應(yīng)用于OTP單元的高可靠性 MTM反熔絲特性

徐海銘，王印權(quán)，鄭若成，洪根深

（中國電子科技集團(tuán)公司第 58 研究所，江蘇 無錫 214072）

應(yīng)用于OTP單元的高可靠性 MTM反熔絲特性

徐海銘，王印權(quán)，鄭若成，洪根深

（中國電子科技集團(tuán)公司第 58 研究所，江蘇 無錫 214072）

主要研究了一種新型MTM反熔絲結(jié)構(gòu)的電特性，未編程反熔絲漏電和擊穿以及編程特性，有助于電路的編程電流設(shè)計，也為反熔絲擊穿和漏電的標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。該研究對電極和溫度特性的應(yīng)用也有十分重要的意義。

反熔絲；編程；OTP；MTM

1 引言

近幾年，新型金屬到金屬反熔絲（MTM Antifuse）[1]得到國內(nèi)外的重視和研究。相比應(yīng)用器件編程的SRAM 和 EEPROM 存儲器來說，MTM 反熔絲占用版圖的面積非常小，同時有很小的編程電阻和未編程電容。新型反熔絲結(jié)構(gòu)非常適合應(yīng)用到高密度、高可靠性的FPGA電路中。在未編程時，MTM 反熔絲單元處于高阻狀態(tài)，可高達(dá) 109Ω；編程后，反熔絲電阻小于100Ω，表現(xiàn)出良好的歐姆電阻特性。目前國際上研究MTM 反熔絲的單位以美國 ACTEL 公司為代表，主要有Axcelerator、SX-A、eX、MX 等4個系列的FPGA產(chǎn)品，工藝水平達(dá)到0.15μm。MTM反熔絲的特性決定FPGA 的特性和可靠性，本文將進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

2 反熔絲結(jié)構(gòu)

如圖1 （a）、（b）分 別 是 新 型MTM反 熔 絲 結(jié)構(gòu)和縱向解剖，采用 CMOS 工藝在兩層金屬布線之間嵌入了MTM反熔絲單元，該新型反熔絲結(jié)構(gòu)的最大特點是可以進(jìn)行低溫工藝，同時具有低電壓編程、低漏電、低電容、低編程電阻和高未編程電阻的特性。

該新型MTM反熔絲結(jié)構(gòu)采用0.35μmCMOS 工藝，通過對 CMOS 后段工藝進(jìn)行開發(fā)，把MTM反熔絲結(jié)構(gòu)與CMOS工藝有效整合在一起，實現(xiàn)OTP單元功能。MTM反熔絲工藝通常嵌在CMOS工藝最后兩層金屬之間，當(dāng)次下層金屬淀積完成后，需要立刻淀積反熔絲介質(zhì)層和上極板金屬，根據(jù)光刻和腐蝕形成MTM反熔絲結(jié)構(gòu)，通過頂層通孔連接頂層金屬，實現(xiàn)互聯(lián)。

圖1 MTM反熔絲單元

3 反熔絲漏電和擊穿特性

圖2 是新型MTM 反熔絲單元的擊穿特性曲線，上下極板加電有不同的漏電電流和擊穿電壓，這種差異是由于反熔絲介質(zhì)層和上下極板不同的界面結(jié)導(dǎo)致。一般來說，MTM 反熔絲單元的漏電會隨著電壓增加而變大，直到擊穿。

圖2 MTM 單元的 I-V 特性曲線

當(dāng)前MTM反熔絲結(jié)構(gòu)的 OTP 單元面積約為1μm2，面積大不利于工藝集成度的提高，同時增加了工作時的漏電通道和寄生電容，后續(xù)根據(jù)現(xiàn)有的工藝能力進(jìn)一步縮小 OTP單元面積或者研制新的反熔絲結(jié)構(gòu)，從而可以實現(xiàn)提高集成度和降低漏電的要求。

圖3 是未編程MTM反熔絲單元在-50 ℃、25 ℃、50 ℃、125 ℃上下電極加電 I-V 特性，隨著溫度的增加，MTM 反熔絲單元的漏電變大，擊穿變小。

圖3 MTM cell溫度 I-V 特性曲線

圖4 MTM cell的漏電流與溫度的關(guān)系曲線

根據(jù)MTM反熔絲單元的 I-V 特性和隨溫度升高漏電增加的趨勢，可以得出反熔絲單元溫度的熱擊穿系數(shù)，圖4 是未編程MTM反熔絲單元在 3.6 V 電壓下漏電與溫度的關(guān)系。

4 MTM反熔絲單元的編程電阻特性

4.1MTM反熔絲單元編程

采用 Keithly4200 SCS 半導(dǎo)體參數(shù)測試儀對反熔絲單元進(jìn)行編程測試，編程通路結(jié)構(gòu)如圖5所示。反熔絲單元編程采用脈沖編程，整個編程通路中還增加一個 MOS 管進(jìn)行限流，控制編程電流的大小Ipp；反熔絲單元的一次編程采用兩個脈沖，低電平為0V，高電平10.5V；編程后電阻大小采用階躍電壓0～0.2V進(jìn)行測試，讀取0.2V時的反熔絲電阻為反熔絲單元的編程電阻Ron。

圖5 MTM反熔絲單元編程示意圖

4.2 編程反熔絲電阻的特性

4.2.1 編程電阻的編程電流特性

圖6 不同編程電流下編程電阻分布

對MTM反熔絲編程電路來說，最大優(yōu)點就是擁有很低的編程電阻，在實現(xiàn)高保密性、高可靠性和高密度的同時，可以降低電路延時，提高工作頻率。本文研究了編程電流 Ipp=3～40mA 條件下編程電阻Ron的變化，圖6 是不同編程電流下的編程電阻分布，編程電流作用于整個編程過程中，直到編程通路的形成。運用Guobiao Zhang 等[2～3]關(guān)于編程電阻與編程電流的模型進(jìn)行擬合，如公式 1所示：

Ron是編程電阻，C1稱為反熔絲特征電壓，與電極材料無關(guān)，等于0.45V，C2=3.6×10-4Ω×A2，Ipp代表編程電流。0.44 的值十分接近文獻(xiàn)中采用鎢作為上下電極的MTM反熔絲。當(dāng)MTM反熔絲編程電流較小時，公式（1）中的第二項不能忽略，C2的值取決于MTM反熔絲電極的電導(dǎo)率、編程通道的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，以及反熔絲介質(zhì)層的厚度。由公式（1）可知，隨著編程電流的增大，反熔絲單元的編程電阻就越小。

圖7 編程電流與編程電阻的關(guān)系

圖7給出了編程電流與編程電阻的關(guān)系測試結(jié)果，MTM 反熔絲單元編程電阻隨著編程電流的增大而減小。這是由于在編程電壓的作用下，在反熔絲介質(zhì)層的薄弱點發(fā)生擊穿并產(chǎn)生大的電流（編程電流），產(chǎn)生大量熱量，使金屬阻擋層與反熔絲介質(zhì)層發(fā)生反應(yīng)生成導(dǎo)電的金屬硅化物。編程電流越大，產(chǎn)生的熱量越多，金屬阻擋層與反熔絲介質(zhì)層的反應(yīng)越充分。此外，當(dāng)編程電流大于6.5mA時，MTM反熔絲單元的編程電阻Ron小于100Ω；當(dāng)編程電流小于5mA時，其編程電阻急劇上升，在編程電流為 1.8mA 時，編程電阻大于 700Ω，并且離散性非常大。因此，為了保證應(yīng)用到電路設(shè)計中的MTM反熔絲具有良好的編程電阻和一致性，編程電流不宜小于 6.5mA。

4.2.2 編程電阻的抗總劑量特性

未編程MTM反熔絲單元在0V和5V的直流電壓偏置下進(jìn)行總劑量輻照，輻照前電阻為 109Ω，在800k/1400k/2000k rad(Si)的總劑量輻照之后，0V偏置情況下，在未編程單元上加掃描電壓（0～5 V），測試并記錄單元兩端電流的變化，將數(shù)據(jù)繪制成圖8所示的I-V 圖，未編程單元輻照前電阻 108～109Ω，圖中直線的斜率代表單元的電阻。從圖8可見電阻在0.8M、1.4M及2M rad(Si)輻照情況下沒有明顯變化，電阻值停留在輻照實驗前的數(shù)量級。

從圖8 還可以看出，未編程單元在5V偏置下，在總劑量0.8Mrad(Si)時，電阻即發(fā)生跳變，從輻照前的108～109Ω，跳轉(zhuǎn)至 1011Ω，在總劑量累積至 1.4M rad (Si)及 2M rad(Si)時沒有再增加，可推斷MTM反熔絲單元在加電的情況下，電阻在接受輻照之后會增加，而后電阻不再隨總劑量增加而變化。

圖8 未編程單元0V/5V偏置下電阻變化

圖9給出了編程單元電阻在不同劑量輻照下的電阻變化。已完成編程的單元輻照實驗前已處于低阻狀態(tài)，實測電阻小于100Ω，在經(jīng)過總劑量輻照之后，電阻依然維持在低阻狀態(tài)，而且略有降低，最大降幅達(dá)到10Ω。對于已編程單元來說，電阻的降低不會改變電路工作時的邏輯，因此，同樣認(rèn)定已編程單元不會受到總劑量輻射的影響。

圖9 編程單元電阻變化

5 結(jié)論

本文研究了 0.35μmCMOS 工藝MTM反熔絲單元的漏電和擊穿特性，隨著溫度增加MTM反熔絲的漏電會變大，同時擊穿電壓變小。對MTM反熔絲單元進(jìn)行編程特性研究，結(jié)果表明，在滿足最低編程電壓的條件下，編程電流決定編程電阻的大小，編程電流越大，編程電阻越小，編程電阻離散性越小。編程電流小于 6.5mA 時，編程電阻急劇增大，因此，為了使編程電阻小于 100Ω，并保證編程電阻良好的一致性，編程電流通常在 10mA左右，可以得到 80Ω 左右的編程電阻。同時對未編程單元和編程單元進(jìn)行（TID）總劑量實驗，驗證了MTM反熔絲單元具備對 TID 的免疫特性，可以廣泛應(yīng)用于軍事、航天、航空等領(lǐng)域。

[1]Rezgui Sana，Wang J J，Sun Yinming，et al.SET characterization and mitigation in RTAX-S antifuse FPGAs [C].Aero Conf IEEE，2009:1.

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Characterization ofAH ighly Reliab le M etal-to-M etal Antifuse for OTP Unit

XU Haim ing,WANG Yinquan,ZHENG Ruocheng,HONG Genshen
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214072,China）

In the paper,electrical characteristics ofAnew Metal-to-Metal antifuse structure is studied.The characteristics of unprogrammed antifuse leakage,breakdown and programming are significant to programming currentdesign and provide reference for standardssetting.

antifuse;programmed;OTP;MTM

TN403

A

1681-1070 （2017） 03-0036-04

徐海銘（1983—），男，山東青島人，畢業(yè)于江南大學(xué)微電子與固體電子學(xué)專業(yè)，現(xiàn)就職于中國電子科技集團(tuán)公司第 58 研究所，主要從事 MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝開發(fā)及可靠性研究等工作。

2016-10-31