MTM反熔丝单元的辐照特性研究

王印权，郑若成，徐海铭，吴素贞，洪根深

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

MTM反熔丝单元的辐照特性研究

王印权，郑若成，徐海铭，吴素贞，洪根深

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

对MTM反熔丝单元的总剂量辐照特性进行了研究，对未编程和编程后两种状态的反熔丝单元在不同电压偏置条件下进行总剂量辐照（Co60-γ射线），辐照总剂量为2 Mrad（Si）。辐照试验结果显示，未编程状态下的MTM反熔丝单元的电压-电流特性曲线基本保持不变，漏电流变化率小于10%。编程后反熔丝单元的电阻特性保持不变，并且编程电阻大小对辐照试验结果无显著影响。试验结果表明，MTM反熔丝单元的抗总剂量（Co60-γ射线）辐照能力达到2 Mrad（Si）以上。

MTM；反熔丝；总剂量效应

1 引言

MTM反熔丝单元因其具有尺寸小、集成度高及非挥发性等特点而广泛应用于空间领域，通常应用于制造非易失性存储器（PROM）及可编程逻辑器件（FPGA）。反熔丝单元的特性是在未编程状态下MTM反熔丝单元处于高阻状态（＞100 MΩ），编程过后单元则处于低阻(＜200 Ω)导通状态，由于反熔丝单元在编程后形成的合金化合物材料组成了导电通路，具有非挥发性，在辐照环境下不会出现因反熔丝的逻辑翻转而导致的电路失效现象，因此基于MTM反熔丝技术的可编程存储及逻辑器件常被用于对抗总剂量能力有非常高要求的关键空间应用系统中。

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，由于反熔丝介质材料在一定的编程条件下与阻挡层材料发生反应形成导电的金属化合物，结构示意图如图1(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，单元的编程是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。通过反熔丝通和断的不同状态，形成可编程器件中的逻辑0和1，如图1（b）、（c）所示。

图1 MTM反熔丝单元编程过程

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适用）相比，MTM反熔丝工艺尺寸更小（小于0.6 μm）,集成度更高，因此MTM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工艺上开发的RTAX系列MTM反熔丝FPGA产品，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)。

目前，国内外关于MTM反熔丝的辐照特性和辐照机理的研究非常少，J.M.Benedetto、C.C.Hafe[1]和王栩[2]等人的研究结果表明，未编程反熔丝在辐照环境下，0 V偏置的MTM反熔丝I-V特性不受辐照环境的影响，5.5 V偏置的MTM反熔丝I-V特性影响较大，表现为漏电流由nA量级降低为pA量级，编程电阻小于200 Ω的反熔丝不受辐照环境的影响，即未编程的反熔丝在0 V和5.5 V偏置状态下不可能由0翻转为1，编程的反熔丝也不会因辐照环境而发生翻转，即MTM反熔丝具有天然抗辐照特性。目前，关于MTM反熔丝的抗辐照特性有了较多的研究，但是对于反熔丝的抗辐照机理研究还是空白。

关于MTM单元在总剂量条件下的特性研究较少，对MTM反熔丝单元在总剂量环境下的特性进行研究有助于了解总剂量效应对不同工作状态下MTM反熔丝单元的影响，评估不同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，计划通过对不同状态的MTM反熔丝单元进行总剂量实验，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。

2 试验与分析

研究MTM反熔丝单元的总剂量特性，模拟可编程器件的实际应用环境，通过对未编程和编程后的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。

本文针对不同状态的MTM反熔丝在不同偏置条件下在辐照环境中的特性变化，解释反熔丝抗辐照机理和在辐照环境下反熔丝特性变化的原因。基于此，设计了以下实验。

表1 MTM反熔丝辐照试验条件

辐照试验采用中科院上海应用物理研究所的Co60-γ射线源，辐照剂量率为200 rad(Si)/s；并采用西北核技术研究所的Co60-γ射线源对试验结果进行验证，辐照剂量率为200 rad（Si）/s。

本文采用的试验样本为MTM反熔丝单元，单元面积为1.96 μm2，反熔丝单元特性如图2所示，每种试验条件的样本数不少于10个。

2.1 未编程反熔丝单元在不同电应力偏置条件下的辐照特性

通过对MTM反熔丝单元可靠性的研究，MTM反熔丝单元在低于击穿场强的电应力作用下，随着应力时间的增长，MTM反熔丝单元不会因电应力而导致击穿现象的发生，只表现为反熔丝单元漏电流的增加。因此，在辐照环境下，我们只研究MTM反熔丝单元在低于击穿场强的电应力下，在辐照环境中的电特性变化。为了研究在辐照环境下反熔丝的电特性是否受偏置电压的影响，分别设计了反熔丝单元在0V、3.0V、5.5 V 3个偏置电压下的辐照特性，辐照剂量率为200 rad（Si）/s以上，辐照总剂量为2 M rad（Si）。

对于MTM反熔丝在3.0 V和5.5 V偏置条件下，为避免因偏置应力导致反熔丝特性的变化，在非辐照环境下对MTM反熔丝在5.5 V电压下进行2000 s的应力实验，确认反熔丝漏电流变化是否是由偏置电压引起。结果表明，在非辐射环境中，5.5 V的偏置电压在2000 s时间内仅仅引起了反熔丝漏电流1%的变化，特性变化可以忽略。

图2 MTM反熔丝单元特性

2.1.1 未编程反熔丝单元在0 V偏置状态下的辐照特性

在辐照试验过程中，通过电流表监控反熔丝单元在辐照环境下的电流变化，发现0 V偏置状态下的反熔丝单元没有电流出现，表明辐照过程中没有反熔丝单元因为辐照环境的影响导致反熔丝击穿的现象发生。在辐照试验过程中，分别监控了1 M和2 M辐照剂量点时的反熔丝特性。结果如图3所示。图3（a）为辐照前后反熔丝单元I-V特性的变化对比，图3（b）为辐照前后反熔丝单元在5.5 V电压下的漏电流变化。

图3 未编程MTM反熔丝单元在0 V偏置电压下辐照前后的特性变化

通过对比，反熔丝特性曲线无显著变化。对比反熔丝单元在5.5 V电压下的漏电流时发现，在辐照剂量点1 M～2 M之间，MTM反熔丝单元在5 V电压下的漏电流有5%的增大，随着辐照剂量的增加，反熔丝单元的漏电流稳定，没有出现变化。分析认为，反熔丝单元在0 V偏置状态下反熔丝特性不受辐照环境的影响。反熔丝单元漏电流在0～1 M总剂量点之间出现漏电流增大的现象，原因可能是在高能γ射线的照射下，反熔丝介质膜层中的弱键断裂导致悬挂键密度增大，漏电流增大。由于没有电压应力偏置，γ射线的能量仅能使很小一部分的弱键断裂，因此辐照剂量点大于1 M后，反熔丝单元的漏电流没有继续增大。

2.1.2 未编程反熔丝单元在3.0 V电压下的辐照特性

研究了反熔丝单元在电压应力偏置情况下的辐照特性。反熔丝单元在辐照过程中的应力电压设计为3.0 V，同时监控反熔丝单元在应力电压下的漏电流变化，并确认在有偏置的应力条件下，反熔丝单元没有在辐照过程中出现击穿导致的失效现象发生。图4为反熔丝单元在3.0 V偏置电压下，总剂量辐照至2 M rad（Si）的特性变化。为了更全面地监控反熔丝单元的辐照特性，在辐照过程中增加了两次反熔丝特性测试，用于更加精确地了解反熔丝单元的特性变化。

图4 未编程MTM反熔丝单元在3.0 V偏置电压下辐照前后的特性变化

通过对辐照前后和辐照过程中的反熔丝特性进行对比，MTM反熔丝单元在0～150 k rad（Si）总剂量辐照过程中，部分反熔丝单元的漏电流没有发生变化，少部分的反熔丝单元漏电流平均增大幅度不大于2%；辐照总剂量为750k时，反熔丝单元的漏电流全部增大，平均增大幅度6%；辐照总剂量为2 M时，反熔丝单元漏电流的相对增大幅度仍然不超过10%。分析认为，在3.0 V电压应力下，在辐照环境下反熔丝单元的漏电流增加的主要原因为高能光子导致反熔丝介质层中弱键断裂，从而使悬挂键密度增大，进而导致反熔丝漏电流增大。而反熔丝单元漏电流增大幅度较0 V偏置状态下大，分析原因可能是电场与高能光子的综合作用，共同加速了反熔丝介质层中的弱键断裂，并且由于电场的存在，降低了弱键断裂所需的能量阈值，增加了反熔丝的漏电流。

2.1.3 未编程反熔丝单元在5.5 V偏置电压下的辐照特性

继而研究了未编程反熔丝单元在5.5 V偏置电压下的辐照特性，同时监控反熔丝单元在应力电压下的漏电流变化，并确认在有偏置应力条件下，反熔丝单元没有在辐照过程中出现击穿导致的失效现象发生。图5为反熔丝单元在5.5 V偏置电压下总剂量辐照至2 M rad（Si）的特性变化，证明反熔丝单元辐照特性受电场应力的影响。

图5 未编程MTM反熔丝单元在5.5 V偏置电压下辐照前后的特性变化

通过图3、4、5可以看出，随着反熔丝单元的电压偏置应力的增大，在相同辐照总剂量条件下，反熔丝单元的漏电流增大速率显著增加。在5.5 V偏置应力下，反熔丝单元的漏电流增大30%～40%。另外，通过单一电场应力的可靠性测试对比，反熔丝单元在5.5 V电压应力下漏电流增大幅度小于5%，进一步说明了电场作用有强化辐照环境对反熔丝介质膜层特性的影响。分析认为，电场作用越强，反熔丝介质层中的弱键在辐照环境下越容易断裂。

通过未编程反熔丝的辐照特性研究，反熔丝单元在5.5 V电应力偏置条件下仍然可以通过2 Mrad（Si）的总剂量辐照，说明了MTM反熔丝单元的天然抗总剂量能力。

为了研究未编程反熔丝在经过辐照后反熔丝的击穿特性和编程特性是否改变，进行了以下实验，对辐照后的反熔丝进行I-V特性测试，1 mA限流测试反熔丝的击穿电压，结果表明反熔丝击穿电压与未经过辐照的击穿电压基本一致。对反熔丝进行编程，编程结果显示反熔丝电阻小于100 Ω，与未经过辐照的反熔丝编程电阻无显著差异。

通过以上辐照试验研究，分析了未编程条件下反熔丝单元在辐照环境里的漏电流增大原因。反熔丝介质层材料的电子结合能大于γ射线的电离能，在不加偏置电压的情况下，γ射线不足以引起反熔丝介质层材料共价键的断裂，从而导致反熔丝单元漏电流的增大。在增加偏置电压的条件下，由于电场的加速和γ射线的共同作用，反熔丝介质层材料中弱的共价键出现断裂，引起了漏电流增大。

2.2 编程后MTM反熔丝单元在不同偏置条件下的辐照特性

研究了编程后MTM反熔丝单元受辐照环境的影响，并研究反熔丝在不同偏置条件下和不同编程电流条件下的辐照特性。

2.2.1 10 mA编程的MTM反熔丝辐照特性

通过对MTM反熔丝单元进行编程特性的研究，确定了MTM反熔丝编程电阻受编程电流大小的影响最为显著，随着编程电流的增大，反熔丝编程电阻逐渐减小，反熔丝单元在10 mA编程电流下的编程电阻均值为70 Ω，呈正态分布在50～100 Ω范围内。本节研究了MTM反熔丝单元在10 mA编程电流条件下的辐照特性，如图6所示。

在工作条件下，由于反熔丝器件中的反熔丝单元会有不同方向的电流通过，因此分别研究了电流应力偏置在反熔丝上电极（图6（a））和反熔丝下电极（图6（b））的辐照特性差异。从图6可以看出，经过2 Mrad（Si）的总剂量辐照后，编程后的反熔丝单元电阻特性没有显著变化，并且电流应力偏置在上电极和下电极的反熔丝电阻特性也无显著差异，说明了编程后反熔丝单元不受辐照环境的影响，不受电流应力方向的影响，抗总剂量能力大于2 Mrad（Si）。

图6 10 mA电流编程的MTM反熔丝在2 mA电流偏置下辐照前后电阻变化情况

2.2.2 2 mA电流编程的MTM反熔丝辐照特性

为了研究在电路编程过程中出现编程状态不良的反熔丝单元是否受总剂量辐照的影响，对反熔丝单元进行了2 mA编程电流的编程，编程电阻呈weibull分布，电阻均值为540 Ω左右，反熔丝电阻最小值大于300 Ω。本节研究了MTM反熔丝单元在2 mA编程电流条件下的辐照特性，如图7所示。

从图7可以看出，经过2 Mrad（Si）的总剂量辐照后，编程后反熔丝单元电阻特性没有显著变化，并且电流应力偏置在上电极和下电极的反熔丝电阻特性也无显著差异，说明了编程后反熔丝单元不受辐照环境的影响，具有天然的抗辐射特性。

图7 2 mA电流编程的MTM反熔丝单元在0.2 V偏置电压下辐照前后电阻变化情况

分析认为，编程状态的反熔丝单元，由于编程反熔丝的导电通路为合金材料，合金材料的结合能远远大于γ射线的电离能，编程后反熔丝介质层的电场强度非常小，反熔丝导电通路材料基本不受辐照环境的影响，反熔丝电阻稳定。

3 结论

通过中科院物理研究所和西北核试验研究所的两个辐照源共3次辐照试验验证，反熔丝单元在辐照环境下的辐照特性一致，结论如下：

未编程反熔丝在0 V偏置条件下，电学特性和编程特性不受辐照环境的影响，未编程反熔丝在3.0 V和5.5 V偏置条件下，反熔丝漏电流增大，偏置电压越高，反熔丝漏电越大。已编程反熔丝在不同偏置条件下，反熔丝电阻不受辐照环境影响，具有天然的抗总剂量辐照特性。

[1]J M Benedetto,C C Hafer.Ionizing radiation response of an amorphous silicon based antifuse[C].IEEE Radiation Effects Data Workshop,1997.

[2]王栩，郑若成，徐海铭.MTM反熔丝单元的总剂量效应研究[J].电子与封装，2015，15(6)：35-38.

TID Effect on MTM Anti-fuse Cell

WANG Yinquan,ZHENG Ruocheng,XU Haiming,WU Suzhen,HONG Genshen

（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214072,China）

The paper studies the TID effect of MTM antifuse cell.Different voltage bias are applied on the un-programmed and programmed MTM antifuse cells in the TID environment with total ion dose up to 2 Mrad(Si).The experiment result shows that TID radiation has no marked effect on the unprogrammed antifuse.The I-V curve remains stable with leakage current change rate less than 10%.The resistance value of programmed antifuse remains unchanged.TID radiation's influence on the different resistance value is not noticeable.The TID irradiation of MTM anti-fuse cell reaches 2 Mrad(Si).

MTM;antifuse;total ion dose

TN307

A

1681-1070（2017）04-0034-05

王印权（1986—），男，河南省鲁山县人，毕业于西北工业大学材料专业，2013年获得工学硕士学位，工程师，现就职于中国电子科技集团公司第58研究所，主要从事微电子领域中MTM反熔丝工艺及可靠性研究工作。

2016-11-23