编程MTM反熔丝的特征电压研究

2017-02-27徐海铭顾祥

电子与封装 2017年2期

关键词：熔丝熔融电导率

徐海铭，顾祥

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

编程MTM反熔丝的特征电压研究

徐海铭，顾祥

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

研究了不同MTM反熔丝材料的特征电压，发现特征电压不受电极材料影响而变化。电热模型理论在硅极反熔丝编程模型中得到进一步诠释和扩展，其中MTM反熔丝编程电阻与编程电流的关系也符合魏德曼-费尔兹定律。

反熔丝；编程；MTM

1 引言

近几年，新型金属到金属反熔丝（MTM Antifuse）[2]得到国内外的重视和研究。相比应用器件编程的SRAM和EEPROM存储器来说，MTM反熔丝占用版图的面积非常小，同时有很小的编程电阻和未编程电容。新型反熔丝结构非常适合应用到高密度、高可靠性的FPGA电路中。目前国内还没有关于不同材料电极的编程电阻情况的研究和报告，低编程电阻材料常常会作为电极材料得到应用。本文通过工艺验证和测试，提出相关MTM反熔丝电极材料的编程电阻与电导率关系很小的观点。

反熔丝已经被广泛应用到可编程逻辑器件电路FPGA和只读存储器ROM中，而编通电阻值是决定电路延时的主要参数，也是影响电路可靠性的重要指标。电热模型理论的进一步发展和研究，已经可以完全被应用到硅电极反熔丝的编程电阻。编程电阻Ron与编程电流Ip成反比关系[1]：

Vf是MTM反熔丝的特征电压，对上下硅电极反熔丝来说，其特征电压约为2.5 V。

2 反熔丝结构和测试

图1（a）、（b）分别是MTM反熔丝结构和纵向解剖图。采用CMOS工艺在两层金属布线之间嵌入了MTM反熔丝单元，该新型反熔丝结构的最大特点就是可以进行低温工艺，同时具有低电压编程、低漏电、低电容、低编程电阻和高未编程电阻的特性。

图1 MTM反熔丝单元

在一系列实验中，下极板电极材料厚度在200～300 nm，同时下极板不进行光刻腐蚀工艺，具体材料Au、W和Zr。中间反熔丝介质层采用PECVD工艺的10 nm SiO2，上极板厚度为200～300 nm。反熔丝结构的上下极板可以采用同一种金属材料，也可以采用上下极板不同的金属材料。

为了得到更准确的编程电阻，MTM反熔丝采用Keithly4200 SCS半导体参数测试仪对反熔丝单元进行不同电流编程，测试编程电阻。通过调整电压来实现电路编程需要的编程电流，编程过程中在针尖串联一个3 kΩ的电阻，用来限制电容储能电流。图2为3个反熔丝单元10 mA编程时的读电阻和读电流关系图。读电阻在10 mA时有一个电阻峰值，说明该电阻通过了10 mA编程电流[7]。

图2 编程电流10 mA下读电阻与读电流

测量编程电流在1 mA时的编程电阻，当电流小于1 mA时，测试会导致编程电阻不准确。Ron与编程电流成倒数关系，图3显示了MTM反熔丝编程电阻与编程电流的关系。

图3 编程电阻与编程电流

从图4中可以看出，尽管Au的电导率是Ti和Zr的20倍，但特征电压Au-Au比Zr-Ti少20%。总体来看，特征电压主要分布在0.48～0.63 V之间。

图4 特征电压与有效电导率

3 特征电压模型

在编程过程中，局部的熔融发生和熔融核边际的温度基本等于二氧化硅的熔融温度。接下来我们首先忽略电极依赖的热导率和电导率，用一半熔融温度来近似[3～5]。熔融核中心温度场的热传递公式如下：

r是温度变化的点到熔融中心的距离，k是电极的热导率，因此熔融核的半径rc是：

Tc0是熔融核的边界温度，编程电阻可以表示为：

这里我们忽略了中间反熔丝介质层的厚度，因为熔融核的半径大于100 nm，远多于反熔丝介质层的厚度。从公式中不难看出材料属性仍然取决于热导率与电导率，根据魏德曼-费尔兹定律，我们能够推断出任何材料特性都依靠特征电压。对于不同金属材料，魏德曼-费尔兹定律[6]描述为电导率和热导率之间是成比例的，其比例常数取决于材料本身，称为洛伦兹常数L。

把洛伦兹常数2.45×10-8W·Ω/℃带入上面公式，可以很容易得出特征电压：

这里我们定义熔融核的温度是二氧化硅的稳定温度1700℃，同时把这个温度的一半作为核外面的平均温度。根据模型计算出的结果跟实际测量值十分接近。电极材料的电导率越高，熔融的通道就会越小。在多数金属电极电导率较小的情况下，编程导通电阻几乎没有什么变化。通过熔融，核中的材料已经发生变化，不再是二氧化硅，而是电极与反熔丝介质层的反应物，这样它们就会有不同的热导率和电导率，而且它们的反应边界温度与金属电极和反熔丝介质层材料有强相关性。

4 结论

本文研究了MTM反熔丝特征电压的特性，通过对MTM反熔丝特征电压的研究发现，特征电压几乎不依赖电极材料，同时对MTM反熔丝电阻来说，无法通过改变电极材料来改善反熔丝导通电阻，而是由魏德曼-费尔兹定律来决定。

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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