新型反熔絲器件及抗總劑量輻射PROM的研究與實現(xiàn).pdf

1、由于反熔絲器件及芯片具有可靠性高、抗輻射能力強等優(yōu)點，因此在戰(zhàn)略武器、衛(wèi)星通信和航空航天等要求高可靠的領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。我國對反熔絲器件及芯片的需求十分迫切，然而我國對反熔絲器件及芯片的研究卻處于剛剛起步的階段，尚有大量的關(guān)鍵性技術(shù)問題亟待突破與解決。本文以此為背景，針對新型反熔絲器件及新型抗總劑量輻射PROM開展了大量的創(chuàng)新性研究工作。主要包括以下幾個方面：
　　第一：提出了一種基于鈮酸鋅鉍（BZN）高 K材料的新型反熔

2、絲器件結(jié)構(gòu)并開展了其制備工藝研究。BZN反熔絲的基本結(jié)構(gòu)為Ti/Pt/BZN/Al。分別使用SF6/Ar和CF4/Ar高密度感應(yīng)耦合等離子體（ICP）對BZN反熔絲介質(zhì)層進行了刻蝕工藝研究。研究發(fā)現(xiàn)使用SF6/Ar和CF4/Ar感應(yīng)耦合等離子體對BZN薄膜進行刻蝕的刻蝕機理為物理輔助的化學(xué)反應(yīng)刻蝕。經(jīng)過工藝優(yōu)化得到了BZN薄膜的最佳刻蝕工藝參數(shù)，即工藝氣體流量比為3/2，總流量25sccm，工作壓強10mTorr，ICP功率800W。使

3、用最佳工藝參數(shù)，分別利用SF6/Ar和CF4/Ar感應(yīng)耦合等離子體對BZN薄膜進行刻蝕，刻蝕速率分別達到了43.15nm/min和26.04nm/min。在SF6/Ar感應(yīng)耦合等離子體中的BZN薄膜的刻蝕圖形具有邊緣齊整、形狀完好、表面光滑、潔凈、無殘留物的特征，而在CF4/Ar感應(yīng)耦合等離子體中的BZN薄膜的刻蝕表面殘留了一些不易揮發(fā)的碳聚合物。相比CF4/Ar感應(yīng)耦合等離子體，使用SF6/Ar感應(yīng)耦合等離子體對BZN薄膜進行刻蝕是一

4、個比較好的選擇。制備了具有不同尺寸的圓形BZN反熔絲樣品，其直徑分布范圍是20~200μm。通過改變BZN薄膜的沉積溫度，分別制備了結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)BZN反熔絲樣品。
　　第二：對BZN反熔絲的基本性能，包括關(guān)態(tài)特性、編程特性、開態(tài)特性以及可靠性進行了研究。分別使用從上至下和從下至上兩種編程方向?qū)ZN反熔絲的擊穿特性進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)使用從上至下編程方向?qū)ZN反熔絲進行編程是一個理想的選擇。結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)BZN反熔絲的擊穿

5、電壓分別是4.6V和6.56V，它們的關(guān)態(tài)電阻均為GΩ量級。結(jié)晶態(tài)BZN反熔絲所需的編程電壓、電流和時間分別是5.5V、1.06mA和2.0ms；而非結(jié)晶態(tài)BZN反熔絲所需的編程電壓、電流及時間分別是7.5V、1mA及0.46ms。結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)BZN反熔絲的開態(tài)電阻分別是17.5Ω和26.1Ω。與結(jié)晶態(tài)BZN反熔絲相比，非結(jié)晶態(tài)BZN反熔絲具有較大的編程電壓和開態(tài)電阻，然而非結(jié)晶態(tài)BZN反熔絲的漏電流、編程時間以及編程能量均較低。而

6、與柵氧化層反熔絲相比，無論是結(jié)晶態(tài)還是非結(jié)晶態(tài)BZN反熔絲均表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的編程特性以及開態(tài)特性。研究發(fā)現(xiàn)BZN反熔絲具有很高的可靠性：其工作壽命遠遠超過10年；在應(yīng)力電流的作用下不存在關(guān)斷現(xiàn)象；具有較小的溫度依賴性。總之，BZN反熔絲具有極其卓越的性能，是有望取代柵氧化層反熔絲的新一代反熔絲結(jié)構(gòu)。
　　第三：提出了一種新型抗總劑量輻射器件結(jié)構(gòu)，即雙柵晶體管。使用雙柵晶體管既可以滿足耐壓的要求又可以實現(xiàn)較高的抗總劑量輻射能力。在

7、0.35μm CMOS工藝中，雙柵晶體管的閾值電壓降至0V時需要的輻射總劑量約為3Mrad(Si)，而具有同樣耐壓能力的NMOS高壓晶體管的閾值電壓降至0V時需要的輻射總劑量約為70krad(Si)。因此，在具有同樣耐壓能力的前提下雙柵晶體管的抗總劑量輻射能力提高了約43倍。
　　第四：基于雙柵晶體管使用0.18μm CMOS工藝設(shè)計了抗總劑量輻射雙柵反熔絲PROM電路并進行了仿真研究。為了滿足設(shè)計要求，提出了改進型雙柵晶體管結(jié)構(gòu)

8、。使用改進型雙柵晶體管設(shè)計的雙柵反熔絲PROM的讀出閾值約為110KΩ，是實測雙柵反熔絲PROM中反熔絲單元編程后電阻平均值的22倍。為了與雙柵反熔絲PROM進行比較，設(shè)計了對照組反熔絲PROM（即傳統(tǒng)型反熔絲PROM）包括直柵和環(huán)柵反熔絲PROM。由于受耐壓的限制，對照組反熔絲PROM的工作電壓為3.3V，而雙柵反熔絲PROM在保證耐壓能力的前提下將工作電壓降至了1.5V。
　　第五：基于0.18μm CMOS工藝分別對直柵、環(huán)

9、柵和雙柵反熔絲PROM進行了版圖設(shè)計與流片。流片后的基本功能測試表明三種反熔絲PROM均具有良好的編程和讀取功能。使用60Coγ源對三種反熔絲PROM的抗總劑量輻射性能進行了測試。結(jié)果表明，直柵和環(huán)柵反熔絲 PROM的抗總劑量輻射能力分別約為60和600krad(Si)，而雙柵反熔絲PROM的抗總劑量輻射能力大于9Mrad(Si)。雙柵反熔絲PROM的抗總劑量輻射能力比環(huán)柵反熔絲PROM的抗總劑量輻射能力提高了至少15倍?？傊?，與傳統(tǒng)型