MTM反熔絲單元的總劑量效應研究

王 栩，鄭若成，徐海銘

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

反熔絲工藝因其具有尺寸小、集成度高及非揮發(fā)性等特點而廣泛用于空間應用領域，通常被用于制造非易失性存儲器（PROM）及可編程邏輯器件（FPGA），特點是在未編程狀態(tài)下單元處于高阻不導通狀態(tài)，編程過后單元則處于低阻導通狀態(tài)，由于單元狀態(tài)在編程后具有非揮發(fā)性，即使電路因輻射出現(xiàn)邏輯翻轉，也不會導致已經編寫的程序丟失，因此基于反熔絲技術的可編程存儲及邏輯器件常被用于對輻照有非常高要求的關鍵空間應用系統(tǒng)中。

MTM（Metal-to-Metal）反熔絲是一種“金屬-反熔絲-金屬”結構的反熔絲。與ONO（氧化物-氮化物-氧化物）反熔絲工藝（大于0.6 μm）相比，MTM反熔絲工藝尺寸更?。ㄐ∮?.6 μm），集成度更高，因此反熔絲工藝被應用于更大規(guī)模的電路制造中。其中美國Actel公司基于0.15 μm CMOS工藝開發(fā)的反熔絲FPGA產品AX1000工藝包括7層金屬，反熔絲單元達到兩千九百萬個，其抗輻射總劑量可達300 krad(Si)[1]。國內MTM反熔絲工藝方面的研究才剛起步，關于MTM單元在總劑量條件下的特性研究仍為空白。對MTM反熔絲單元的總劑量特性進行研究，有助于了解總劑量效應對工作狀態(tài)下的MTM反熔絲單元的影響，評估不同的劑量點對單元的影響程度，進而推測出總劑量對MTM反熔絲工藝制造的可編程器件的影響程度，最終驗證MTM反熔絲電路是否具有抗輻照總劑量的特性。

為了驗證MTM反熔絲單元的總劑量特性，計劃通過對不同尺寸、不同狀態(tài)的MTM反熔絲單元進行總劑量實驗，即對完成工藝的MTM單元進行封裝，測試輻照前后單元特性的變化，最終獲得MTM反熔絲單元在總劑量條件下的單元特性。

圖1 熔絲及反熔絲應用情況

2 實驗及結果

MTM反熔絲結構是通過在兩層金屬中間淀積反熔絲材料形成的。由于材料在一定條件下與金屬反應被金屬化，為防止在編程前反熔絲介質與金屬直接反應，金屬與反熔絲介質之間會淀積金屬阻擋層，結構示意圖如圖2（a）。MTM反熔絲單元在未編程情況下處于高阻狀態(tài)，電阻通常大于108Ω。單元的編程通過在上下金屬極板間加載電壓偏置，使得反熔絲介質中產生極細通道的隧穿電流。在一定時間之后電流在高阻下產生熱量，使反熔絲介質與金屬發(fā)生反應生成低阻的金屬硅化物，導致MTM反熔絲單元最終導通。通過反熔絲通/斷不同狀態(tài)，形成可編程器件中的邏輯0和1。

圖2 MTM反熔絲單元編程過程

MTM反熔絲單元組成的可編程器件在完成制造之后，由客戶根據(jù)各自需求進行編程，通過對部分單元進行編程形成不同的邏輯（0/1），因此在由MTM反熔絲單元組成的可編程器件中，MTM反熔絲單元存在兩種狀態(tài)，一種為未編程狀態(tài)，即高阻狀態(tài)，一種為已編程狀態(tài)，即低阻狀態(tài)。兩種狀態(tài)的單元同時存在于可編程器件中。完成編程的器件在空間環(huán)境中應用時，通過對兩種狀態(tài)單元的加電、讀取使電路邏輯功能得以實現(xiàn)。在加電的情況下受到總劑量輻射，MTM反熔絲單元是否會受總劑量的影響是本次研究的目的。研究MTM反熔絲單元的總劑量特性，必須模擬可編程器件實際應用環(huán)境，對不同尺寸、不同狀態(tài)的MTM反熔絲單元在不同偏置情況下進行總劑量輻照，通過對單元特征參數(shù)的測試研究不同狀態(tài)下單元對輻照條件的反應。

2.1 研究對象

不同尺寸的MTM反熔絲單元的編程原理及應用環(huán)境近似，因此本研究挑選的對象為0.35 μm及0.5 μm抗輻射MTM反熔絲工藝對應的反熔絲單元。兩種尺寸的MTM反熔絲單元采用通孔上反熔絲及通孔下反熔絲兩種不同的單元結構，都是目前典型的MTM反熔絲單元結構，示意圖如圖3。

圖3 兩種尺寸MTM反熔絲結構示意圖

0.5 μm MTM反熔絲單元為通孔下反熔絲結構，0.35 μm MTM單元為通孔上反熔絲結構，兩種結構反熔絲擊穿模式相同，擬采用同樣的輻照特性研究方法。

實際應用電路中存在兩種狀態(tài)的MTM反熔絲單元，即“未編程單元”及“完全編程單元”。MTM反熔絲單元在工藝完成之后處于未編程狀態(tài)。通常處于高阻態(tài)（電阻大于108Ω），單元上下兩端電極斷路；在電路工作前，對反熔絲單元進行編程（超過擊穿電壓的電脈沖），單元完全編程后處于低阻態(tài)（電阻小于100 Ω），可能出現(xiàn)部分編程的單元電阻處于兩種狀態(tài)之間（通常為3000～4000 Ω）。兩種狀態(tài)單元的成因及電學特性對比如表1。

表1 兩種狀態(tài)的MTM反熔絲單元信息

為了模擬可編程器件的輻照實際情況，計劃對兩種單元進行輻照實驗以進一步研究。

2.2 研究方法

對MTM反熔絲單元輻照總劑量特性的研究，其方法即模擬可編程器件實際應用環(huán)境，通過對不同尺寸、不同狀態(tài)的MTM反熔絲單元在不同偏置情況下進行總劑量輻照，通過對單元特征參數(shù)的測試研究從而得到不同狀態(tài)單元對輻照條件的反應。評估MTM反熔絲單元通常有3個參數(shù)：（1）單元編程前電阻Roff，該電阻應大于108Ω；（2）編程電壓BV，即使得單元完全編程的電壓；（3）編程后單元電阻Ron，應小于200 Ω。

對于應用過程中的電路，已經完成編程，電路中存在兩種狀態(tài)的單元，即未編程單元及已編程單元。這兩種單元電學性質的差別體現(xiàn)在電阻上，未編程單元處于高阻態(tài)（電阻108Ω），編程后單元電阻50 Ω。因此研究電路中單元的輻照特性也就是研究這兩種狀態(tài)的單元在輻照情況下電阻的改變。

此次研究遵循的方法是：根據(jù)電路中實際可能遭遇的情況，將兩種類型的MTM單元置于輻照環(huán)境下，并加一定的電應力，研究總劑量輻照對電阻的影響。實驗地點選在上海應用物理研究所，實驗類型為總劑量，輻照源Co60鈷源，劑量率200 rad(Si).s-1，劑量點0 Mrad(Si)、0.8 Mrad(Si)、1.4 Mrad(Si)、2 Mrad(Si)。輻照試驗過程如下：

（1）未編程單元

輻照條件：上極板分別加0/5 V電應力，分多個劑量點對其進行輻照；測試條件：每個劑量點完成后進行電阻測試，掃描0~5 V，測試漏電流。

圖4 未編程單元的總劑量輻照與測試方案

（2）已編程單元

輻照條件：上極板懸空，下極板接地，分多個劑量點對其進行輻照；測試條件：每個劑量點完成后進行電阻測試，掃描0~5 V，測試漏電流。

圖5 已編程單元的總劑量輻照與測試方案

根據(jù)電路工作原理，兩種單元電阻差異大，電路工作過程中即運用這一優(yōu)點對邏輯進行判斷，因此希望在加電輻照的情況下，電阻不會受到影響。所以兩種單元是否失效的判據(jù)為：（1）未編程單元：輻照前電阻大于108Ω，輻照后電阻應仍然大于10 000 Ω，即判定單元未失效。（2）已編程單元：輻照前電阻小于200 Ω（一般為50 Ω），輻照后電阻應仍然小于200 Ω，即判定單元未失效。

2.3 實驗結果及討論

本次實驗采用的是0.5 μm及0.35 μm 兩種MTM單元，每種單元兩種狀態(tài)（未編程及已編程），對實驗對象的描述如表2所示。

表2 MTM反熔絲單元信息

在經過總劑量實驗之后，對對應的電阻進行了測試，最終統(tǒng)計實驗偏置及數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)總劑量實驗后測試的電阻數(shù)據(jù)，可以看到：（1）未編程單元，輻照時0偏置，輻照前后單元電阻無變化；（2）未編程單元，輻照時5 V偏置，輻照后單元電阻變大，不影響電路邏輯判斷；（3）已編程單元，輻照前后單元電阻無變化。

圖6顯示兩種單元在3種輻照偏置的情況下，不同劑量點的電阻變化趨勢。趨勢圖驗證了以上結論。未編程單元在0 V的偏置下進行總劑量輻照，輻照前電阻為109Ω，在800 krad(Si)/1 400 krad(Si)/2 000 krad(Si)的總劑量輻照之后，雖然電阻存在一定幅度的波動，但仍維持在109Ω，因此在電路邏輯判斷時該單元仍被認為未編程，不會改變電路邏輯。由此得到的結論是，在0 V偏置情況下，總劑量不會對未編程單元產生影響。

圖6 3種輻照偏置電阻的變化趨勢

未編程單元在5 V的偏置下進行總劑量輻照，輻照前電阻為109Ω，在800 krad(Si)的總劑量輻照之后，電阻陡然增加兩個數(shù)量級，從109Ω升高至1011Ω。在總劑量從800 krad(Si)上升到1400 krad(Si)/2000 krad(Si)的過程中，電阻沒有再發(fā)生明顯的變化，穩(wěn)定在1011Ω。在可編程器件工作過程中，單元處于高阻109Ω，被判定為未編程，因此電阻升高至1011Ω，同樣被判定為未編程，因此電路邏輯沒有發(fā)生變化。由此得到的結論是，在5 V的偏置下，總劑量也不會對未編程單元產生影響。而已完成編程的單元，輻照實驗前已處于低阻狀態(tài)，實測電阻小于50 Ω。在經過總劑量輻照之后，電阻依然維持在低阻狀態(tài)，而且略有降低，最大降幅達到10 Ω。由于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，同樣認定已編程單元不會受到總劑量輻射的影響。

表3 輻照實驗過程中MTM單元電阻測試結果

離開輻照環(huán)境之后，在0偏置條件的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I-V（電流-電壓）圖，得到圖7。對圖7進行解讀，未編程單元輻照前電阻為108~109Ω，在0偏置情況下進行總劑量輻照，圖中直線的斜率代表單元的電阻，從圖中可見電阻在0.8 Mrad(Si)、1.4 Mrad(Si)及2 Mrad(Si)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。

圖7 未編程單元0偏置下電阻變化趨勢圖

未編程單元在5 V偏置下進行總劑量輻照實驗，在總劑量0.8 Mrad(Si)時，電阻即發(fā)生跳變，從輻照前的108~109Ω，跳轉至1011Ω，在總劑量累積至1.4 Mrad(Si)及2 Mrad(Si)時沒有再增加（如圖8）?？赏茢郙TM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 未編程單元在5 V偏置下電阻變化趨勢圖

已完成編程的單元，電阻降到100 Ω以下，由于電阻大小由金屬硅化物電阻決定，因此輻照總劑量對其沒有影響，即輻照前與輻照后沒有變化。

圖9 已編程單元電阻變化趨勢圖

3 結論

為摸清單個MTM反熔絲單元在總劑量條件下的特性，以便了解以MTM反熔絲為主體的可編程器件是否會受到總劑量輻照的影響，我們模擬MTM反熔絲單元在可編程器件中的工作環(huán)境，安排了不同尺寸、不同狀態(tài)的MTM單元在不同偏置下進行總劑量輻照實驗，得到的結論是：輻照總劑量會導致5 V偏置下未編程單元電阻的變化，但不會影響可編程器件的邏輯。因此，采用MTM反熔絲工藝制造的可編程器件不會因為總劑量輻照而失效。