MTM反熔丝器件编程单元的空间应用适应性评估

王亚男，王文炎，李鹏伟，梅博，洪根深



MTM反熔丝器件编程单元的空间应用适应性评估

王亚男1，王文炎1，李鹏伟1，梅博1，洪根深2

（1. 中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2. 中国电子科技集团公司第58研究所，无锡 214072）

文章结合航天应用空间环境要求以及MTM反熔丝器件的特点，对MTM反熔丝器件编程单元的航天应用特性进行了分析，提出了MTM反熔丝单元的可靠性评估方法，并对MTM反熔丝单元编程前后的可靠性进行了评估；从抗总剂量和抗单粒子效应两方面对MTM反熔丝器件的空间环境适应性进行试验验证。结果表明：MTM反熔丝工艺满足空间环境应用需要，采用该工艺的器件应用于航天器具有较高的可靠性和空间环境适应性。

MTM；反熔丝器件；空间应用；可靠性评估；空间环境适应性

0 引言

反熔丝技术具有单元小、工作频率高、保密性好、非易失性等优点，被广泛用于电子系统的存储和高速现场可编程器件中[1-3]。目前，主要的反熔丝技术有栅氧化层反熔丝、MTM（Metal to Metal）反熔丝和ONO（氧化物-氮化物-氧化物）反熔丝[4-5]。与栅氧化层反熔丝结构相比，MTM反熔丝结构在编程后电阻分布一致性更好；与ONO反熔丝相比，MTM反熔丝工艺尺寸更小、集成度更高，因此MTM反熔丝工艺被应用于大规模的集成电路制造中[6]，例如非易失性一次可编程存储器（PROM）及可编程逻辑控制器件（FPGA）。由于MTM反熔丝单元的辐射敏感度较低，将MTM反熔丝技术运用到器件中，可制作出高可靠性、抗辐射的PROM和FPGA，在空间应用领域具有极大的实用价值。

为验证MTM反熔丝器件编程单元的空间应用适应性，获得其可靠性和耐空间辐射能力的数据，本文系统地开展了MTM反熔丝单元的可靠性及抗辐射能力等空间环境适应性的评估研究。

1 MTM反熔丝结构特性分析

MTM反熔丝通常是一种“三明治”结构，在两层金属中间沉积反熔丝材料而形成[7]。MTM反熔丝结构应用于存储单元的结构如图1所示：编程前反熔丝结构（AF1和AF2）处于高阻状态，电阻值为几百MΩ，存储单元读出数据为0；编程后反熔丝结构（AF1和AF2）处于导通状态，电阻值为几十Ω，存储单元读出数据为1。

MTM反熔丝单元编程时，通过在上下金属极板间加偏置电压使得反熔丝介质中产生极细通道的电流，在一定时间之后，电流在高阻下产生的热量使得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，因此，编程后单元由高阻变为低阻[8]。MTM反熔丝结构在编程前后的截面SEM如图2所示，可以看出编程后在反熔丝结构的上下电极之间形成了物理连接。

图2 MTM反熔丝编程前后结构SEM图比对

2 MTM反熔丝结构可靠性评估方法

未编程的反熔丝元件的可靠性主要取决于反熔丝介质高阻态的稳定性，编程后其可靠性主要取决于编程形成的导电通路的稳定性。因此，对MTM反熔丝结构的可靠性进行评估时需要分别对未编程和编程后的2种状态进行评价。

评价过程如下：首先进行常态测试筛选；然后选择加速应力条件进行应力循环试验并展开中间测试，测试过程中记录参数变化数据；根据数据进行失效判断，若没有失效则继续增加应力时间重复此项试验直至发生失效；单元失效时停止试验并记录该应力下数值；结合未编程和编程后2种状态下的失效数据进行统计分析可以得到工作条件下单元的寿命预估。具体的可靠性评估流程如图3所示。其中，对未编程和编程后2种状态评估的不同之处在于选择的加速应力条件不同，未编程单元的加速应力条件为电压和温度，编程后单元的加速应力条件为电流和温度。

图3 MTM反熔丝单元可靠性评估流程

3 MTM反熔丝单元可靠性评估

3.1 未编程MTM反熔丝单元的可靠性评估

未编程反熔丝介质失效的应力加速因子包括电场应力和环境温度应力。介质稳定性寿命与电场加速应力的关系符合E或1/E模型，与温度加速应力的关系符合热激活能指数关系。因此，未编程反熔丝结构的可靠性可用失效时间（Time-To-Failure, TTF）表示为[9]：

E模型

TTF=exp(-)exp(a/B)； (1)

或1/E模型

TTF=exp(/)exp(a/B)。 (2)

其中：为常数；和为电场系数；a为材料热激活能；B为玻耳兹曼常数。模型前部反映电场加速效应，后部反映温度加速效应。可以分别通过电压和温度加速寿命试验确定模型参数、和a。

E模型和1/E模型均能在一定电场强度范围内较好地拟合实验数据，E模型考虑了介质击穿过程中电场的作用，在低电场范围对实验数据拟合较好，模型简单、物理机制明确，但是忽略了介质层中载流子对缺陷的产生和击穿的影响；而高电场下隧穿电流成分明显，隧穿电流与电场1/相关，因此，与E模型相反，1/E模型在高电场范围对实验数据拟合较好。可见，对反熔丝单元进行评估时采用E模型还是1/E模型，与反熔丝单元工作时的电场有关，一般如果无法区分是高电场还是低电场，则对2种模型都进行评估。

以某型号MTM反熔丝型存储器存储单元的可靠性评估为例，在MTM反熔丝上下极板间分别施加5.0、5.2和5.4V的加速电应力，在不同的加速应力施加时间下，分别读取受测试单元在1.98、2.75、3.0、3.3和3.63V电压下的漏电流，结果如图4所示。

以漏电流leak@3.3V≥50nA为失效判据，将上述测试结果进行拟合得到威布尔分布。当读取电压为3.3V时，不同加速电应力条件下，反熔丝单元的失效概率如图5所示。

图5 未编程反熔丝单元在各加速电应力条件下的失效概率

根据上述试验结果，选取中值寿命点，拟合得到式(1)和式(2)中的参数和分别为2.253和60.8441。计算得到反熔丝单元的寿命随电应力的变化关系如图6所示，当工作电压为3.3V时，常温下反熔丝单元的寿命均大于20年。

图6 未编程反熔丝单元的失效时间拟合

3.2 编程后MTM反熔丝单元的可靠性评估

编程后反熔丝单元的失效由施加的电流应力引起，失效机制包括：电迁移失效机制和热激活能相关的材料退化机制。编程后反熔丝寿命模型，即失效时间与加速电流应力和环境温度符合以下关系[10]：

其中：s为加速应力电流；为电迁移Black方程电流密度指数，一般取值为2；a为环境温度；co为编程过程中的反应温度；p为反熔丝编程电流。模型前半部分反映的是电迁移退化失效机制，后半部分反映的是与热激活能相关的材料退化机制。

以电阻增大超过10%为失效判据，各加速电流应力条件下失效时间结果分布如图7所示，根据上述寿命模型拟合的结果如图8所示。

根据试验结果，编程后反熔丝寿命是应力电流与编程电流比值（s/p）的函数，即在固定编程电流条件下，编程后反熔丝寿命与工作应力电流密切相关。对于上述10mA编程的反熔丝：在满足10年寿命的要求下，反熔丝的安全工作电流需控制在6.0mA（60%p）以内；在5mA（p/2）工作电流条件下，编程后反熔丝寿命远大于100年。

图7 编程后反熔丝失效概率（编程电流Ip=10mA）

图8 编程后反熔丝失效时间拟合（编程电流Ip=10mA）

因此，某型号MTM反熔丝型存储器的存储单元在编程前和编程后都具有很高的可靠性。

4 MTM反熔丝单元抗辐射特性评估

航天电子元器件面临着复杂而严苛的辐射环境；对空间环境敏感的微电子器件会产生辐射效应，造成器件的性能变差、功能失效甚至烧毁。空间辐射效应主要分为电离总剂量效应和单粒子效应。本文以某型号的MTM反熔丝型PROM器件为例，分别评估了MTM反熔丝单元的抗电离总剂量效应能力和抗单粒子效应能力。

4.1 抗电离总剂量效应能力评估

待评估器件采用0.18μm的MTM反熔丝单多晶六铝CMOS工艺。按照标准，选取辐射源为60Coγ射线源，剂量率为50rad(Si)/s[11]。选取同批次22只样品进行总剂量试验。试验过程中器件地址端口经电阻上拉至DD，数据端口悬空，电源端口接额定电压，各使能端经电阻下拉至GND。

在辐照至100krad(Si)时，对器件进行测试，其中典型器件的主要性能参数对比见表1。

表1 MTM反熔丝单元辐照前后电特性参数比较

从表1中可以看出，辐照至100krad(Si)，器件的电性能参数相对于辐照前变化很小，均在规范允许值范围内，器件功能性能合格。根据该器件CMOS工艺具有退火效应的特点，对器件继续进行辐照至150krad(Si)后进行加速退火试验，试验温度100℃，试验时间为168h。然后对器件进行电参数测试。经测试所有器件电参数仍然合格，证明MTM反熔丝结构的抗电离总剂量能力超过100krad(Si)。

4.2 抗单粒子效应能力评估

根据待评估器件的功能特点，试验检测其抗单粒子锁定和单粒子翻转的能力。试验时，选取的粒子分别为HI-13串列静电加速器上的Ge离子和HIRFL回旋加速器的Bi离子；LET值分别为37.0和99.8MeV·cm2/mg；在硅中的射程分别为32.8和93.5μm。

4.2.1 抗单粒子锁定

单粒子锁定测试流程如图9所示。对被测器件进行单粒子锁定测试时，电源电压为额定电压正向拉偏10%。通过数字多用表以及程控电源实时监测电源电流并保存。器件的工作电流突然大于设定值（如正常工作电流的1.5倍），并且器件功能异常时，认为器件发生单粒子锁定。当辐照总注量达到1.00×107cm-2或发生1次单粒子锁定时，停止试验。

采用LET值为99.8MeV·cm2/mg的Bi离子辐照器件，在辐照至1.00×107cm-2注量的过程中未发生单粒子锁定效应，表明该器件抗单粒子锁定的LET阈值大于99.8MeV·cm2/mg。

图9 单粒子锁定测试流程

4.2.2 抗单粒子翻转

对被测器件进行单粒子效应测试时，测试系统主要是向被测器件提供运行程序，使其处在工作状态，同时还能监测被测器件对单粒子翻转的敏感性。单粒子翻转测试时，电源电压为额定电压负向拉偏10%。

单粒子翻转测试流程如图10所示。测试过程中被测器件由程控电源单独供电，通过选择辐照器件来控制被测器件工作电源的通断。在试验过程中，首先向被测器件写入测试图形码；然后在器件最大工作频率条件下读取各测试单元中的数据，并与填充码比较，发现错误后再次读取该测试单元中数据，2次均错误则判断是存储单元发生翻转（单粒子翻转），否则判断是外围电路翻转，分别统计本周期内单粒子翻转数、本周期内外围电路翻转数、总的单粒子翻转数和总的外围电路翻转数，将错误数计数通过串口发回上位机，并将发生翻转的存储单元位修改为填充码。若单粒子翻转总数达到100个（或规定值）或离子总注量达到107cm-2（以先到者为准）时，则停止辐照，试验结束。

图10 单粒子翻转测试流程

在辐照至1.00×107cm-2注量的过程中，3只样品共检测到44次单粒子翻转效应，表明该器件抗单粒子翻转的LET阈值小于99.8MeV·cm2/mg；对辐照后的样品进行了单粒子翻转复测，未检测到器件单粒子翻转数据，表明该器件反熔丝单元抗单粒子翻转的LET阈值大于99.8MeV·cm2/mg。采用LET为37.2MeV·cm2/mg的Ge离子辐照器件，在辐照至1.00×107cm-2注量的过程中未发生单粒子翻转效应，表明该器件外围电路抗单粒子翻转的LET阈值大于37.2MeV·cm2/mg。

5 结论

本文系统分析了MTM反熔丝结构的可靠性以及抗辐射能力，该结构编程前后均具有较高可靠性。某型号的MTM反熔丝单元编程前常温下寿命满足20年使用要求，编程后若工作电流控制在编程电流的50%以内，可实现大于100年的使用寿命。器件抗电离总剂量能力大于100krad(Si)，抗单粒子锁定的LET阈值大于99.8MeV·cm2/mg；器件反熔丝单元抗单粒子翻转的LET阈值大于99.8MeV·cm2/mg。以上证明该结构满足空间环境应用需求，MTM反熔丝工艺的器件应用于航天器具有较高的可靠性和较好的空间环境适应性。

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（编辑：冯露漪）

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

王亚男（1986—），女，博士学位，主要从事半导体器件设计制作及应用验证。E-mail: wyn.wgn@163.com。

2017-09-29；

2017-12-01