MTM反熔絲器件編程單元的空間應(yīng)用適應(yīng)性評估

王亞男，王文炎，李鵬偉，梅博，洪根深

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MTM反熔絲器件編程單元的空間應(yīng)用適應(yīng)性評估

王亞男1，王文炎1，李鵬偉1，梅博1，洪根深2

（1. 中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，無錫 214072）

文章結(jié)合航天應(yīng)用空間環(huán)境要求以及MTM反熔絲器件的特點，對MTM反熔絲器件編程單元的航天應(yīng)用特性進(jìn)行了分析，提出了MTM反熔絲單元的可靠性評估方法，并對MTM反熔絲單元編程前后的可靠性進(jìn)行了評估；從抗總劑量和抗單粒子效應(yīng)兩方面對MTM反熔絲器件的空間環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行試驗驗證。結(jié)果表明：MTM反熔絲工藝滿足空間環(huán)境應(yīng)用需要，采用該工藝的器件應(yīng)用于航天器具有較高的可靠性和空間環(huán)境適應(yīng)性。

MTM；反熔絲器件；空間應(yīng)用；可靠性評估；空間環(huán)境適應(yīng)性

0 引言

反熔絲技術(shù)具有單元小、工作頻率高、保密性好、非易失性等優(yōu)點，被廣泛用于電子系統(tǒng)的存儲和高速現(xiàn)場可編程器件中[1-3]。目前，主要的反熔絲技術(shù)有柵氧化層反熔絲、MTM（Metal to Metal）反熔絲和ONO（氧化物-氮化物-氧化物）反熔絲[4-5]。與柵氧化層反熔絲結(jié)構(gòu)相比，MTM反熔絲結(jié)構(gòu)在編程后電阻分布一致性更好；與ONO反熔絲相比，MTM反熔絲工藝尺寸更小、集成度更高，因此MTM反熔絲工藝被應(yīng)用于大規(guī)模的集成電路制造中[6]，例如非易失性一次可編程存儲器（PROM）及可編程邏輯控制器件（FPGA）。由于MTM反熔絲單元的輻射敏感度較低，將MTM反熔絲技術(shù)運用到器件中，可制作出高可靠性、抗輻射的PROM和FPGA，在空間應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的實用價值。

為驗證MTM反熔絲器件編程單元的空間應(yīng)用適應(yīng)性，獲得其可靠性和耐空間輻射能力的數(shù)據(jù)，本文系統(tǒng)地開展了MTM反熔絲單元的可靠性及抗輻射能力等空間環(huán)境適應(yīng)性的評估研究。

1 MTM反熔絲結(jié)構(gòu)特性分析

MTM反熔絲通常是一種“三明治”結(jié)構(gòu)，在兩層金屬中間沉積反熔絲材料而形成[7]。MTM反熔絲結(jié)構(gòu)應(yīng)用于存儲單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示：編程前反熔絲結(jié)構(gòu)（AF1和AF2）處于高阻狀態(tài)，電阻值為幾百MΩ，存儲單元讀出數(shù)據(jù)為0；編程后反熔絲結(jié)構(gòu)（AF1和AF2）處于導(dǎo)通狀態(tài)，電阻值為幾十Ω，存儲單元讀出數(shù)據(jù)為1。

MTM反熔絲單元編程時，通過在上下金屬極板間加偏置電壓使得反熔絲介質(zhì)中產(chǎn)生極細(xì)通道的電流，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(zhì)與金屬發(fā)生反應(yīng)生成低阻的金屬硅化物，導(dǎo)致MTM反熔絲單元最終導(dǎo)通，因此，編程后單元由高阻變?yōu)榈妥鑋8]。MTM反熔絲結(jié)構(gòu)在編程前后的截面SEM如圖2所示，可以看出編程后在反熔絲結(jié)構(gòu)的上下電極之間形成了物理連接。

圖2 MTM反熔絲編程前后結(jié)構(gòu)SEM圖比對

2 MTM反熔絲結(jié)構(gòu)可靠性評估方法

未編程的反熔絲元件的可靠性主要取決于反熔絲介質(zhì)高阻態(tài)的穩(wěn)定性，編程后其可靠性主要取決于編程形成的導(dǎo)電通路的穩(wěn)定性。因此，對MTM反熔絲結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行評估時需要分別對未編程和編程后的2種狀態(tài)進(jìn)行評價。

評價過程如下：首先進(jìn)行常態(tài)測試篩選；然后選擇加速應(yīng)力條件進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)試驗并展開中間測試，測試過程中記錄參數(shù)變化數(shù)據(jù)；根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行失效判斷，若沒有失效則繼續(xù)增加應(yīng)力時間重復(fù)此項試驗直至發(fā)生失效；單元失效時停止試驗并記錄該應(yīng)力下數(shù)值；結(jié)合未編程和編程后2種狀態(tài)下的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析可以得到工作條件下單元的壽命預(yù)估。具體的可靠性評估流程如圖3所示。其中，對未編程和編程后2種狀態(tài)評估的不同之處在于選擇的加速應(yīng)力條件不同，未編程單元的加速應(yīng)力條件為電壓和溫度，編程后單元的加速應(yīng)力條件為電流和溫度。

圖3 MTM反熔絲單元可靠性評估流程

3 MTM反熔絲單元可靠性評估

3.1 未編程MTM反熔絲單元的可靠性評估

未編程反熔絲介質(zhì)失效的應(yīng)力加速因子包括電場應(yīng)力和環(huán)境溫度應(yīng)力。介質(zhì)穩(wěn)定性壽命與電場加速應(yīng)力的關(guān)系符合E或1/E模型，與溫度加速應(yīng)力的關(guān)系符合熱激活能指數(shù)關(guān)系。因此，未編程反熔絲結(jié)構(gòu)的可靠性可用失效時間（Time-To-Failure, TTF）表示為[9]：

E模型

TTF=exp(-)exp(a/B)； (1)

或1/E模型

TTF=exp(/)exp(a/B)。 (2)

其中：為常數(shù)；和為電場系數(shù)；a為材料熱激活能；B為玻耳茲曼常數(shù)。模型前部反映電場加速效應(yīng)，后部反映溫度加速效應(yīng)?？梢苑謩e通過電壓和溫度加速壽命試驗確定模型參數(shù)、和a。

E模型和1/E模型均能在一定電場強(qiáng)度范圍內(nèi)較好地擬合實驗數(shù)據(jù)，E模型考慮了介質(zhì)擊穿過程中電場的作用，在低電場范圍對實驗數(shù)據(jù)擬合較好，模型簡單、物理機(jī)制明確，但是忽略了介質(zhì)層中載流子對缺陷的產(chǎn)生和擊穿的影響；而高電場下隧穿電流成分明顯，隧穿電流與電場1/相關(guān)，因此，與E模型相反，1/E模型在高電場范圍對實驗數(shù)據(jù)擬合較好?？梢姡瑢Ψ慈劢z單元進(jìn)行評估時采用E模型還是1/E模型，與反熔絲單元工作時的電場有關(guān)，一般如果無法區(qū)分是高電場還是低電場，則對2種模型都進(jìn)行評估。

以某型號MTM反熔絲型存儲器存儲單元的可靠性評估為例，在MTM反熔絲上下極板間分別施加5.0、5.2和5.4V的加速電應(yīng)力，在不同的加速應(yīng)力施加時間下，分別讀取受測試單元在1.98、2.75、3.0、3.3和3.63V電壓下的漏電流，結(jié)果如圖4所示。

以漏電流leak@3.3V≥50nA為失效判據(jù)，將上述測試結(jié)果進(jìn)行擬合得到威布爾分布。當(dāng)讀取電壓為3.3V時，不同加速電應(yīng)力條件下，反熔絲單元的失效概率如圖5所示。

圖5 未編程反熔絲單元在各加速電應(yīng)力條件下的失效概率

根據(jù)上述試驗結(jié)果，選取中值壽命點，擬合得到式(1)和式(2)中的參數(shù)和分別為2.253和60.8441。計算得到反熔絲單元的壽命隨電應(yīng)力的變化關(guān)系如圖6所示，當(dāng)工作電壓為3.3V時，常溫下反熔絲單元的壽命均大于20年。

圖6 未編程反熔絲單元的失效時間擬合

3.2 編程后MTM反熔絲單元的可靠性評估

編程后反熔絲單元的失效由施加的電流應(yīng)力引起，失效機(jī)制包括：電遷移失效機(jī)制和熱激活能相關(guān)的材料退化機(jī)制。編程后反熔絲壽命模型，即失效時間與加速電流應(yīng)力和環(huán)境溫度符合以下關(guān)系[10]：

其中：s為加速應(yīng)力電流；為電遷移Black方程電流密度指數(shù)，一般取值為2；a為環(huán)境溫度；co為編程過程中的反應(yīng)溫度；p為反熔絲編程電流。模型前半部分反映的是電遷移退化失效機(jī)制，后半部分反映的是與熱激活能相關(guān)的材料退化機(jī)制。

以電阻增大超過10%為失效判據(jù)，各加速電流應(yīng)力條件下失效時間結(jié)果分布如圖7所示，根據(jù)上述壽命模型擬合的結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)試驗結(jié)果，編程后反熔絲壽命是應(yīng)力電流與編程電流比值（s/p）的函數(shù)，即在固定編程電流條件下，編程后反熔絲壽命與工作應(yīng)力電流密切相關(guān)。對于上述10mA編程的反熔絲：在滿足10年壽命的要求下，反熔絲的安全工作電流需控制在6.0mA（60%p）以內(nèi)；在5mA（p/2）工作電流條件下，編程后反熔絲壽命遠(yuǎn)大于100年。

圖7 編程后反熔絲失效概率（編程電流Ip=10mA）

圖8 編程后反熔絲失效時間擬合（編程電流Ip=10mA）

因此，某型號MTM反熔絲型存儲器的存儲單元在編程前和編程后都具有很高的可靠性。

4 MTM反熔絲單元抗輻射特性評估

航天電子元器件面臨著復(fù)雜而嚴(yán)苛的輻射環(huán)境；對空間環(huán)境敏感的微電子器件會產(chǎn)生輻射效應(yīng)，造成器件的性能變差、功能失效甚至燒毀?？臻g輻射效應(yīng)主要分為電離總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。本文以某型號的MTM反熔絲型PROM器件為例，分別評估了MTM反熔絲單元的抗電離總劑量效應(yīng)能力和抗單粒子效應(yīng)能力。

4.1 抗電離總劑量效應(yīng)能力評估

待評估器件采用0.18μm的MTM反熔絲單多晶六鋁CMOS工藝。按照標(biāo)準(zhǔn)，選取輻射源為60Coγ射線源，劑量率為50rad(Si)/s[11]。選取同批次22只樣品進(jìn)行總劑量試驗。試驗過程中器件地址端口經(jīng)電阻上拉至DD，數(shù)據(jù)端口懸空，電源端口接額定電壓，各使能端經(jīng)電阻下拉至GND。

在輻照至100krad(Si)時，對器件進(jìn)行測試，其中典型器件的主要性能參數(shù)對比見表1。

表1 MTM反熔絲單元輻照前后電特性參數(shù)比較

從表1中可以看出，輻照至100krad(Si)，器件的電性能參數(shù)相對于輻照前變化很小，均在規(guī)范允許值范圍內(nèi)，器件功能性能合格。根據(jù)該器件CMOS工藝具有退火效應(yīng)的特點，對器件繼續(xù)進(jìn)行輻照至150krad(Si)后進(jìn)行加速退火試驗，試驗溫度100℃，試驗時間為168h。然后對器件進(jìn)行電參數(shù)測試。經(jīng)測試所有器件電參數(shù)仍然合格，證明MTM反熔絲結(jié)構(gòu)的抗電離總劑量能力超過100krad(Si)。

4.2 抗單粒子效應(yīng)能力評估

根據(jù)待評估器件的功能特點，試驗檢測其抗單粒子鎖定和單粒子翻轉(zhuǎn)的能力。試驗時，選取的粒子分別為HI-13串列靜電加速器上的Ge離子和HIRFL回旋加速器的Bi離子；LET值分別為37.0和99.8MeV·cm2/mg；在硅中的射程分別為32.8和93.5μm。

4.2.1 抗單粒子鎖定

單粒子鎖定測試流程如圖9所示。對被測器件進(jìn)行單粒子鎖定測試時，電源電壓為額定電壓正向拉偏10%。通過數(shù)字多用表以及程控電源實時監(jiān)測電源電流并保存。器件的工作電流突然大于設(shè)定值（如正常工作電流的1.5倍），并且器件功能異常時，認(rèn)為器件發(fā)生單粒子鎖定。當(dāng)輻照總注量達(dá)到1.00×107cm-2或發(fā)生1次單粒子鎖定時，停止試驗。

采用LET值為99.8MeV·cm2/mg的Bi離子輻照器件，在輻照至1.00×107cm-2注量的過程中未發(fā)生單粒子鎖定效應(yīng)，表明該器件抗單粒子鎖定的LET閾值大于99.8MeV·cm2/mg。

圖9 單粒子鎖定測試流程

4.2.2 抗單粒子翻轉(zhuǎn)

對被測器件進(jìn)行單粒子效應(yīng)測試時，測試系統(tǒng)主要是向被測器件提供運行程序，使其處在工作狀態(tài)，同時還能監(jiān)測被測器件對單粒子翻轉(zhuǎn)的敏感性。單粒子翻轉(zhuǎn)測試時，電源電壓為額定電壓負(fù)向拉偏10%。

單粒子翻轉(zhuǎn)測試流程如圖10所示。測試過程中被測器件由程控電源單獨供電，通過選擇輻照器件來控制被測器件工作電源的通斷。在試驗過程中，首先向被測器件寫入測試圖形碼；然后在器件最大工作頻率條件下讀取各測試單元中的數(shù)據(jù)，并與填充碼比較，發(fā)現(xiàn)錯誤后再次讀取該測試單元中數(shù)據(jù)，2次均錯誤則判斷是存儲單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)（單粒子翻轉(zhuǎn)），否則判斷是外圍電路翻轉(zhuǎn)，分別統(tǒng)計本周期內(nèi)單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)、本周期內(nèi)外圍電路翻轉(zhuǎn)數(shù)、總的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)和總的外圍電路翻轉(zhuǎn)數(shù)，將錯誤數(shù)計數(shù)通過串口發(fā)回上位機(jī)，并將發(fā)生翻轉(zhuǎn)的存儲單元位修改為填充碼。若單粒子翻轉(zhuǎn)總數(shù)達(dá)到100個（或規(guī)定值）或離子總注量達(dá)到107cm-2（以先到者為準(zhǔn)）時，則停止輻照，試驗結(jié)束。

圖10 單粒子翻轉(zhuǎn)測試流程

在輻照至1.00×107cm-2注量的過程中，3只樣品共檢測到44次單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，表明該器件抗單粒子翻轉(zhuǎn)的LET閾值小于99.8MeV·cm2/mg；對輻照后的樣品進(jìn)行了單粒子翻轉(zhuǎn)復(fù)測，未檢測到器件單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，表明該器件反熔絲單元抗單粒子翻轉(zhuǎn)的LET閾值大于99.8MeV·cm2/mg。采用LET為37.2MeV·cm2/mg的Ge離子輻照器件，在輻照至1.00×107cm-2注量的過程中未發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，表明該器件外圍電路抗單粒子翻轉(zhuǎn)的LET閾值大于37.2MeV·cm2/mg。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了MTM反熔絲結(jié)構(gòu)的可靠性以及抗輻射能力，該結(jié)構(gòu)編程前后均具有較高可靠性。某型號的MTM反熔絲單元編程前常溫下壽命滿足20年使用要求，編程后若工作電流控制在編程電流的50%以內(nèi)，可實現(xiàn)大于100年的使用壽命。器件抗電離總劑量能力大于100krad(Si)，抗單粒子鎖定的LET閾值大于99.8MeV·cm2/mg；器件反熔絲單元抗單粒子翻轉(zhuǎn)的LET閾值大于99.8MeV·cm2/mg。以上證明該結(jié)構(gòu)滿足空間環(huán)境應(yīng)用需求，MTM反熔絲工藝的器件應(yīng)用于航天器具有較高的可靠性和較好的空間環(huán)境適應(yīng)性。

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（編輯：馮露漪）

Applicability evaluation of MTM anti-fuse programmable units for aerospace applications

WANG Ya’nan1, WANG Wenyan1, LI Pengwei1, MEI Bo1, HONG Genshen2

(1. China Aerospace Components Engineering Center, Beijing 100094, China; 2. No.58 Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Wuxi 214072, China)

Based on the space environmental requirements and the characteristics of MTM anti-fuse devices, this paper analyzes the performance of MTM anti-fuse programmable units in aerospace applications. A reliability evaluation method for MTM anti-fuse units is proposed, and the reliability of the units before and after programing is evaluated. The applicability of the MTM anti-fuse process in the space environment is verified by TID and SEE tests. It is shown that the MTM anti-fuse process can meet the requirements in the space environment, and the MTM anti-fuse device is of high reliability and good adaptability to the environment in spacecraft applications.

MTM; anti-fuse device; aerospace application; reliability evaluation; space environmental adaptibility

TN453

A

1673-1379(2017)06-0672-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.06.017

王亞男（1986—），女，博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體器件設(shè)計制作及應(yīng)用驗證。E-mail: wyn.wgn@163.com。

2017-09-29；

2017-12-01