MTM反熔丝单元的总剂量效应研究

王 栩，郑若成，徐海铭

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

反熔丝工艺因其具有尺寸小、集成度高及非挥发性等特点而广泛用于空间应用领域，通常被用于制造非易失性存储器（PROM）及可编程逻辑器件（FPGA），特点是在未编程状态下单元处于高阻不导通状态，编程过后单元则处于低阻导通状态，由于单元状态在编程后具有非挥发性，即使电路因辐射出现逻辑翻转，也不会导致已经编写的程序丢失，因此基于反熔丝技术的可编程存储及逻辑器件常被用于对辐照有非常高要求的关键空间应用系统中。

MTM（Metal-to-Metal）反熔丝是一种“金属-反熔丝-金属”结构的反熔丝。与ONO（氧化物-氮化物-氧化物）反熔丝工艺（大于0.6 μm）相比，MTM反熔丝工艺尺寸更小（小于0.6 μm），集成度更高，因此反熔丝工艺被应用于更大规模的电路制造中。其中美国Actel公司基于0.15 μm CMOS工艺开发的反熔丝FPGA产品AX1000工艺包括7层金属，反熔丝单元达到两千九百万个，其抗辐射总剂量可达300 krad(Si)[1]。国内MTM反熔丝工艺方面的研究才刚起步，关于MTM单元在总剂量条件下的特性研究仍为空白。对MTM反熔丝单元的总剂量特性进行研究，有助于了解总剂量效应对工作状态下的MTM反熔丝单元的影响，评估不同的剂量点对单元的影响程度，进而推测出总剂量对MTM反熔丝工艺制造的可编程器件的影响程度，最终验证MTM反熔丝电路是否具有抗辐照总剂量的特性。

为了验证MTM反熔丝单元的总剂量特性，计划通过对不同尺寸、不同状态的MTM反熔丝单元进行总剂量实验，即对完成工艺的MTM单元进行封装，测试辐照前后单元特性的变化，最终获得MTM反熔丝单元在总剂量条件下的单元特性。

图1 熔丝及反熔丝应用情况

2 实验及结果

MTM反熔丝结构是通过在两层金属中间淀积反熔丝材料形成的。由于材料在一定条件下与金属反应被金属化，为防止在编程前反熔丝介质与金属直接反应，金属与反熔丝介质之间会淀积金属阻挡层，结构示意图如图2（a）。MTM反熔丝单元在未编程情况下处于高阻状态，电阻通常大于108Ω。单元的编程通过在上下金属极板间加载电压偏置，使得反熔丝介质中产生极细通道的隧穿电流。在一定时间之后电流在高阻下产生热量，使反熔丝介质与金属发生反应生成低阻的金属硅化物，导致MTM反熔丝单元最终导通。通过反熔丝通/断不同状态，形成可编程器件中的逻辑0和1。

图2 MTM反熔丝单元编程过程

MTM反熔丝单元组成的可编程器件在完成制造之后，由客户根据各自需求进行编程，通过对部分单元进行编程形成不同的逻辑（0/1），因此在由MTM反熔丝单元组成的可编程器件中，MTM反熔丝单元存在两种状态，一种为未编程状态，即高阻状态，一种为已编程状态，即低阻状态。两种状态的单元同时存在于可编程器件中。完成编程的器件在空间环境中应用时，通过对两种状态单元的加电、读取使电路逻辑功能得以实现。在加电的情况下受到总剂量辐射，MTM反熔丝单元是否会受总剂量的影响是本次研究的目的。研究MTM反熔丝单元的总剂量特性，必须模拟可编程器件实际应用环境，对不同尺寸、不同状态的MTM反熔丝单元在不同偏置情况下进行总剂量辐照，通过对单元特征参数的测试研究不同状态下单元对辐照条件的反应。

2.1 研究对象

不同尺寸的MTM反熔丝单元的编程原理及应用环境近似，因此本研究挑选的对象为0.35 μm及0.5 μm抗辐射MTM反熔丝工艺对应的反熔丝单元。两种尺寸的MTM反熔丝单元采用通孔上反熔丝及通孔下反熔丝两种不同的单元结构，都是目前典型的MTM反熔丝单元结构，示意图如图3。

图3 两种尺寸MTM反熔丝结构示意图

0.5 μm MTM反熔丝单元为通孔下反熔丝结构，0.35 μm MTM单元为通孔上反熔丝结构，两种结构反熔丝击穿模式相同，拟采用同样的辐照特性研究方法。

实际应用电路中存在两种状态的MTM反熔丝单元，即“未编程单元”及“完全编程单元”。MTM反熔丝单元在工艺完成之后处于未编程状态。通常处于高阻态（电阻大于108Ω），单元上下两端电极断路；在电路工作前，对反熔丝单元进行编程（超过击穿电压的电脉冲），单元完全编程后处于低阻态（电阻小于100 Ω），可能出现部分编程的单元电阻处于两种状态之间（通常为3000～4000 Ω）。两种状态单元的成因及电学特性对比如表1。

表1 两种状态的MTM反熔丝单元信息

为了模拟可编程器件的辐照实际情况，计划对两种单元进行辐照实验以进一步研究。

2.2 研究方法

对MTM反熔丝单元辐照总剂量特性的研究，其方法即模拟可编程器件实际应用环境，通过对不同尺寸、不同状态的MTM反熔丝单元在不同偏置情况下进行总剂量辐照，通过对单元特征参数的测试研究从而得到不同状态单元对辐照条件的反应。评估MTM反熔丝单元通常有3个参数：（1）单元编程前电阻Roff，该电阻应大于108Ω；（2）编程电压BV，即使得单元完全编程的电压；（3）编程后单元电阻Ron，应小于200 Ω。

对于应用过程中的电路，已经完成编程，电路中存在两种状态的单元，即未编程单元及已编程单元。这两种单元电学性质的差别体现在电阻上，未编程单元处于高阻态（电阻108Ω），编程后单元电阻50 Ω。因此研究电路中单元的辐照特性也就是研究这两种状态的单元在辐照情况下电阻的改变。

此次研究遵循的方法是：根据电路中实际可能遭遇的情况，将两种类型的MTM单元置于辐照环境下，并加一定的电应力，研究总剂量辐照对电阻的影响。实验地点选在上海应用物理研究所，实验类型为总剂量，辐照源Co60钴源，剂量率200 rad(Si).s-1，剂量点0 Mrad(Si)、0.8 Mrad(Si)、1.4 Mrad(Si)、2 Mrad(Si)。辐照试验过程如下：

（1）未编程单元

辐照条件：上极板分别加0/5 V电应力，分多个剂量点对其进行辐照；测试条件：每个剂量点完成后进行电阻测试，扫描0~5 V，测试漏电流。

图4 未编程单元的总剂量辐照与测试方案

（2）已编程单元

辐照条件：上极板悬空，下极板接地，分多个剂量点对其进行辐照；测试条件：每个剂量点完成后进行电阻测试，扫描0~5 V，测试漏电流。

图5 已编程单元的总剂量辐照与测试方案

根据电路工作原理，两种单元电阻差异大，电路工作过程中即运用这一优点对逻辑进行判断，因此希望在加电辐照的情况下，电阻不会受到影响。所以两种单元是否失效的判据为：（1）未编程单元：辐照前电阻大于108Ω，辐照后电阻应仍然大于10 000 Ω，即判定单元未失效。（2）已编程单元：辐照前电阻小于200 Ω（一般为50 Ω），辐照后电阻应仍然小于200 Ω，即判定单元未失效。

2.3 实验结果及讨论

本次实验采用的是0.5 μm及0.35 μm 两种MTM单元，每种单元两种状态（未编程及已编程），对实验对象的描述如表2所示。

表2 MTM反熔丝单元信息

在经过总剂量实验之后，对对应的电阻进行了测试，最终统计实验偏置及数据如表3所示。

根据总剂量实验后测试的电阻数据，可以看到：（1）未编程单元，辐照时0偏置，辐照前后单元电阻无变化；（2）未编程单元，辐照时5 V偏置，辐照后单元电阻变大，不影响电路逻辑判断；（3）已编程单元，辐照前后单元电阻无变化。

图6显示两种单元在3种辐照偏置的情况下，不同剂量点的电阻变化趋势。趋势图验证了以上结论。未编程单元在0 V的偏置下进行总剂量辐照，辐照前电阻为109Ω，在800 krad(Si)/1 400 krad(Si)/2 000 krad(Si)的总剂量辐照之后，虽然电阻存在一定幅度的波动，但仍维持在109Ω，因此在电路逻辑判断时该单元仍被认为未编程，不会改变电路逻辑。由此得到的结论是，在0 V偏置情况下，总剂量不会对未编程单元产生影响。

图6 3种辐照偏置电阻的变化趋势

未编程单元在5 V的偏置下进行总剂量辐照，辐照前电阻为109Ω，在800 krad(Si)的总剂量辐照之后，电阻陡然增加两个数量级，从109Ω升高至1011Ω。在总剂量从800 krad(Si)上升到1400 krad(Si)/2000 krad(Si)的过程中，电阻没有再发生明显的变化，稳定在1011Ω。在可编程器件工作过程中，单元处于高阻109Ω，被判定为未编程，因此电阻升高至1011Ω，同样被判定为未编程，因此电路逻辑没有发生变化。由此得到的结论是，在5 V的偏置下，总剂量也不会对未编程单元产生影响。而已完成编程的单元，辐照实验前已处于低阻状态，实测电阻小于50 Ω。在经过总剂量辐照之后，电阻依然维持在低阻状态，而且略有降低，最大降幅达到10 Ω。由于对于已编程单元来说，电阻的降低不会改变电路工作时的逻辑，因此，同样认定已编程单元不会受到总剂量辐射的影响。

表3 辐照实验过程中MTM单元电阻测试结果

离开辐照环境之后，在0偏置条件的未编程单元上加扫描电压（0~5 V），测试并记录单元两端电流的变化，将数据绘制成I-V（电流-电压）图，得到图7。对图7进行解读，未编程单元辐照前电阻为108~109Ω，在0偏置情况下进行总剂量辐照，图中直线的斜率代表单元的电阻，从图中可见电阻在0.8 Mrad(Si)、1.4 Mrad(Si)及2 Mrad(Si)情况下没有明显变化，电阻值停留在辐照实验前的数量级。

图7 未编程单元0偏置下电阻变化趋势图

未编程单元在5 V偏置下进行总剂量辐照实验，在总剂量0.8 Mrad(Si)时，电阻即发生跳变，从辐照前的108~109Ω，跳转至1011Ω，在总剂量累积至1.4 Mrad(Si)及2 Mrad(Si)时没有再增加（如图8）。可推断MTM反熔丝单元在加电的情况下，电阻在接受辐照之后会增加，而后电阻不再随总剂量增加而变化。

图8 未编程单元在5 V偏置下电阻变化趋势图

已完成编程的单元，电阻降到100 Ω以下，由于电阻大小由金属硅化物电阻决定，因此辐照总剂量对其没有影响，即辐照前与辐照后没有变化。

图9 已编程单元电阻变化趋势图

3 结论

为摸清单个MTM反熔丝单元在总剂量条件下的特性，以便了解以MTM反熔丝为主体的可编程器件是否会受到总剂量辐照的影响，我们模拟MTM反熔丝单元在可编程器件中的工作环境，安排了不同尺寸、不同状态的MTM单元在不同偏置下进行总剂量辐照实验，得到的结论是：辐照总剂量会导致5 V偏置下未编程单元电阻的变化，但不会影响可编程器件的逻辑。因此，采用MTM反熔丝工艺制造的可编程器件不会因为总剂量辐照而失效。