MTM反熔絲單元的輻照特性研究

王印權，鄭若成，徐海銘，吳素貞，洪根深

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214072）

MTM反熔絲單元的輻照特性研究

王印權，鄭若成，徐海銘，吳素貞，洪根深

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214072）

對MTM反熔絲單元的總劑量輻照特性進行了研究，對未編程和編程后兩種狀態(tài)的反熔絲單元在不同電壓偏置條件下進行總劑量輻照（Co60-γ射線），輻照總劑量為2 Mrad（Si）。輻照試驗結果顯示，未編程狀態(tài)下的MTM反熔絲單元的電壓-電流特性曲線基本保持不變，漏電流變化率小于10%。編程后反熔絲單元的電阻特性保持不變，并且編程電阻大小對輻照試驗結果無顯著影響。試驗結果表明，MTM反熔絲單元的抗總劑量（Co60-γ射線）輻照能力達到2 Mrad（Si）以上。

MTM；反熔絲；總劑量效應

1 引言

MTM反熔絲單元因其具有尺寸小、集成度高及非揮發(fā)性等特點而廣泛應用于空間領域，通常應用于制造非易失性存儲器（PROM）及可編程邏輯器件（FPGA）。反熔絲單元的特性是在未編程狀態(tài)下MTM反熔絲單元處于高阻狀態(tài)（＞100 MΩ），編程過后單元則處于低阻(＜200 Ω)導通狀態(tài)，由于反熔絲單元在編程后形成的合金化合物材料組成了導電通路，具有非揮發(fā)性，在輻照環(huán)境下不會出現(xiàn)因反熔絲的邏輯翻轉而導致的電路失效現(xiàn)象，因此基于MTM反熔絲技術的可編程存儲及邏輯器件常被用于對抗總劑量能力有非常高要求的關鍵空間應用系統(tǒng)中。

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，由于反熔絲介質材料在一定的編程條件下與阻擋層材料發(fā)生反應形成導電的金屬化合物，結構示意圖如圖1(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，單元的編程是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(chǎn)生極細通道的隧穿電流，在一定時間之后電流在高阻下產(chǎn)生的熱量使得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。通過反熔絲通和斷的不同狀態(tài)，形成可編程器件中的邏輯0和1，如圖1（b）、（c）所示。

圖1 MTM反熔絲單元編程過程

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適用）相比，MTM反熔絲工藝尺寸更?。ㄐ∮?.6 μm）,集成度更高，因此MTM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工藝上開發(fā)的RTAX系列MTM反熔絲FPGA產(chǎn)品，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)。

目前，國內(nèi)外關于MTM反熔絲的輻照特性和輻照機理的研究非常少，J.M.Benedetto、C.C.Hafe[1]和王栩[2]等人的研究結果表明，未編程反熔絲在輻照環(huán)境下，0 V偏置的MTM反熔絲I-V特性不受輻照環(huán)境的影響，5.5 V偏置的MTM反熔絲I-V特性影響較大，表現(xiàn)為漏電流由nA量級降低為pA量級，編程電阻小于200 Ω的反熔絲不受輻照環(huán)境的影響，即未編程的反熔絲在0 V和5.5 V偏置狀態(tài)下不可能由0翻轉為1，編程的反熔絲也不會因輻照環(huán)境而發(fā)生翻轉，即MTM反熔絲具有天然抗輻照特性。目前，關于MTM反熔絲的抗輻照特性有了較多的研究，但是對于反熔絲的抗輻照機理研究還是空白。

關于MTM單元在總劑量條件下的特性研究較少，對MTM反熔絲單元在總劑量環(huán)境下的特性進行研究有助于了解總劑量效應對不同工作狀態(tài)下MTM反熔絲單元的影響，評估不同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，計劃通過對不同狀態(tài)的MTM反熔絲單元進行總劑量實驗，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。

2 試驗與分析

研究MTM反熔絲單元的總劑量特性，模擬可編程器件的實際應用環(huán)境，通過對未編程和編程后的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。

本文針對不同狀態(tài)的MTM反熔絲在不同偏置條件下在輻照環(huán)境中的特性變化，解釋反熔絲抗輻照機理和在輻照環(huán)境下反熔絲特性變化的原因?；诖耍O計了以下實驗。

表1 MTM反熔絲輻照試驗條件

輻照試驗采用中科院上海應用物理研究所的Co60-γ射線源，輻照劑量率為200 rad(Si)/s；并采用西北核技術研究所的Co60-γ射線源對試驗結果進行驗證，輻照劑量率為200 rad（Si）/s。

本文采用的試驗樣本為MTM反熔絲單元，單元面積為1.96 μm2，反熔絲單元特性如圖2所示，每種試驗條件的樣本數(shù)不少于10個。

2.1 未編程反熔絲單元在不同電應力偏置條件下的輻照特性

通過對MTM反熔絲單元可靠性的研究，MTM反熔絲單元在低于擊穿場強的電應力作用下，隨著應力時間的增長，MTM反熔絲單元不會因電應力而導致?lián)舸┈F(xiàn)象的發(fā)生，只表現(xiàn)為反熔絲單元漏電流的增加。因此，在輻照環(huán)境下，我們只研究MTM反熔絲單元在低于擊穿場強的電應力下，在輻照環(huán)境中的電特性變化。為了研究在輻照環(huán)境下反熔絲的電特性是否受偏置電壓的影響，分別設計了反熔絲單元在0V、3.0V、5.5 V 3個偏置電壓下的輻照特性，輻照劑量率為200 rad（Si）/s以上，輻照總劑量為2 M rad（Si）。

對于MTM反熔絲在3.0 V和5.5 V偏置條件下，為避免因偏置應力導致反熔絲特性的變化，在非輻照環(huán)境下對MTM反熔絲在5.5 V電壓下進行2000 s的應力實驗，確認反熔絲漏電流變化是否是由偏置電壓引起。結果表明，在非輻射環(huán)境中，5.5 V的偏置電壓在2000 s時間內(nèi)僅僅引起了反熔絲漏電流1%的變化，特性變化可以忽略。

圖2 MTM反熔絲單元特性

2.1.1 未編程反熔絲單元在0 V偏置狀態(tài)下的輻照特性

在輻照試驗過程中，通過電流表監(jiān)控反熔絲單元在輻照環(huán)境下的電流變化，發(fā)現(xiàn)0 V偏置狀態(tài)下的反熔絲單元沒有電流出現(xiàn)，表明輻照過程中沒有反熔絲單元因為輻照環(huán)境的影響導致反熔絲擊穿的現(xiàn)象發(fā)生。在輻照試驗過程中，分別監(jiān)控了1 M和2 M輻照劑量點時的反熔絲特性。結果如圖3所示。圖3（a）為輻照前后反熔絲單元I-V特性的變化對比，圖3（b）為輻照前后反熔絲單元在5.5 V電壓下的漏電流變化。

圖3 未編程MTM反熔絲單元在0 V偏置電壓下輻照前后的特性變化

通過對比，反熔絲特性曲線無顯著變化。對比反熔絲單元在5.5 V電壓下的漏電流時發(fā)現(xiàn)，在輻照劑量點1 M～2 M之間，MTM反熔絲單元在5 V電壓下的漏電流有5%的增大，隨著輻照劑量的增加，反熔絲單元的漏電流穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)變化。分析認為，反熔絲單元在0 V偏置狀態(tài)下反熔絲特性不受輻照環(huán)境的影響。反熔絲單元漏電流在0～1 M總劑量點之間出現(xiàn)漏電流增大的現(xiàn)象，原因可能是在高能γ射線的照射下，反熔絲介質膜層中的弱鍵斷裂導致懸掛鍵密度增大，漏電流增大。由于沒有電壓應力偏置，γ射線的能量僅能使很小一部分的弱鍵斷裂，因此輻照劑量點大于1 M后，反熔絲單元的漏電流沒有繼續(xù)增大。

2.1.2 未編程反熔絲單元在3.0 V電壓下的輻照特性

研究了反熔絲單元在電壓應力偏置情況下的輻照特性。反熔絲單元在輻照過程中的應力電壓設計為3.0 V，同時監(jiān)控反熔絲單元在應力電壓下的漏電流變化，并確認在有偏置的應力條件下，反熔絲單元沒有在輻照過程中出現(xiàn)擊穿導致的失效現(xiàn)象發(fā)生。圖4為反熔絲單元在3.0 V偏置電壓下，總劑量輻照至2 M rad（Si）的特性變化。為了更全面地監(jiān)控反熔絲單元的輻照特性，在輻照過程中增加了兩次反熔絲特性測試，用于更加精確地了解反熔絲單元的特性變化。

圖4 未編程MTM反熔絲單元在3.0 V偏置電壓下輻照前后的特性變化

通過對輻照前后和輻照過程中的反熔絲特性進行對比，MTM反熔絲單元在0～150 k rad（Si）總劑量輻照過程中，部分反熔絲單元的漏電流沒有發(fā)生變化，少部分的反熔絲單元漏電流平均增大幅度不大于2%；輻照總劑量為750k時，反熔絲單元的漏電流全部增大，平均增大幅度6%；輻照總劑量為2 M時，反熔絲單元漏電流的相對增大幅度仍然不超過10%。分析認為，在3.0 V電壓應力下，在輻照環(huán)境下反熔絲單元的漏電流增加的主要原因為高能光子導致反熔絲介質層中弱鍵斷裂，從而使懸掛鍵密度增大，進而導致反熔絲漏電流增大。而反熔絲單元漏電流增大幅度較0 V偏置狀態(tài)下大，分析原因可能是電場與高能光子的綜合作用，共同加速了反熔絲介質層中的弱鍵斷裂，并且由于電場的存在，降低了弱鍵斷裂所需的能量閾值，增加了反熔絲的漏電流。

2.1.3 未編程反熔絲單元在5.5 V偏置電壓下的輻照特性

繼而研究了未編程反熔絲單元在5.5 V偏置電壓下的輻照特性，同時監(jiān)控反熔絲單元在應力電壓下的漏電流變化，并確認在有偏置應力條件下，反熔絲單元沒有在輻照過程中出現(xiàn)擊穿導致的失效現(xiàn)象發(fā)生。圖5為反熔絲單元在5.5 V偏置電壓下總劑量輻照至2 M rad（Si）的特性變化，證明反熔絲單元輻照特性受電場應力的影響。

圖5 未編程MTM反熔絲單元在5.5 V偏置電壓下輻照前后的特性變化

通過圖3、4、5可以看出，隨著反熔絲單元的電壓偏置應力的增大，在相同輻照總劑量條件下，反熔絲單元的漏電流增大速率顯著增加。在5.5 V偏置應力下，反熔絲單元的漏電流增大30%～40%。另外，通過單一電場應力的可靠性測試對比，反熔絲單元在5.5 V電壓應力下漏電流增大幅度小于5%，進一步說明了電場作用有強化輻照環(huán)境對反熔絲介質膜層特性的影響。分析認為，電場作用越強，反熔絲介質層中的弱鍵在輻照環(huán)境下越容易斷裂。

通過未編程反熔絲的輻照特性研究，反熔絲單元在5.5 V電應力偏置條件下仍然可以通過2 Mrad（Si）的總劑量輻照，說明了MTM反熔絲單元的天然抗總劑量能力。

為了研究未編程反熔絲在經(jīng)過輻照后反熔絲的擊穿特性和編程特性是否改變，進行了以下實驗，對輻照后的反熔絲進行I-V特性測試，1 mA限流測試反熔絲的擊穿電壓，結果表明反熔絲擊穿電壓與未經(jīng)過輻照的擊穿電壓基本一致。對反熔絲進行編程，編程結果顯示反熔絲電阻小于100 Ω，與未經(jīng)過輻照的反熔絲編程電阻無顯著差異。

通過以上輻照試驗研究，分析了未編程條件下反熔絲單元在輻照環(huán)境里的漏電流增大原因。反熔絲介質層材料的電子結合能大于γ射線的電離能，在不加偏置電壓的情況下，γ射線不足以引起反熔絲介質層材料共價鍵的斷裂，從而導致反熔絲單元漏電流的增大。在增加偏置電壓的條件下，由于電場的加速和γ射線的共同作用，反熔絲介質層材料中弱的共價鍵出現(xiàn)斷裂，引起了漏電流增大。

2.2 編程后MTM反熔絲單元在不同偏置條件下的輻照特性

研究了編程后MTM反熔絲單元受輻照環(huán)境的影響，并研究反熔絲在不同偏置條件下和不同編程電流條件下的輻照特性。

2.2.1 10 mA編程的MTM反熔絲輻照特性

通過對MTM反熔絲單元進行編程特性的研究，確定了MTM反熔絲編程電阻受編程電流大小的影響最為顯著，隨著編程電流的增大，反熔絲編程電阻逐漸減小，反熔絲單元在10 mA編程電流下的編程電阻均值為70 Ω，呈正態(tài)分布在50～100 Ω范圍內(nèi)。本節(jié)研究了MTM反熔絲單元在10 mA編程電流條件下的輻照特性，如圖6所示。

在工作條件下，由于反熔絲器件中的反熔絲單元會有不同方向的電流通過，因此分別研究了電流應力偏置在反熔絲上電極（圖6（a））和反熔絲下電極（圖6（b））的輻照特性差異。從圖6可以看出，經(jīng)過2 Mrad（Si）的總劑量輻照后，編程后的反熔絲單元電阻特性沒有顯著變化，并且電流應力偏置在上電極和下電極的反熔絲電阻特性也無顯著差異，說明了編程后反熔絲單元不受輻照環(huán)境的影響，不受電流應力方向的影響，抗總劑量能力大于2 Mrad（Si）。

圖6 10 mA電流編程的MTM反熔絲在2 mA電流偏置下輻照前后電阻變化情況

2.2.2 2 mA電流編程的MTM反熔絲輻照特性

為了研究在電路編程過程中出現(xiàn)編程狀態(tài)不良的反熔絲單元是否受總劑量輻照的影響，對反熔絲單元進行了2 mA編程電流的編程，編程電阻呈weibull分布，電阻均值為540 Ω左右，反熔絲電阻最小值大于300 Ω。本節(jié)研究了MTM反熔絲單元在2 mA編程電流條件下的輻照特性，如圖7所示。

從圖7可以看出，經(jīng)過2 Mrad（Si）的總劑量輻照后，編程后反熔絲單元電阻特性沒有顯著變化，并且電流應力偏置在上電極和下電極的反熔絲電阻特性也無顯著差異，說明了編程后反熔絲單元不受輻照環(huán)境的影響，具有天然的抗輻射特性。

圖7 2 mA電流編程的MTM反熔絲單元在0.2 V偏置電壓下輻照前后電阻變化情況

分析認為，編程狀態(tài)的反熔絲單元，由于編程反熔絲的導電通路為合金材料，合金材料的結合能遠遠大于γ射線的電離能，編程后反熔絲介質層的電場強度非常小，反熔絲導電通路材料基本不受輻照環(huán)境的影響，反熔絲電阻穩(wěn)定。

3 結論

通過中科院物理研究所和西北核試驗研究所的兩個輻照源共3次輻照試驗驗證，反熔絲單元在輻照環(huán)境下的輻照特性一致，結論如下：

未編程反熔絲在0 V偏置條件下，電學特性和編程特性不受輻照環(huán)境的影響，未編程反熔絲在3.0 V和5.5 V偏置條件下，反熔絲漏電流增大，偏置電壓越高，反熔絲漏電越大。已編程反熔絲在不同偏置條件下，反熔絲電阻不受輻照環(huán)境影響，具有天然的抗總劑量輻照特性。

[1]J M Benedetto,C C Hafer.Ionizing radiation response of an amorphous silicon based antifuse[C].IEEE Radiation Effects Data Workshop,1997.

[2]王栩，鄭若成，徐海銘.MTM反熔絲單元的總劑量效應研究[J].電子與封裝，2015，15(6)：35-38.

TID Effect on MTM Anti-fuse Cell

WANG Yinquan,ZHENG Ruocheng,XU Haiming,WU Suzhen,HONG Genshen

（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214072,China）

The paper studies the TID effect of MTM antifuse cell.Different voltage bias are applied on the un-programmed and programmed MTM antifuse cells in the TID environment with total ion dose up to 2 Mrad(Si).The experiment result shows that TID radiation has no marked effect on the unprogrammed antifuse.The I-V curve remains stable with leakage current change rate less than 10%.The resistance value of programmed antifuse remains unchanged.TID radiation's influence on the different resistance value is not noticeable.The TID irradiation of MTM anti-fuse cell reaches 2 Mrad(Si).

MTM;antifuse;total ion dose

TN307

A

1681-1070（2017）04-0034-05

王印權（1986—），男，河南省魯山縣人，畢業(yè)于西北工業(yè)大學材料專業(yè)，2013年獲得工學碩士學位，工程師，現(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第58研究所，主要從事微電子領域中MTM反熔絲工藝及可靠性研究工作。

2016-11-23