潘福躍，張明新，曹利超，劉佰清，洪根深，張海良，劉國柱,2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072；2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096）

1 引言

目前，反熔絲技術(shù)在計(jì)算機(jī)、通信、汽車、衛(wèi)星以及航空航天等領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用。因反熔絲器件表現(xiàn)出的高開關(guān)比、高可靠性、抗輻射等優(yōu)異特性，反熔絲技術(shù)一直成為集成電路設(shè)計(jì)者和制造商的關(guān)注焦點(diǎn)。ONO(Oxide-Nitride-Oxide)反熔絲的組成、結(jié)構(gòu)和可靠性等特性已被廣泛地研究[1-2,4-6]，并被應(yīng)用于空間環(huán)境的抗輻射非易失性存儲(chǔ)器或可編程陣列邏輯器件中，如PROM(Programmable Read Only Memory)、PAL(Programmable Array Logic)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等[1-7]。美國Actel公司是ONO反熔絲FPGA技術(shù)的開拓者，具有0.6μm、0.8μm、1.0μm等一系列成熟產(chǎn)品，典型產(chǎn)品如ACT1、ACT2、ACT3等，以及加固器件如RH1020/1280等[1-10]。我國反熔絲集成電路發(fā)展?jié)u趨成熟，如中國電科47所、中國電科58所、電子科技大學(xué)、航天771所等都有研究。

ONO反熔絲器件與CMOS工藝兼容，其ONO介質(zhì)層位于摻雜的多晶硅導(dǎo)體和硅基襯底的重?fù)诫sN擴(kuò)散區(qū)之間。編程之前，反熔絲單元往往表現(xiàn)出非常高的電阻（通常大于1 MΩ），在高電壓或電流應(yīng)力下，編程后的反熔絲單元阻抗可以降低到1000Ω以下[1-5]，其優(yōu)點(diǎn)眾多，如高密度、高可靠性、高抗輻射性能[總劑量輻照達(dá)1.5 Mrad（Si）]等。同時(shí)，反熔絲技術(shù)還具有布線能力強(qiáng)、系統(tǒng)速度快、耐高低溫、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1-10]。本文基于0.6μm CMOS工藝研究了“ONO反熔絲（AF）”與“MOS器件”集成先后順序?qū)Ψ慈劢z器件特性的影響，即“AF+MOS”和“MOS+AF”兩種集成方法。首先，研究了ONO反熔絲陣列單元的編程特性、編程電阻與編程電流和時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)，對(duì)“1反熔絲+2MOS管”（AF1+2MOS）和“2反熔絲+3MOS管”（AF1+AF2+3MOS）兩種典型編程通路進(jìn)行特征化表征，最后考察了未編程和編程后反熔絲單元分別在電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力條件下的可靠性。

2 ONO反熔絲器件基本結(jié)構(gòu)

ONO反熔絲單元主要由上、下極板和ONO介質(zhì)層組成，其中上極板是N型重?fù)诫s的多晶硅，下極板是基于P型襯底上形成的N+擴(kuò)散區(qū)，以及上下電極之間的ONO介質(zhì)層[1-2]。ONO介質(zhì)層主要由底部SiO2隧道氧化層、中間Si3N4夾層、頂層SiO2層構(gòu)成，其ONO復(fù)合膜層質(zhì)量的好壞直接影響到反熔絲擊穿特性、編程特性及可靠性，ONO反熔絲單元具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在未編程時(shí)，反熔絲單元表現(xiàn)出高阻狀態(tài)，可高達(dá)1010Ω，在上下電極間加上合適電壓編程后，反熔絲表現(xiàn)出良好的歐姆電阻特性。

圖1 ONO反熔絲單元結(jié)構(gòu)

3 工藝集成和表征方法

3.1 工藝集成方法

本文基于0.6μm CMOS工藝，研究了“AF+MOS”和“MOS+AF”兩種集成方法制備ONO反熔絲器件的編程特性，其中，“AF+MOS”為先集成ONO反熔絲（AF）再集成CMOS器件（MOS）；“MOS+AF”為先集成CMOS器件（MOS）再集成ONO反熔絲（AF），其工藝集成方法和器件縱向結(jié)構(gòu)如圖2所示。ONO反熔絲制備過程為：(1)在硅基襯底上制作有源區(qū)，并熱氧化生長場(chǎng)氧；(2)采用離子注入和退火方式形成ONO反熔絲單元的下極板N+擴(kuò)散區(qū)；(3)生長ONO介質(zhì)層；(4)采用離子注入退化或POCL3摻雜的多晶層作為ONO的上極板。

圖2 ONO反熔絲結(jié)構(gòu)

3.2 ONO反熔絲表征方法

3.2.1 反熔絲單元

本文采用電流-電壓（I-V）法研究不同陣列規(guī)模的ONO反熔絲器件擊穿特性，并采用電壓脈沖方式和限流電阻R研究了不同的編程電流對(duì)導(dǎo)通電阻的影響，具體編程通路和電壓脈沖示意圖如圖3所示，其中，編程電壓Vpp=19.7 V，編程峰值脈沖寬度tpulse=307μs。同時(shí)基于經(jīng)時(shí)擊穿（Time-Dependent-Dielectric-Breakdown，TDDB）方式和E模型推算未編程態(tài)反熔絲單元在工作電壓5 V條件下的壽命，考察未編程和編程后反熔絲單元分別在電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力條件下的可靠性。

圖3 ONO反熔絲單元

3.2.2反熔絲編程通路

本文針對(duì)可編程電路實(shí)際應(yīng)用，采用了兩種編程通路對(duì)ONO反熔絲進(jìn)行特征化表征。圖4(a)為“AF1+2MOS”編程通路，當(dāng)Vc=21 V時(shí)打開MOS1和MOS2，在Vpp端口增加上述的編程脈沖電壓，GND端口接OV，實(shí)現(xiàn)對(duì)AF1進(jìn)行編程，再測(cè)試整個(gè)通路的ID-VD特征曲線。圖4(b)為“AF1+AF2+3MOS”編程通路，首先對(duì)AF1編程單元進(jìn)行特征化，AF1的具體編程條件為VC1、VC2加21 V電壓打開MOS1、MOS2和MOS3管，再對(duì)Vpp端口加載編程電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)AF1進(jìn)行編程，再測(cè)試整個(gè)通路ID-VD特征曲線；其次，對(duì)AF2編程單元進(jìn)行特征化，AF2的具體編程條件為VC1加21 V電壓打開MOS1和MOS3管，再對(duì)Vpp端口加載編程電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)AF2進(jìn)行編程，再測(cè)試整個(gè)通路ID-VD特征曲線。

圖4 ONO反熔絲器件兩種編程通路結(jié)構(gòu)

4 分析與討論

4.1 不同ONO反熔絲陣列擊穿特性

研究了“AF+MOS”和“MOS+AF”兩種集成方法制備不同規(guī)模陣列的ONO反熔絲擊穿特性及其離散性，具體特性如圖5、6所示。研究發(fā)現(xiàn)，隨著陣列中ONO反熔絲單元的數(shù)量增加，陣列的平均擊穿電壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1k陣列較單個(gè)反熔絲單元降低約1.5 V，其主要原因?yàn)镺NO反熔絲陣列數(shù)量的增大導(dǎo)致所含有的缺陷數(shù)量增加；同時(shí)，在“AF+MOS”的工藝條件下反熔絲陣列的擊穿電壓比“MOS+AF”工藝條件下的擊穿電壓高約0.3～0.5 V，推測(cè)其根源為MOS器件的熱過程影響；另外，在“MOS+AF”工藝條件下反熔絲陣列的擊穿電壓離散性優(yōu)于“AF+MOS”工藝，但兩種工藝的擊穿電壓均勻性均小于5%。因此，從ONO反熔絲擊穿特性及離散性分析可知，“MOS+AF”工藝條件較優(yōu)。

圖5 兩種工藝條件下的反熔絲陣列的擊穿電壓特性

4.2 導(dǎo)通電阻與編程電流/時(shí)間的關(guān)系

基于上述“MOS+AF”工藝條件ONO反熔絲器件，研究了反熔絲單元的導(dǎo)通電阻與編程電流的關(guān)系，如圖7(a)所示。當(dāng)編程電流增加時(shí)，反熔絲的導(dǎo)通電阻會(huì)逐漸減小，當(dāng)編程電流大于5 mA時(shí)，導(dǎo)通電阻小于200Ω。同時(shí)，采用不同的限流電阻對(duì)ONO反熔絲編程單元進(jìn)行編程（最大編程電流分別為2 mA、10 mA），其導(dǎo)通電阻分布如圖7(b)所示，從圖中可以看出，當(dāng)編程電流為2 mA時(shí)，ONO反熔絲單元器件的導(dǎo)通電阻主要集中在200～400Ω之間，而當(dāng)編程電流增加到10 mA時(shí)，反熔絲單元的導(dǎo)通電阻集中在200Ω左右。

圖7 0.6μm ONO反熔絲單元編程特性

其次，通過在ONO反熔絲單元上極板或下極板上外接等值的限流電阻，改變編程時(shí)間tpp（脈沖數(shù)），研究ONO反熔絲單元的導(dǎo)通電阻隨編程時(shí)間的關(guān)系（改變脈沖數(shù)，單個(gè)脈沖為3.07×10-4s，編程電壓為19.7 V），其關(guān)系特性如圖8所示，當(dāng)編程電流大于0.75 mA時(shí)，ONO反熔絲導(dǎo)通電阻基本不隨編程時(shí)間變化。

圖6 ONO反熔絲擊穿電壓離散性

圖8 ONO反熔絲單元導(dǎo)通電阻與編程時(shí)間的關(guān)系

4.3 特征化表征

基于上述“MOS+AF”工藝條件的ONO反熔絲器件，進(jìn)一步研究了在可編程邏輯電路中典型編程通路的編程特性。本文選擇了“1反熔絲+2MOS管”（AF1+2MOS）以及“2反熔絲+3MOS管”（AF1+AF2+3MOS）兩種結(jié)構(gòu)，對(duì)編程通路ONO反熔絲特性進(jìn)行特征化分析，具體特性如圖9所示，其中MOS器件選擇了不同寬長比（W/L=5μm/1.4μm，W/L=120μm/1.4μm）的兩種結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出了良好的MOS器件輸出特性，當(dāng)W/L>30μm/1.4μm時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的反熔絲通路的驅(qū)動(dòng)能力均可以大于1 mA。圖10給出了不同W/L尺寸HVNMOS管組成的ONO反熔絲編程通路的驅(qū)動(dòng)電流變化曲線，“AF1+2MOS”編程通路的驅(qū)動(dòng)電流大于“AF1+AF2+3MOS”編程通路的驅(qū)動(dòng)電流，且隨著W的增加，編程通路的驅(qū)動(dòng)電流逐漸增大。

圖9 ONO反熔絲特征化表征

圖10 ONO反熔絲編程通路的驅(qū)動(dòng)電流與HVNMOS管W之間的關(guān)系

4.4 編程態(tài)應(yīng)力試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述的“MOS+AF”工藝條件ONO反熔絲器件在編程后的可靠性，選取開爾文結(jié)構(gòu)的ONO反熔絲單元，對(duì)0.6μm ONO反熔絲單元進(jìn)行編程后的可靠性測(cè)試。對(duì)反熔絲單元進(jìn)行未編程時(shí)TDDB壽命分析，得到0.6μm反熔絲單元在高溫（125℃）時(shí)不同電壓應(yīng)力條件下的Weibull分布，結(jié)果如圖11所示，由器件壽命的Weibull分布得到器件在高溫條件下壽命的中位數(shù)。根據(jù)TDDB壽命E-Model預(yù)測(cè)模型得到0.6μm ONO反熔絲單元器件在高溫下的壽命曲線，推算該反熔絲單元在工作電壓5.5 V條件下的壽命約為36年。再對(duì)該種ONO反熔絲進(jìn)行編程，在反熔絲器件上加恒定電流應(yīng)力條件，通過監(jiān)控反熔絲單元結(jié)構(gòu)電壓的變化來衡量ONO反熔絲單元編程電阻的變化。在室溫條件下，選取8 mA的恒定電流應(yīng)力條件，對(duì)兩個(gè)反熔絲單元進(jìn)行編程后的可靠性測(cè)試。

圖11 0.6μm ONO反熔絲單元未編程器件高溫可靠性

圖12給出了反熔絲單元結(jié)構(gòu)編程后的可靠性測(cè)試結(jié)果。由ONO反熔絲單元編程后的可靠性結(jié)果可以看出，17天后兩個(gè)反熔絲單元的電阻無明顯變化，證明反熔絲單元編程后的可靠性良好。此外，反熔絲單元電阻在15天時(shí)會(huì)急劇減小，原因可能是在長時(shí)間的可靠性測(cè)試過程中探針與反熔絲電極表面的鋁相互氧化導(dǎo)致電阻增加（大電流應(yīng)力條件下），當(dāng)探針發(fā)生移動(dòng)時(shí)，反熔絲單元的電阻會(huì)急劇減小。

圖12 ONO反熔絲單元器件的導(dǎo)通電阻與應(yīng)力電流時(shí)間之間的關(guān)系

5 結(jié)論

基于0.6μm反熔絲CMOS工藝，研究反熔絲單元和陣列的擊穿特性及其離散性，并通過在反熔絲單元的上下極板上串聯(lián)限流電阻來研究導(dǎo)通電流與編程電阻的關(guān)系，同時(shí)，采用典型的編程單元研究其整個(gè)通路的輸出特性（驅(qū)動(dòng)能力），最后對(duì)編程后ONO反熔絲單元器件進(jìn)行高溫電流應(yīng)力試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)：1）“MOS+AF”工藝條件制備的ONO反熔絲器件擊穿電壓一致性較優(yōu)；2）反熔絲陣列單元隨著熔絲單元數(shù)的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，1k陣列較單個(gè)反熔絲單元降低約1.5 V，其主要原因?yàn)镺NO反熔絲陣列數(shù)量的增大導(dǎo)致所含有的缺陷數(shù)量增加；3）當(dāng)編程電流大于5 mA時(shí)，ONO反熔絲單元的編程電阻小于200Ω；當(dāng)編程電流大于0.75 mA時(shí)，其反熔絲單元在10000個(gè)編程脈沖時(shí)間內(nèi)，熔絲電阻值基本恒定；4）兩種結(jié)構(gòu)編程通路ONO反熔絲特性均表現(xiàn)出了良好的MOS器件輸出特性，當(dāng)W/L>30μm/1μm時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的反熔絲通路的驅(qū)動(dòng)能力均大于1 mA；5）基于E模型，未編程的反熔絲單元在工作電壓5.5 V和溫度125℃條件下的壽命約為36年；6）編程后ONO反熔絲器件具有良好的壽命特性。