应用于OTP单元的高可靠性 MTM反熔丝特性

2017-03-27徐海铭王印权郑若成洪根深

电子与封装 2017年3期

关键词：熔丝漏电编程

徐海铭，王印权，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 214072）

应用于OTP单元的高可靠性 MTM反熔丝特性

徐海铭，王印权，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 214072）

主要研究了一种新型MTM反熔丝结构的电特性，未编程反熔丝漏电和击穿以及编程特性，有助于电路的编程电流设计，也为反熔丝击穿和漏电的标准制定提供参考。该研究对电极和温度特性的应用也有十分重要的意义。

反熔丝；编程；OTP；MTM

1 引言

近几年，新型金属到金属反熔丝（MTM Antifuse）[1]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。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100Ω，表现出良好的欧姆电阻特性。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0.15μm。MTM反熔丝的特性决定FPGA 的特性和可靠性，本文将进行系统的研究。

2 反熔丝结构

如图1 （a）、（b）分别是新型MTM反熔丝结构和纵向解剖，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。

该新型MTM反熔丝结构采用0.35μmCMOS 工艺，通过对 CMOS 后段工艺进行开发，把MTM反熔丝结构与CMOS工艺有效整合在一起，实现OTP单元功能。MTM反熔丝工艺通常嵌在CMOS工艺最后两层金属之间，当次下层金属淀积完成后，需要立刻淀积反熔丝介质层和上极板金属，根据光刻和腐蚀形成MTM反熔丝结构，通过顶层通孔连接顶层金属，实现互联。

图1 MTM反熔丝单元

3 反熔丝漏电和击穿特性

图2 是新型MTM 反熔丝单元的击穿特性曲线，上下极板加电有不同的漏电电流和击穿电压，这种差异是由于反熔丝介质层和上下极板不同的界面结导致。一般来说，MTM 反熔丝单元的漏电会随着电压增加而变大，直到击穿。

图2 MTM 单元的 I-V 特性曲线

当前MTM反熔丝结构的 OTP 单元面积约为1μm2，面积大不利于工艺集成度的提高，同时增加了工作时的漏电通道和寄生电容，后续根据现有的工艺能力进一步缩小 OTP单元面积或者研制新的反熔丝结构，从而可以实现提高集成度和降低漏电的要求。

图3 是未编程MTM反熔丝单元在-50 ℃、25 ℃、50 ℃、125 ℃上下电极加电 I-V 特性，随着温度的增加，MTM 反熔丝单元的漏电变大，击穿变小。

图3 MTM cell温度 I-V 特性曲线

图4 MTM cell的漏电流与温度的关系曲线

根据MTM反熔丝单元的 I-V 特性和随温度升高漏电增加的趋势，可以得出反熔丝单元温度的热击穿系数，图4 是未编程MTM反熔丝单元在 3.6 V 电压下漏电与温度的关系。

4 MTM反熔丝单元的编程电阻特性

4.1MTM反熔丝单元编程

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5所示。反熔丝单元编程采用脉冲编程，整个编程通路中还增加一个 MOS 管进行限流，控制编程电流的大小Ipp；反熔丝单元的一次编程采用两个脉冲，低电平为0V，高电平10.5V；编程后电阻大小采用阶跃电压0～0.2V进行测试，读取0.2V时的反熔丝电阻为反熔丝单元的编程电阻Ron。

图5 MTM反熔丝单元编程示意图

4.2 编程反熔丝电阻的特性

4.2.1 编程电阻的编程电流特性

图6 不同编程电流下编程电阻分布

对MTM反熔丝编程电路来说，最大优点就是拥有很低的编程电阻，在实现高保密性、高可靠性和高密度的同时，可以降低电路延时，提高工作频率。本文研究了编程电流 Ipp=3～40mA 条件下编程电阻Ron的变化，图6 是不同编程电流下的编程电阻分布，编程电流作用于整个编程过程中，直到编程通路的形成。运用Guobiao Zhang 等[2～3]关于编程电阻与编程电流的模型进行拟合，如公式 1所示：

Ron是编程电阻，C1称为反熔丝特征电压，与电极材料无关，等于0.45V，C2=3.6×10-4Ω×A2，Ipp代表编程电流。0.44 的值十分接近文献中采用钨作为上下电极的MTM反熔丝。当MTM反熔丝编程电流较小时，公式（1）中的第二项不能忽略，C2的值取决于MTM反熔丝电极的电导率、编程通道的电导率和热导率，以及反熔丝介质层的厚度。由公式（1）可知，随着编程电流的增大，反熔丝单元的编程电阻就越小。

图7 编程电流与编程电阻的关系

图7给出了编程电流与编程电阻的关系测试结果，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。此外，当编程电流大于6.5mA时，MTM反熔丝单元的编程电阻Ron小于100Ω；当编程电流小于5mA时，其编程电阻急剧上升，在编程电流为 1.8mA 时，编程电阻大于 700Ω，并且离散性非常大。因此，为了保证应用到电路设计中的MTM反熔丝具有良好的编程电阻和一致性，编程电流不宜小于 6.5mA。

4.2.2 编程电阻的抗总剂量特性

未编程MTM反熔丝单元在0V和5V的直流电压偏置下进行总剂量辐照，辐照前电阻为 109Ω，在800k/1400k/2000k rad(Si)的总剂量辐照之后，0V偏置情况下，在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，将数据绘制成图8所示的I-V 图，未编程单元辐照前电阻 108～109Ω，图中直线的斜率代表单元的电阻。从图8可见电阻在0.8M、1.4M及2M rad(Si)辐照情况下没有明显变化，电阻值停留在辐照实验前的数量级。

从图8 还可以看出，未编程单元在5V偏置下，在总剂量0.8Mrad(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 1.4M rad (Si)及 2M rad(Si)时没有再增加，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0V/5V偏置下电阻变化

图9给出了编程单元电阻在不同剂量辐照下的电阻变化。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100Ω，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10Ω。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。

图9 编程单元电阻变化

5 结论

本文研究了 0.35μmCMOS 工艺MTM反熔丝单元的漏电和击穿特性，随着温度增加MTM反熔丝的漏电会变大，同时击穿电压变小。对MTM反熔丝单元进行编程特性研究，结果表明，在满足最低编程电压的条件下，编程电流决定编程电阻的大小，编程电流越大，编程电阻越小，编程电阻离散性越小。编程电流小于 6.5mA 时，编程电阻急剧增大，因此，为了使编程电阻小于 100Ω，并保证编程电阻良好的一致性，编程电流通常在 10mA左右，可以得到 80Ω 左右的编程电阻。同时对未编程单元和编程单元进行（TID）总剂量实验，验证了MTM反熔丝单元具备对 TID 的免疫特性，可以广泛应用于军事、航天、航空等领域。

[1]Rezgui Sana，Wang J J，Sun Yinming，et al.SET characterization and mitigation in RTAX-S antifuse FPGAs [C].Aero Conf IEEE，2009:1.

[2]G Zhang,C Hu,Y SChiang,SEltoukhy,and EHamdy.An Electro-thermal Model for Metal-Oxide-Metal Antifuse[J]. IEEE trans Electron Decives,1995:1548-1558.

[3]Chih-Ching Shih,Roy Lambertson,Frank Haw ley,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.

[4]M cCollμm John.ASIC versus antifuseFPGAreliability[C]. Aero Conf IEEE，2009:1.

Characterization ofAH ighly Reliab le M etal-to-M etal Antifuse for OTP Unit

XU Haim ing,WANG Yinquan,ZHENG Ruocheng,HONG Genshen
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214072,China）

In the paper,electrical characteristics ofAnew Metal-to-Metal antifuse structure is studied.The characteristics of unprogrammed antifuse leakage,breakdown and programming are significant to programming currentdesign and provide reference for standardssetting.

antifuse;programmed;OTP;MTM