ONO反熔絲器件可編程特性研究

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，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間的關(guān)系，同時，對“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，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。同時基于經(jīng)時擊穿（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

本文針對可編程電路實(shí)際應(yīng)用，采用了兩種編程通路對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AF1進(jìn)行編程，再測試整個通路的ID-VD特征曲線。圖4(b)為“AF1+AF2+3MOS”編程通路，首先對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Vpp端口加載編程電壓，實(shí)現(xiàn)對AF1進(jìn)行編程，再測試整個通路ID-VD特征曲線；其次，對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Vpp端口加載編程電壓，實(shí)現(xiàn)對AF2進(jìn)行編程，再測試整個通路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，1k陣列較單個反熔絲單元降低約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，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，反熔絲的導(dǎo)通電阻會逐漸減小，當(dāng)編程電流大于5 mA時，導(dǎo)通電阻小于200Ω。同時，采用不同的限流電阻對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，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，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，改變編程時間tpp（脈沖數(shù)），研究ONO反熔絲單元的導(dǎo)通電阻隨編程時間的關(guān)系（改變脈沖數(shù)，單個脈沖為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，ONO反熔絲導(dǎo)通電阻基本不隨編程時間變化。

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，兩種結(jié)構(gòu)的反熔絲通路的驅(qū)動能力均可以大于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)動電流變化曲線，“AF1+2MOS”編程通路的驅(qū)動電流大于“AF1+AF2+3MOS”編程通路的驅(qū)動電流，且隨著W的增加，編程通路的驅(qū)動電流逐漸增大。

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0.6μm ONO反熔絲單元進(jìn)行編程后的可靠性測試。對反熔絲單元進(jìn)行未編程時TDDB壽命分析，得到0.6μm反熔絲單元在高溫（125℃）時不同電壓應(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，對兩個反熔絲單元進(jìn)行編程后的可靠性測試。

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天時會急劇減小，原因可能是在長時間的可靠性測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)生移動時，反熔絲單元的電阻會急劇減小。

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，采用典型的編程單元研究其整個通路的輸出特性（驅(qū)動能力），最后對編程后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，1k陣列較單個反熔絲單元降低約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，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，其反熔絲單元在10000個編程脈沖時間內(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，兩種結(jié)構(gòu)的反熔絲通路的驅(qū)動能力均大于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。