MTM反熔絲單元編程特性研究

王印權(quán)，劉國柱，徐海銘，鄭若成，洪根深

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

MTM反熔絲單元編程特性研究

王印權(quán)，劉國柱，徐海銘，鄭若成，洪根深

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

主要研究了編程參數(shù)對MTM反熔絲單元編程特性的影響，包括編程電壓、編程電流、編程次數(shù)等。結(jié)果表明在滿足最低編程電壓條件下，編程電壓的增大對反熔絲編程電阻無顯著影響。編程電流對編程電阻的影響較大，編程電流越大，反熔絲編程電阻越小。編程次數(shù)的增多可減小編程電阻，但離散性增大。

MTM反熔絲單元；編程電阻；編程電壓；編程次數(shù)

1　引言

反熔絲是天然的抗輻射［1］器件，具有非易失性、高可靠性［2］、體積小、速度快、功耗低等優(yōu)點，并且與CMOS工藝兼容，其產(chǎn)品廣泛應用于軍事、航天、航空等領(lǐng)域。反熔絲主要包括ONO（氧化物-氮化物-氧化物）反熔絲、MTM（Metal to Metal）反熔絲和柵氧化層反熔絲。MTM反熔絲以其編程電阻低、集成度高等優(yōu)點得以在0.6 μm以下工藝繼續(xù)發(fā)展。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，工藝水平達到0.15 μm。在未編程時，MTM反熔絲單元處于高阻狀態(tài)，可高達109Ω；編程后，反熔絲電阻小于100 Ω，表現(xiàn)出良好的歐姆電阻特性。

作為空間抗輻照電路的主要組成部分，MTM反熔絲的編程特性直接影響反熔絲單元編程后的可靠性等一系列問題，而國內(nèi)外對MTM反熔絲單元編程特性的研究較少。因此，本文基于0.6 μm MTM CMOS工藝，研究了MTM反熔絲單元的編程電壓、編程電流、編程次數(shù)與編程電阻的關(guān)系。

2　樣品制備與測試方法

本文采用0.6 μm CMOS工藝在兩層金屬布線之間嵌入了MTM反熔絲單元，其結(jié)構(gòu)和縱向解剖分別如圖1（a）、（b）所示。

采用Keithly4200 SCS半導體參數(shù)測試儀對反熔絲單元進行編程測試，編程通路結(jié)構(gòu)如圖2所示。反熔絲單元編程采用脈沖編程，并在編程通路中串聯(lián)一個限流電阻控制編程電流的大小，通過示波器監(jiān)控限流電阻兩端的電壓，并除以限流電阻值得到編程電流Ipp。反熔絲單元的一次編程采用兩個脈沖， 高電平10.5 V為編程電壓；編程后電阻大小采用階躍電壓0～0.2 V進行測試，讀取0.2 V時的反熔絲電阻為反熔絲單元的編程電阻Ron。

圖1　MTM反熔絲單元結(jié)構(gòu)

圖2　MTM反熔絲單元編程示意圖

3　MTM反熔絲單元的編程特性

3.1編程電流對反熔絲單元編程電阻的影響

編程后MTM反熔絲電阻的大小，決定于在反熔絲上下電極之間形成的導電通路直徑的大小?；贛TM反熔絲電熱擊穿模型［3］，MTM反熔絲單元編程電流與上下電極之間形成的導電通路直徑rc之間的關(guān)系如式（1）所示：

式中，rc為導電通路直徑，Ip為編程電流；Tco為反熔絲介質(zhì)層與金屬阻擋層的反應溫度，Ta為環(huán)境溫度，k（T）表示導電通路的熱導率，Vf·p為反熔絲編程電壓，ρ（T）為導電通路材料的電阻率。

由式（1）可知，隨著編程電流的增大，形成的導電通路直徑也增大，反熔絲單元的編程電阻就越小。

本文研究了編程電流Ipp=1.5～50 mA條件下的編程電阻Ron的變化，如圖3所示，并采用G Zhang等［3］關(guān)于編程電流的模型進行擬合，如式（2）所示：

擬合結(jié)果顯示，常量C1等于0.51 V，為MTM反熔絲單元的特征電壓，常量C2為1.45×10-3Ω·A-2，反映反熔絲單元介質(zhì)層厚度及上下電極材料特性對反熔絲編程電阻的影響。實際測試結(jié)果與模型的擬合良好，并且與Chih-ChingShih等人［4］的研究結(jié)果一致。

根據(jù)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)生反應生成導電的金屬硅化物。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)層的反應越充分。根據(jù)式（1），隨著編程電流的增大，在上下電極之間形成的導電通路直徑rc越大，電阻越小。此外，當編程電流大于6.5 mA時，MTM反熔絲單元的編程電阻Ron小于100 Ω；當編程電流小于5 mA時，其編程電阻急劇上升，在編程電流為1.8 mA時，編程電阻大于700 Ω。因此，為了保證電路中的MTM反熔絲單元低的編程電阻和良好的一致性，編程電流不宜小于6.5 mA。

圖3　編程電流與編程電阻的關(guān)系

3.2編程電壓對反熔絲單元編程特性的影響

分別研究了9.5 V、10.5 V、11.5 V三個編程電壓下的反熔絲單元的編程電阻，結(jié)果如圖4所示：隨著編程電壓的增大，編程電阻減小，離散性增大。

在限流電阻一定的情況下，編程電流隨編程電壓的增加而增加，為了區(qū)分二者對編程電阻的影響主次關(guān)系，本文研究了相同編程電流條件下，不同編程電壓對編程電阻的影響，并將編程電壓和編程電阻的關(guān)系數(shù)據(jù)與編程電流和編程電阻的關(guān)系數(shù)據(jù)進行了對比，如圖5和圖6所示。結(jié)果表明：在限流電阻不變的條件下，改變編程電壓，編程電阻變化趨勢符合編程電阻與編程電流的變化規(guī)律；相同編程電流條件下，不同編程電壓下編程的反熔絲單元平均阻值均在69 Ω左右，表明編程電阻不受編程電壓的影響。

圖4　編程電壓與編程電阻的關(guān)系

圖5　不同編程電壓與不同編程電流下的Ron對比圖

圖6　相同編程電流、不同編程電壓對編程電阻的影響

可見在反熔絲編程電壓滿足反熔絲單元最低的編程電壓條件下，編程電流決定反熔絲單元的編程電阻大?。痪幊屉妷涸酱?，越易導致反熔絲編程電阻的離散性增大。因此在滿足反熔絲單元編程最低電壓的前提下，編程電壓不宜太高；增大編程電流，可有效降低編程電阻。

3.3編程次數(shù)對編程電阻的影響

研究了編程次數(shù)對編程電阻的影響，采用編程電壓10.5 V，限流電阻為1 000 Ω，其編程次數(shù)與編程電阻的關(guān)系如圖7所示。隨著編程次數(shù)的增加，MTM反熔絲單元的編程電阻減小，編程電阻離散性緩慢增大；當編程次數(shù)大于1 000次時，反熔絲編程電阻和編程電阻離散性迅速增大。分析認為，增加編程次數(shù)可以有效降低反熔絲單元的編程電阻，但由于編程次數(shù)的增加易導致編程電阻及其離散性增大，因此，編程次數(shù)不宜大于1 000次。

圖7　編程次數(shù)對編程電阻的影響關(guān)系曲線

4　結(jié)論

本文基于0.6 μm MTM CMOS工藝，研究了MTM反熔絲單元的編程電壓、編程電流和編程次數(shù)與編程電阻的關(guān)系。結(jié)果表明，編程電壓的變化對編程電阻大小無顯著影響，但增大編程電壓易導致編程電阻離散性增大；在滿足最低編程電壓的條件下，編程電流大小決定編程電阻的大小，編程電流越大，編程電阻越小。編程次數(shù)增多，編程電阻減小，編程電阻離散性增大，編程次數(shù)大于1 000時，編程電阻和離散性急劇增大。編程電流小于6.5 mA時，編程電阻急劇增大。因此，為了使編程電阻小于100 Ω，并保證編程電阻良好的一致性，編程電流不宜小于6.5 mA，編程次數(shù)不宜大于1 000次。

［1］ McCollum John. ASIC versus antifuse FPGA reliability［C］. Aero Conf IEEE， 2009. 1.

［2］ Rezgui Sana， Wang J J， Sun Yinming， et a1. SET characterization and mitigation in RTAX-S antifuse FPGAs ［C］. Aero Conf IEEE， 2009. 1.

［3］ G Zhang， C Hu， Y S Chiang， S Eltoukhy， E Hamdy. An Electro-thermal Model for Metal-Oxide-Metal Antifuse［J］. IEEE trans. Electron Decives， 1995： 1548-1558.

［4］ ChihChing Shih， Roy Lambertson， Frank Hawley， et al.Characterization and Modeling of a Highly Reliable Metal-to-Metal Antifuse for High-Performance and High-Density Field-Programmable Gate Arrays ［J］. IEEE， 1997：25-33.

Study of Metal to Metal Antifuse Cell Programming Characteristics

WANG Yinquan， LIU Guozhu， XU Haiming， ZHENG Ruocheng， HONG Genshen
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute， Wuxi 214035， China）

The paper mainly studies the factors that affect the characteristics of metal to metal antifuse cell， such as programming voltage， programming current， and the number of programming times. The results shows that increasing the programming voltage has no significant effect on the on-state resistance， programming current has a significant impact on the on-state resistance， the-on state resistance decreases as the programming current increases. In addition， the on-state resistance decreases with the increases of the programming times， but the dispersion increases. Key words： MTM antifuse cell； on-state resistance； programming voltage； programming times

TN305

A

1681-1070（2015）03-0035-03

王印權(quán)（1986—），男，河南魯山人，畢業(yè)于西北工業(yè)大學，現(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第58研究所，主要從事MTM反熔絲工藝及可靠性研究工作。

2014-12-11