(例如铜铝合金)等。
在其中一个实施例中，化学气相淀积工艺制作绝缘介质层20的温度低于400摄氏度。限制淀积温度的原因是防止下极板的金属熔融，主要是防止第二金属互联线110中的铝(铝的熔点较低)熔融。
在其中一个实施例中，上述半导体器件为互补金属氧化物半导体(CMOS)，可以应用于一次可编程PROM和FPGA产品。
基于以上所有的实施例，以下结合图3介绍一个更具体的实施例。图3所示的集成有一次可编程单元的半导体器件从下到上依次层叠设置第二金属互联线110、导电黏附层112、下电极10、绝缘介质层20、可编程介质层30、上电极40，上电极40通过接触孔中的金属塞132电性连接至第一金属互联线120，下电极10通过接触孔中的金属塞134连接至第三金属互联线122。
上电极40采用
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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