編程MTM反熔絲的特征電壓研究

徐海銘，顧祥

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214072）

編程MTM反熔絲的特征電壓研究

徐海銘，顧祥

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214072）

研究了不同MTM反熔絲材料的特征電壓，發(fā)現(xiàn)特征電壓不受電極材料影響而變化。電熱模型理論在硅極反熔絲編程模型中得到進(jìn)一步詮釋和擴(kuò)展，其中MTM反熔絲編程電阻與編程電流的關(guān)系也符合魏德曼-費爾茲定律。

反熔絲；編程；MTM

1 引言

近幾年，新型金屬到金屬反熔絲（MTM Antifuse）[2]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。目前國內(nèi)還沒有關(guān)于不同材料電極的編程電阻情況的研究和報告，低編程電阻材料常常會作為電極材料得到應(yīng)用。本文通過工藝驗證和測試，提出相關(guān)MTM反熔絲電極材料的編程電阻與電導(dǎo)率關(guān)系很小的觀點。

反熔絲已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到可編程邏輯器件電路FPGA和只讀存儲器ROM中，而編通電阻值是決定電路延時的主要參數(shù)，也是影響電路可靠性的重要指標(biāo)。電熱模型理論的進(jìn)一步發(fā)展和研究，已經(jīng)可以完全被應(yīng)用到硅電極反熔絲的編程電阻。編程電阻Ron與編程電流Ip成反比關(guān)系[1]：

Vf是MTM反熔絲的特征電壓，對上下硅電極反熔絲來說，其特征電壓約為2.5 V。

2 反熔絲結(jié)構(gòu)和測試

圖1（a）、（b）分別是MTM反熔絲結(jié)構(gòu)和縱向解剖圖。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)的最大特點就是可以進(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。

圖1 MTM反熔絲單元

在一系列實驗中，下極板電極材料厚度在200～300 nm，同時下極板不進(jìn)行光刻腐蝕工藝，具體材料Au、W和Zr。中間反熔絲介質(zhì)層采用PECVD工藝的10 nm SiO2，上極板厚度為200～300 nm。反熔絲結(jié)構(gòu)的上下極板可以采用同一種金屬材料，也可以采用上下極板不同的金屬材料。

為了得到更準(zhǔn)確的編程電阻，MTM反熔絲采用Keithly4200 SCS半導(dǎo)體參數(shù)測試儀對反熔絲單元進(jìn)行不同電流編程，測試編程電阻。通過調(diào)整電壓來實現(xiàn)電路編程需要的編程電流，編程過程中在針尖串聯(lián)一個3 kΩ的電阻，用來限制電容儲能電流。圖2為3個反熔絲單元10 mA編程時的讀電阻和讀電流關(guān)系圖。讀電阻在10 mA時有一個電阻峰值，說明該電阻通過了10 mA編程電流[7]。

圖2 編程電流10 mA下讀電阻與讀電流

測量編程電流在1 mA時的編程電阻，當(dāng)電流小于1 mA時，測試會導(dǎo)致編程電阻不準(zhǔn)確。Ron與編程電流成倒數(shù)關(guān)系，圖3顯示了MTM反熔絲編程電阻與編程電流的關(guān)系。

圖3 編程電阻與編程電流

從圖4中可以看出，盡管Au的電導(dǎo)率是Ti和Zr的20倍，但特征電壓Au-Au比Zr-Ti少20%?？傮w來看，特征電壓主要分布在0.48～0.63 V之間。

圖4 特征電壓與有效電導(dǎo)率

3 特征電壓模型

在編程過程中，局部的熔融發(fā)生和熔融核邊際的溫度基本等于二氧化硅的熔融溫度。接下來我們首先忽略電極依賴的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，用一半熔融溫度來近似[3～5]。熔融核中心溫度場的熱傳遞公式如下：

r是溫度變化的點到熔融中心的距離，k是電極的熱導(dǎo)率，因此熔融核的半徑rc是：

Tc0是熔融核的邊界溫度，編程電阻可以表示為：

這里我們忽略了中間反熔絲介質(zhì)層的厚度，因為熔融核的半徑大于100 nm，遠(yuǎn)多于反熔絲介質(zhì)層的厚度。從公式中不難看出材料屬性仍然取決于熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率，根據(jù)魏德曼-費爾茲定律，我們能夠推斷出任何材料特性都依靠特征電壓。對于不同金屬材料，魏德曼-費爾茲定律[6]描述為電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率之間是成比例的，其比例常數(shù)取決于材料本身，稱為洛倫茲常數(shù)L。

把洛倫茲常數(shù)2.45×10-8W·Ω/℃帶入上面公式，可以很容易得出特征電壓：

這里我們定義熔融核的溫度是二氧化硅的穩(wěn)定溫度1700℃，同時把這個溫度的一半作為核外面的平均溫度。根據(jù)模型計算出的結(jié)果跟實際測量值十分接近。電極材料的電導(dǎo)率越高，熔融的通道就會越小。在多數(shù)金屬電極電導(dǎo)率較小的情況下，編程導(dǎo)通電阻幾乎沒有什么變化。通過熔融，核中的材料已經(jīng)發(fā)生變化，不再是二氧化硅，而是電極與反熔絲介質(zhì)層的反應(yīng)物，這樣它們就會有不同的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，而且它們的反應(yīng)邊界溫度與金屬電極和反熔絲介質(zhì)層材料有強(qiáng)相關(guān)性。

4 結(jié)論

本文研究了MTM反熔絲特征電壓的特性，通過對MTM反熔絲特征電壓的研究發(fā)現(xiàn)，特征電壓幾乎不依賴電極材料，同時對MTM反熔絲電阻來說，無法通過改變電極材料來改善反熔絲導(dǎo)通電阻，而是由魏德曼-費爾茲定律來決定。

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Studies of Characteristic Voltage of Programmed Metal-to-Metal Antifuses

XU Haiming,GU Xiang
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

The characteristic voltage Vfof different programmed metal-to metal antifuses is analyzed in the paper.It is independent of the change of electrode materials.The electro-thermal model once used to predict programmed silicon-electrode antifuse resistance,can be extended to the characteristic voltage.The relationship between the metal-to-metal antifuse resistance and programming current fits in with the Wiedeman-Franz law.

antifuse;programming;MTM

TN403

A

1681-1070（2017）02-0037-03

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。

2016-11-2