MTM反熔丝单元编程特性研究

王印权，刘国柱，徐海铭，郑若成，洪根深

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

MTM反熔丝单元编程特性研究

王印权，刘国柱，徐海铭，郑若成，洪根深

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

主要研究了编程参数对MTM反熔丝单元编程特性的影响，包括编程电压、编程电流、编程次数等。结果表明在满足最低编程电压条件下，编程电压的增大对反熔丝编程电阻无显著影响。编程电流对编程电阻的影响较大，编程电流越大，反熔丝编程电阻越小。编程次数的增多可减小编程电阻，但离散性增大。

MTM反熔丝单元；编程电阻；编程电压；编程次数

1　引言

反熔丝是天然的抗辐射［1］器件，具有非易失性、高可靠性［2］、体积小、速度快、功耗低等优点，并且与CMOS工艺兼容，其产品广泛应用于军事、航天、航空等领域。反熔丝主要包括ONO（氧化物-氮化物-氧化物）反熔丝、MTM（Metal to Metal）反熔丝和栅氧化层反熔丝。MTM反熔丝以其编程电阻低、集成度高等优点得以在0.6 µm以下工艺继续发展。目前国际上研究MTM反熔丝的单位以美国ACTEL公司为代表，主要有Axcelerator、SX-A、eX、MX等4个系列的FPGA产品，工艺水平达到0.15 µm。在未编程时，MTM反熔丝单元处于高阻状态，可高达109Ω；编程后，反熔丝电阻小于100 Ω，表现出良好的欧姆电阻特性。

作为空间抗辐照电路的主要组成部分，MTM反熔丝的编程特性直接影响反熔丝单元编程后的可靠性等一系列问题，而国内外对MTM反熔丝单元编程特性的研究较少。因此，本文基于0.6 µm MTM CMOS工艺，研究了MTM反熔丝单元的编程电压、编程电流、编程次数与编程电阻的关系。

2　样品制备与测试方法

本文采用0.6 µm CMOS工艺在两层金属布线之间嵌入了MTM反熔丝单元，其结构和纵向解剖分别如图1（a）、（b）所示。

采用Keithly4200 SCS半导体参数测试仪对反熔丝单元进行编程测试，编程通路结构如图2所示。反熔丝单元编程采用脉冲编程，并在编程通路中串联一个限流电阻控制编程电流的大小，通过示波器监控限流电阻两端的电压，并除以限流电阻值得到编程电流Ipp。反熔丝单元的一次编程采用两个脉冲， 高电平10.5 V为编程电压；编程后电阻大小采用阶跃电压0～0.2 V进行测试，读取0.2 V时的反熔丝电阻为反熔丝单元的编程电阻Ron。

图1　MTM反熔丝单元结构

图2　MTM反熔丝单元编程示意图

3　MTM反熔丝单元的编程特性

3.1编程电流对反熔丝单元编程电阻的影响

编程后MTM反熔丝电阻的大小，决定于在反熔丝上下电极之间形成的导电通路直径的大小。基于MTM反熔丝电热击穿模型［3］，MTM反熔丝单元编程电流与上下电极之间形成的导电通路直径rc之间的关系如式（1）所示：

式中，rc为导电通路直径，Ip为编程电流；Tco为反熔丝介质层与金属阻挡层的反应温度，Ta为环境温度，k（T）表示导电通路的热导率，Vf·p为反熔丝编程电压，ρ（T）为导电通路材料的电阻率。

由式（1）可知，随着编程电流的增大，形成的导电通路直径也增大，反熔丝单元的编程电阻就越小。

本文研究了编程电流Ipp=1.5～50 mA条件下的编程电阻Ron的变化，如图3所示，并采用G Zhang等［3］关于编程电流的模型进行拟合，如式（2）所示：

拟合结果显示，常量C1等于0.51 V，为MTM反熔丝单元的特征电压，常量C2为1.45×10-3Ω·A-2，反映反熔丝单元介质层厚度及上下电极材料特性对反熔丝编程电阻的影响。实际测试结果与模型的拟合良好，并且与Chih-ChingShih等人［4］的研究结果一致。

根据测试结果，MTM反熔丝单元编程电阻随着编程电流的增大而减小。这是由于在编程电压的作用下，在反熔丝介质层的薄弱点发生击穿并产生大的电流（编程电流），产生大量热量，使金属阻挡层与反熔丝介质层发生反应生成导电的金属硅化物。编程电流越大，产生的热量越多，金属阻挡层与反熔丝介质层的反应越充分。根据式（1），随着编程电流的增大，在上下电极之间形成的导电通路直径rc越大，电阻越小。此外，当编程电流大于6.5 mA时，MTM反熔丝单元的编程电阻Ron小于100 Ω；当编程电流小于5 mA时，其编程电阻急剧上升，在编程电流为1.8 mA时，编程电阻大于700 Ω。因此，为了保证电路中的MTM反熔丝单元低的编程电阻和良好的一致性，编程电流不宜小于6.5 mA。

图3　编程电流与编程电阻的关系

3.2编程电压对反熔丝单元编程特性的影响

分别研究了9.5 V、10.5 V、11.5 V三个编程电压下的反熔丝单元的编程电阻，结果如图4所示：随着编程电压的增大，编程电阻减小，离散性增大。

在限流电阻一定的情况下，编程电流随编程电压的增加而增加，为了区分二者对编程电阻的影响主次关系，本文研究了相同编程电流条件下，不同编程电压对编程电阻的影响，并将编程电压和编程电阻的关系数据与编程电流和编程电阻的关系数据进行了对比，如图5和图6所示。结果表明：在限流电阻不变的条件下，改变编程电压，编程电阻变化趋势符合编程电阻与编程电流的变化规律；相同编程电流条件下，不同编程电压下编程的反熔丝单元平均阻值均在69 Ω左右，表明编程电阻不受编程电压的影响。

图4　编程电压与编程电阻的关系

图5　不同编程电压与不同编程电流下的Ron对比图

图6　相同编程电流、不同编程电压对编程电阻的影响

可见在反熔丝编程电压满足反熔丝单元最低的编程电压条件下，编程电流决定反熔丝单元的编程电阻大小；编程电压越大，越易导致反熔丝编程电阻的离散性增大。因此在满足反熔丝单元编程最低电压的前提下，编程电压不宜太高；增大编程电流，可有效降低编程电阻。

3.3编程次数对编程电阻的影响

研究了编程次数对编程电阻的影响，采用编程电压10.5 V，限流电阻为1 000 Ω，其编程次数与编程电阻的关系如图7所示。随着编程次数的增加，MTM反熔丝单元的编程电阻减小，编程电阻离散性缓慢增大；当编程次数大于1 000次时，反熔丝编程电阻和编程电阻离散性迅速增大。分析认为，增加编程次数可以有效降低反熔丝单元的编程电阻，但由于编程次数的增加易导致编程电阻及其离散性增大，因此，编程次数不宜大于1 000次。

图7　编程次数对编程电阻的影响关系曲线

4　结论

本文基于0.6 µm MTM CMOS工艺，研究了MTM反熔丝单元的编程电压、编程电流和编程次数与编程电阻的关系。结果表明，编程电压的变化对编程电阻大小无显著影响，但增大编程电压易导致编程电阻离散性增大；在满足最低编程电压的条件下，编程电流大小决定编程电阻的大小，编程电流越大，编程电阻越小。编程次数增多，编程电阻减小，编程电阻离散性增大，编程次数大于1 000时，编程电阻和离散性急剧增大。编程电流小于6.5 mA时，编程电阻急剧增大。因此，为了使编程电阻小于100 Ω，并保证编程电阻良好的一致性，编程电流不宜小于6.5 mA，编程次数不宜大于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

王印权（1986—），男，河南鲁山人，毕业于西北工业大学，现就职于中国电子科技集团公司第58研究所，主要从事MTM反熔丝工艺及可靠性研究工作。

2014-12-11