Brevet FR3058567A1 — publié le 20180511

Circuit intégré comportant une structure antifusible, et procédé de réalisation L'invention concerne les circuits intégrés et plus particulièrement les structures antifusibles (« antifuse » en anglais) présentes au sein de ces circuits intégrés. Actuellement, les structures antifusibles sont généralement basées sur le claquage d'un oxyde situé entre une région active d'un circuit intégré et une ligne de polysilicium. Lorsque l'oxyde n'est pas électriquement claqué, il est isolant et aucun courant ne passe entre la ligne de polysilicium et la région active du circuit intégré. Par contre, lors de l'application d'une différence de potentiel de claquage entre la ligne de polysilicium et la zone active du circuit intégré, il y a alors un claquage de l'oxyde et celui-ci devient conducteur. Le claquage est irréversible. Ainsi, une telle structure antifusible peut se comporter fonctionnellement comme une cellule-mémoire du type à programmation unique (cellule-mémoire dite « OTP » : « One Time Programmable»). En effet, la cellule-mémoire passe alors d'un état non-conducteur à un état conducteur, ce qui permet de stocker un bit dont la valeur logique dépend de l'état de la cellule-mémoire. Les structures antifusibles sont souvent utilisées dans des produits. Et, lorsqu'elles sont utilisées pour coder une information secrète, elles sont alors sujettes à de l'ingénierie inverse. Or, les structures antifusibles actuelles sont aisément observables par une analyse de défaut (« failure analysis ») en utilisant des outils appropriés tels que des microscopes à balayage électronique (SEM : Scanning Electron Microscope) qui permettent, après retrait de la couche de polysilicium, de repérer l'état de l'oxyde. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé une structure antifusible à la fois simple à réaliser et difficilement analysable dans une opération d'ingénierie inverse. 3058567 2 Ainsi, selon un mode de réalisation, il est proposé une structure antifusible disposée dans la partie d'interconnexion (plus connue par l'homme du métier sous l'acronyme anglosaxon BEOL : « Back End Of Line ») du circuit intégré, ce qui la rend particulièrement résistante à 5 une opération d'ingénierie inverse car elle n'est pas directement en contact avec le substrat du circuit intégré. En outre, cette structure antifusible est basée notamment sur la croissance d'un oxyde métallique, donc particulièrement fin, se produisant lors d'une étape de réalisation de la structure et dont l'état claqué ou non est quasiment 10 impossible à repérer visuellement. Selon un aspect, il est proposé un circuit intégré comprenant au-dessus d'un substrat une partie d'interconnexion (partie BEOL) comportant plusieurs niveaux de métallisation séparés par une région isolante, typiquement un diélectrique inter métal plus connu par 15 l'homme du métier sous l'acronyme anglosaxon IMD (Inter Metal Dielectric). Selon une caractéristique générale de cet aspect, le circuit intégré comprend en outre au sein de ladite partie d'interconnexion, au moins une structure antifusible enrobée dans une partie de ladite 20 région isolante. Cette structure antifusible comporte une poutre maintenue en deux endroits différents par deux bras, un corps et une zone isolante antifusible. La poutre, le corps et les bras sont métalliques et situés au sein 25 d'un même niveau de métallisation. Le corps et la poutre sont mutuellement en contact par l'intermédiaire de ladite zone isolante antifusible configurée pour être claquée en présence d'une différence de potentiel de claquage entre le corps et la poutre. 30 Selon un mode de réalisation, la poutre, les deux bras et le corps comportent un premier métal, par exemple du cuivre ou de l'aluminium, et ladite zone isolante antifusible comprend un oxyde de ce premier métal. 3058567 3 L'épaisseur de la zone isolante antifusible est avantageusement très fine, car elle résulte en particulier d'une croissance d'oxyde lors d'une étape de réalisation de la structure. A titre indicatif, la zone isolante antifusible a une épaisseur au moins égale à 2 nm et inférieure 5 ou égale à 20 nm. Selon un mode de réalisation, les deux bras s'étendent sensiblement parallèlement à une première direction et la poutre présente une déviation angulaire non nulle par rapport à une deuxième direction orthogonale à la première direction, ce qui lui permet de 10 venir en contact avec le corps, par exemple une butée. Selon un mode de réalisation, les deux bras sont respectivement solidaires de la poutre sur deux faces opposées de la poutre, au voisinage de la partie centrale de la poutre, les deux points de fixation des deux bras de la poutre étant espacés dans la direction longitudinale 15 de la poutre. Selon un mode de réalisation, le corps peut comporter une butée en contact avec l'une des extrémités de la poutre par l'intermédiaire de la zone isolante antifusible. En variante, la zone isolante antifusible peut comporter deux 20 parties antifusibles et ledit corps peut comprendre alors deux butées respectivement en contact avec les deux extrémités de la poutre par l'intermédiaire des deux parties antifusibles. L'une au moins des deux parties antifusibles est configurée pour être claquée en présence de la différence de potentiel de claquage entre au moins l'une des butées et 25 ladite poutre. Le circuit intégré peut comporter plusieurs structures antifusibles. L'une au moins des structures antifusibles peut comporter une zone isolante antifusible claquée et l'une au moins des structures 30 antifusibles peut comporter une zone isolante antifusible non claquée. Selon un autre aspect, il est proposé un système comportant un circuit intégré tel que défini ci-avant et des moyens configurés pour appliquer ladite différence de potentiel de claquage sur l'une au moins desdites structures antifusible. 3058567 4 Ces moyens peuvent ou non appartenir au circuit intégré. Selon encore un autre aspect, il est proposé un procédé de réalisation d'un circuit intégré comportant au moins une structure antifusible. 5 Le procédé comprend : -une formation au-dessus d'un substrat d'au moins une première région intermédiaire isolante, par exemple une région diélectrique inter-métal (IMD : Inter Metal Dielectric), -une formation au sein d'un niveau de métallisation reposant 10 sur ladite première région intermédiaire isolante d'au moins une structure intermédiaire métallique comportant un corps et une poutre maintenue en deux endroits par deux bras (ce niveau de métallisation peut être un niveau de métallisation quelconque de la partie d'interconnexion du circuit intégré), 15 -un retrait d'au moins une partie de la première région intermédiaire isolante située sous la structure intermédiaire de façon à libérer cette structure intermédiaire et autoriser un déplacement de la poutre pour lui permettre de venir en contact avec ledit corps par l'intermédiaire d'une zone isolante résultant d'une oxydation du métal 20 de ladite structure intermédiaire au moins lors de la libération de façon à former ladite structure antifusible, ladite au moins une zone isolante formant une zone isolante antifusible configurée pour claquer en présence d'une différence de potentiel de claquage entre ledit corps et la poutre, et 25 -un enrobage de ladite structure antifusible dans une deuxième région intermédiaire isolante, par exemple une deuxième couche de diélectrique intermétal. D' autres avantages et caractéristiques de l' invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise 30 en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : -les figures 1 à 10, pour certaines d'entre elles schématiques, sont relatives à différents modes de mise en oeuvre et de réalisation de l' invention. 3058567 5 Si l'on se réfère à la figure 1, on voit que la structure antifusible STR est réalisée au sein d'un même niveau de métallisation Mi de la partie d'interconnexion PITX d'un circuit intégré CI, cette partie d'interconnexion étant également communément désignée par 5 l'homme du métier sous l'acronyme anglosaxon BEOL. Cette partie PITX se situe au-dessus du substrat SB. Dans les exemples décrits ici, la structure STR est métallique, par exemple en cuivre ou bien en aluminium sans que ces deux exemples ne soient limitatifs. 10 Comme on le verra plus en détail ci-après, la structure antifusible STR (partie droite de la figure 1) est obtenue à partir d'une structure intermédiaire STRI métallique (partie gauche de la figure 1) réalisée au-dessus d'une région isolante RIS de la partie PITX, typiquement une couche de matériau diélectrique intermétal (IMD en 15 langue anglaise). La structure STR est formée après libération (désencapsulation) de la structure intermédiaire STRI de la couche isolante RIS sous-jacente. La structure intermédiaire STRI comporte ici un ensemble ENSI en forme de croix asymétrique. 20 Cet ensemble ENSI comporte un premier bras BR1A et un deuxième bras BR1B solidaire d'une poutre PTR en deux emplacements EMPA et EMPB respectivement situés sur deux faces opposées de la poutre PTR. Ces deux emplacements EMPA et EMPB sont espacés d'une distance d (on a représenté la distance d/2 sur la 25 figure 1). Les deux bras sont par ailleurs respectivement solidaires de portions métalliques BDA, BDB. Comme on le verra plus en détail ci-après, l'ensemble ENSI est réalisé en utilisant des techniques classiques de réalisation de pistes 30 métalliques de la partie d'interconnexion PITX, utilisées en technologie CMOS notamment. La structure intermédiaire STRI comporte également, outre l'ensemble ENSI, au moins un corps, par exemple une butée BTA, réalisé au sein du même niveau de métallisation Mi. 3058567 6 Comme indiqué ci-avant, la partie gauche de la figure 1 montre la structure STRI reposant sur la région isolante RIS sous-jacente avec l'extrémité de la poutre PTR située à distance de la butée BTA. La région sous-jacente RIS interdit donc ici tout mouvement de 5 l'ensemble ENSI. La partie droite de la figure 1 montre la structure antifusible STR obtenue après libération de la structure intermédiaire STRI. Cette libération ou désencapsulation est obtenue ici par gravure de la région isolante RIS sous-jacente de façon à libérer les bras BR1A et BR1B 10 ainsi que la poutre PTR. Il a été montré dans l'article de R. Vayrette et autres intitulé : « Residual stress estimation in damascene copper interconnects using embedded sensors », Microelectronics Engineering 87 (2010) 412-415, qu'après désencapsulation d'un ensemble de ce type, il y a une 15 relaxation des contraintes, ce qui provoque une déformation longitudinale résiduelle des bras provoquant une déviation angulaire a de la poutre, ici dans le sens des aiguilles d'une montre. Plus précisément, si l'on suppose un bras de largeur Wa constante, la déviation a s'exprime par la formule suivante : 20 d.L.L0(L - Lo) a= (2L - Lo) + 4 - .Wa 2 .L0 3 où Lo est la longueur du bras après relaxation L 1+ o- E où a désigne la contrainte longitudinale moyenne résiduelle et 25 E le module de Young du matériau (environ égal à 130 GPa pour le cuivre isotrope et égal à 63GPa pour l'aluminium). a est déterminé expérimentalement à partir de mesures effectuées sur des structures de test présentant diverses valeurs de d et diverses valeurs de Wa. Ainsi, pour 1/d égal à 2 pm-1 et Wa égal à 30 0,5 [lm, a vaut environ 800 MPa. Lo est égal à 3058567 7 A titre indicatif, pour des bras de longueur 10 microns et de largeur 0,2 microns, on a une déviation du pointeur de l'ordre de 0,2 microns pour un espacement d de 2 microns. Pour un espacement de 1 micron, on obtient une déviation a de l'ordre de 0,3 microns. Ceci 5 s'entend pour des structures recuites à 400° avec une région isolante RIS de 0,56 microns. Pour une largeur de ligne (largeur de bras) de l'ordre de 0,2 microns, on obtient une déformation résiduelle longitudinale moyenne comprise entre 0,25% et 0,30% pour une largeur de ligne 10 (largeur des bras) de 0,5 microns, 0,20% pour une largeur de ligne de 1 micron, et un peu moins de 0,20% pour une largeur de ligne de 2 microns. Ainsi après libération les deux bras BR1A et BR1B s'étendent sensiblement parallèlement à une première direction DIR1, et la poutre 15 présente PTR une déviation angulaire a non nulle par rapport à une deuxième direction DIR2 orthogonale à la première direction. Du fait de cette relaxation des contraintes et de la déformation longitudinale résiduelle des bras provoquant la déviation angulaire a de la poutre PTR, l'extrémité de celle-ci vient au contact de la butée 20 BTA. La structure STR est ensuite de nouveau encapsulée dans la région isolante RIS par dépôt d'un matériau du type IMD, comme illustré schématiquement sur la figure 2. Sur cette figure 2, qui illustre schématiquement une forme 25 particulière de butée BTA, on voit que le contact entre la poutre PTR et la butée BTA se fait par l'intermédiaire d'une zone isolante antifusible ZSF. Comme illustré plus en détail sur la figure 3, la poutre PTR et la butée BTA, toutes deux métalliques, sont recouvertes d'un oxyde 30 métallique respectivement OX1, OX2 résultant, comme on le verra ci- après, du procédé de fabrication de la structure STR. De ce fait, la zone isolante antifusible ZSF comporte de l'oxyde OX1 et de l'oxyde OX2. 3058567 8 A titre d'exemple non limitatif, lorsque la butée BTA et la poutre PTR sont en aluminium, les oxydes OXI et OX2 sont de l'alumine (A1203). L'épaisseur de chaque couche d'oxyde OXI, OX2 est par exemple de l'ordre de 7 à 8 nanomètres, ce qui conduit à une 5 épaisseur de la zone ZSF de l'ordre de 14 à 16 nanomètres au point le plus épais. Cela étant, plus généralement, on peut considérer que l'épaisseur de la zone ZSF peut être comprisse entre 2 nm et 20 nm. Cette zone isolante antifusible ZSF est capable d'être claquée 10 en présence d'une différence de potentiel de claquage entre le corps, en l'espèce la butée BTA et la poutre PTR. A cet égard, comme illustré sur la figure 4, il est prévu des moyens MLM, qui peuvent être incorporés ou non au circuit intégré contenant la structure STR, capables d'appliquer une tension V sur la 15 butée BTA tandis que la portion BDB par exemple, est portée à la masse GND. Et, comme illustré schématiquement sur la figure 5, tant que la tension V n'atteint pas la tension de claquage VB, aucun courant ne circule entre la butée BTA et la poutre PTR. 20 Par contre, dès que la tension V atteint la tension de claquage VB, la zone ZSF présente au moins un chemin électriquement conducteur autorisant le passage d'un courant entre la butée BTA et la poutre PTR. A titre d'exemple non limitatif, pour une poutre PTR et une 25 butée BTA en aluminium recouverte d'alumine d'une épaisseur de l'ordre de la dizaine de nanomètres, la tension de claquage VB se situe aux alentours de 5 volts et l'on montre après claquage que l'on a une résistance de contact de l'ordre de 30 ohms ce qui est représentatif d'une soudure entre la poutre PTR et la butée BTA. 30 Le fait de placer la structure antifusible STR dans la partie d'interconnexion PITX du circuit intégré enrobée dans la région d'isolation RIS, en combinaison avec la zone antifusible ZSF formée d'oxyde métallique natif, rend quasiment indétectable l'état claqué ou 3058567 9 non de la structure STR par des moyens classiques d'analyse de défaut tels que de la microscopie électronique par balayage (SEM). La seule façon pour un tiers qui souhaiterait connaître l'état claqué ou non de la structure consisterait à la tester électriquement. 5 Cela étant, cela devient très fastidieux voire économiquement irréaliste, lorsque le circuit intégré IC comporte, comme illustré sur la figure 6, une multitude de structures antifusibles STRi. De plus, il pourrait être envisagé de réaliser un bouclier métallique au dessus et en dessous de ces structures pour rendre 10 l'accès à ces structures encore plus compliqué. Sur la figure 6, neuf structures antifusibles STRO-STR8, réalisées dans la partie d'interconnexion PITX du circuit intégré au sein de différents niveaux de métallisation, ont été représentées. Certaines de ces structures comme par exemple les structures 15 STRO, STR3, STR5 et STR7 ont leur zone antifusible claquée, tandis que les autres structures STR1, STR2, STR4, STR6 et STR8 ont leur zone antifusible non claquée. Il est ainsi possible de mémoriser un mot binaire de 9 bits ayant des valeurs logiques 0 ou 1 en fonction de l'état claqué ou non de la zone antifusible ZSF correspondante. 20 Il est possible, en variante, comme illustré sur la figure 7, que le corps de la structure STR comporte non pas une seule butée BTA, mais deux butées BTA et BTB. Dans ce cas, la zone antifusible comporte deux parties isolantes antifusibles ZSFA et ZSFB. Les deux extrémités de la poutre PTR sont 25 respectivement en contact avec les deux butées BTA et BTB par l'intermédiaire des deux parties antifusibles ZSFA et ZSFB. Et les deux parties antifusibles ZSFA, ZSFB sont capables d'être claquées en présence d'une tension de claquage V appliquée sur les deux butées BTA et BTB tandis que la poutre PTR est portée à la 30 masse GND. Bien entendu il serait possible de n'appliquer la tension V que sur une seule butée, par exemple la butée BTA, et de laisser flottante la deuxième butée. Dans ce cas seule la partie isolante antifusible ZSFA devrait être capable d'être claquée. 3058567 10 On se réfère maintenant plus particulièrement aux figures 8 à 10 pour décrire un mode de mise en oeuvre d'un procédé de réalisation d'une structure antifusible STR. On suppose sur ces figures que l'ensemble ENSI ainsi que la 5 ou les butées BTA, BTB sont réalisés au niveau de métallisation M3 (métal 3). On voit alors, figure 8, que l'on utilise le niveau V2 de via 2 entre le niveau de métal 2 et le niveau de métal 3 pour former un mur de protection pour la gravure oxyde qui va suivre et permettre la 10 libération de l'ensemble ENSI et des différentes butées. Par ailleurs, la partie mobile de la structure STR, en l'espèce la poutre PTR, et le corps, en l'espèce la butée BTA, sont réalisés au niveau de métal 3, la butée BTA pouvant être liée au niveau de métal 2 par un via. 15 La structure STR et notamment l'ensemble ENSI sont réalisés en utilisant des étapes classiques de fabrication de niveaux de métallisation et de vias. Plus précisément, comme illustré sur la figure 9, après réalisation du niveau de métal M2 et du niveau de vias V2, l'ensemble ENSI, représenté ici en pointillés à des fins de 20 simplification, ainsi que la ou les butées de la structure intermédiaire STRI sont réalisés de façon classique par gravure du diélectrique inter métal sous-jacent (que l'on nomme ici première région isolante intermédiaire RIS1) et dépôt de métal, en l'espèce de l'aluminium, dans les tranchées ainsi obtenues. 25 A ce stade, il y a déjà croissance d'oxyde sur les parties métalliques en contact avec l'air ambiant. Puis, on procède à une gravure sèche isotrope suivie d'une gravure humide, par exemple avec de l'acide fluorhydrique, de façon à éliminer la région isolante (oxyde) emprisonnant l'ensemble ENSI 30 ainsi que la ou les différentes butées de façon à libérer la structure intermédiaire STRI et permettre à la poutre de venir en contact avec la ou les butées. Après la gravure humide l'oxyde d'aluminium a quasiment disparu mais dès que la structure est de nouveau à l'air libre lors de sa 3058567 11 libération on retrouve la même épaisseur d'oxyde d'aluminium (l'oxydation est principalement due à la remise à l'air de la structure). La croissance de l'oxyde sur la poutre et la ou les butées va permettre de former la zone isolante antifusible ZSF lorsque les deux couches 5 d'oxyde métalliques recouvrant respectivement la poutre et la ou les butées seront venues en contact lors de la déviation angulaire de la poutre. Puis, comme illustré sur la figure 10, on recouvre la structure antifusible STR ainsi réalisée par une nouvelle couche de matériau 10 isolant intermétal (que l'on nomme ici deuxième région isolante intermédiaire RIS2) qui va faire partie de la région isolante RIS de la partie d'interconnexion PITX. La structure STR se retrouve donc encapsulée dans une partie de la région isolante RIS de la partie d'interconnexion PITX et le procédé classique de réalisation des 15 différents niveaux de vias V3 et de métallisation M4 supérieurs se poursuit ensuite. REVENDICATIONS1. Circuit intégré, comprenant, au dessus d'un substrat (SB), une partie d'interconnexion (PITX) comportant plusieurs niveaux de métallisation séparés par une région isolante (RIS), le circuit intégré comprenant en outre au sein de ladite partie d'interconnexion (PITX), au moins une structure antifusible (STR), enrobée dans une partie de ladite région isolante (RIS), la structure antifusible comportant une poutre (PTR) maintenue en deux endroits différents par deux bras (BR1A, BR1B), un corps (BTA) et une zone isolante antifusible (ZSF), la poutre (PTR), le corps (BTA) et les bras (BR1A, BR1B) étant métalliques et situés au sein d'un même niveau de métallisation (Mi), ledit corps et ladite poutre étant mutuellement en contact par l'intermédiaire de ladite zone isolante antifusible (ZSF) configurée pour être claquée en présence d'une différence de potentiel de claquage entre ledit corps et ladite poutre. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel la poutre (PTR), les deux bras (BR1A, BR1B) et le corps (BTA) comportent un premier métal et ladite au moins une zone isolante antifusible (ZSF) comprend un oxyde dudit premier métal. 3. Circuit selon la revendication 2, dans lequel le premier métal est du cuivre ou de l'aluminium. 4. Circuit selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l'épaisseur de ladite zone isolante antifusible (ZSF) est au moins égale à 2 nm inférieure ou égale à 20 nm. 5. Circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux bras (BR1A, BR1B) s'étendent sensiblement parallèlement à une première direction (DIR1), et la poutre (PTR) présente une déviation angulaire non nulle (a) par rapport à une deuxième direction (DIR2) orthogonale à la première direction. 6. Circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux bras (BR1A, BR1B) sont respectivement solidaires de la poutre sur deux faces opposées de ladite poutre, au voisinage de la 3058567 13 partie centrale de ladite poutre, les deux points de fixation (EMPA, EMPB) des deux bras sur la poutre étant espacés dans la direction longitudinale de la poutre. 7. Circuit selon l'une des revendications précédentes, dans 5 lequel le corps comporte une butée (BTA) en contact avec l'une des extrémités de la poutre (PTR) par l'intermédiaire de la zone isolante antifusible (ZSF). 8. Circuit selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la zone isolante antifusible (ZSF) comporte deux parties antifusibles 10 (ZSFA, ZSFB), ledit corps comprend deux butées (BTA, BTB) respectivement en contact avec les deux extrémités de la poutre (PTR) par l'intermédiaire des deux parties antifusibles (ZSFA, ZSFB), l'une au moins des deux parties antifusibles étant configurée pour être claquée en présence de ladite différence de potentiel de claquage entre 15 au moins l'une des butées et ladite poutre. 9. Circuit intégré selon l'une des revendications précédentes, comprenant plusieurs structures antifusibles (STRO-STR8). 10. Circuit intégré selon la revendication 9, dans lequel l'une au moins (STRO) des structures antifusibles comporte une zone 20 isolante antifusible claquée et l'une au moins (STR1) des structures antifusibles comporte une zone isolante anti fusible non claquée. 11. Système comportant un circuit intégré (IC) selon l'une des revendications précédentes et des moyens (MLM) configurés pour appliquer ladite différence de potentiel de claquage sur l'une au moins 25 desdites structures antifusibles. 12. Procédé de réalisation d'un circuit intégré comportant au moins une structure antifusible, comprenant -une formation au-dessus d'un substrat (SB) d'au moins une première région intermédiaire isolante (RIS 1), 30 -une formation au sein d'un niveau de métallisation reposant sur ladite première région intermédiaire isolante d'au moins une structure intermédiaire métallique (STRI) comportant un corps et une poutre maintenue en deux endroits par deux bras, 3058567 14 -un retrait d'au moins une partie de la première région intermédiaire isolante située sous la structure intermédiaire (STRI) de façon à libérer cette structure intermédiaire et autoriser un déplacement de la poutre pour lui permettre de venir en contact avec 5 ledit corps par l'intermédiaire d'une zone isolante résultant d'une oxydation du métal de ladite structure intermédiaire au moins lors de la libération de façon à former ladite structure antifusible (STR), ladite au moins une zone isolante formant une zone isolante antifusible configurée pour claquer en présence d'une différence de 10 potentiel de claquage entre ledit corps et la poutre, et -un enrobage de ladite structure antifusible dans une deuxième région intermédiaire isolante (RIS2).