eng
Выпуск #2/2020
С.О.Белостоцкая, А.А.Лукьянов, А.С.Росляков, А.Н.Семёнов, Р.А.Фёдоров
Оценка надежности однократно программируемых постоянно запоминающих устройств, созданных на основе программируемых с помощью механизма электромиграции перемычек (eFuse)
Оценка надежности однократно программируемых постоянно запоминающих устройств, созданных на основе программируемых с помощью механизма электромиграции перемычек (eFuse)
Просмотры: 2677
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.2.114.121
Оценивается надежность однократно программируемых постоянно запоминающих устройств (ОППЗУ), реализованных на технологии HCMOS8D с топологическими нормами 180 нм, разработанных для интеграции в базовый кристалл серии 5521ТР. На основе базовых слоев технологии HCMOS8D разработана структура и конструкция программируемых с помощью механизма электромиграции элементов ОППЗУ – перемычек (eFuse) на основе слоев n+-поликремния и силицида никеля. Разработана методика оценки надежности разработанных eFuse для ячеек памяти базового кристалла серии 5521ТР. Показано, что eFuse сохраняет остаточное сопротивление в заданных пределах в течение всего срока эксплуатации.
Оценивается надежность однократно программируемых постоянно запоминающих устройств (ОППЗУ), реализованных на технологии HCMOS8D с топологическими нормами 180 нм, разработанных для интеграции в базовый кристалл серии 5521ТР. На основе базовых слоев технологии HCMOS8D разработана структура и конструкция программируемых с помощью механизма электромиграции элементов ОППЗУ – перемычек (eFuse) на основе слоев n+-поликремния и силицида никеля. Разработана методика оценки надежности разработанных eFuse для ячеек памяти базового кристалла серии 5521ТР. Показано, что eFuse сохраняет остаточное сопротивление в заданных пределах в течение всего срока эксплуатации.
Оценка надежности однократно программируемых постоянно запоминающих устройств, созданных на основе программируемых с помощью механизма электромиграции перемычек (eFuse)
Reliability assessment of the one-time programmable read-only memory devices produced on the basis of jumpers programmable with the use of the electromigration mechanism (eFuse)
С.О.Белостоцкая*, вед. науч. сотр., А.А.Лукьянов*, науч. сотр., А.С.Росляков*, науч. сотр., А.Н.Семёнов*, науч.сотр., Р.А.Фёдоров*, начальник лаборатории разработки аналого-цифровых БИС, к.т.н. / A.Semenov@tcen.ru
S.O.Belostotskaya*, Leading Researcher, A.A.Lykyanov*, Researcher, A.S.Roslyakov*, Researcher, A.N.Semyonov*, Researcher, R.A.Fedorov*, Head of Laboratory for the Development of Analog-Digital LSI, Cand. of Sc. (Technical)
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.2.114.121
Получено: 17.02.2020 г.
Сложность современных СБИС и важность решаемых ими задач предъявляют строгие требования к их надежности, оценка которой является актуальной исследовательской задачей. В работе оценивается надежность однократно программируемых постоянно запоминающих устройств (ОППЗУ), реализованных на технологии HCMOS8D с топологическими нормами 180 нм, разработанных для интеграции в базовый кристалл серии 5521ТР. На основе базовых слоев технологии HCMOS8D разработана структура и конструкция программируемых с помощью механизма электромиграции элементов ОППЗУ – перемычек (eFuse), выполненных на основе слоев n+-поликремния и силицида никеля (NiSi2). Приведены результаты испытаний на надежность разработанных элементов ОППЗУ.
Разработана методика, позволяющая оценить надежность разработанных eFuse для использования в ячейках памяти базового кристалла серии 5521ТР. Методика включает в себя комбинацию электрофизических измерений единичной eFuse-ячейки и функционального блока на ее основе. Показано, что eFuse гарантирует сохранение остаточного сопротивления в заданных пределах в течение всего срока службы микросхемы, включающей в себя данный сложный функциональный блок.
The complexity of modern VLSI and the importance of the tasks they solve impose strict requirements on their reliability, which assessment presents an urgent research task. In this work the reliability of the one-time read-only memory devices (OPROM) implemented on the HCMOS8D technology with topological standards of 180 nm and designed to be integrated into the base crystal of the 5521TP series is evaluated. With the use of the base layers of HCMOS8D technology, the structure and design of the programmed by the electromigration mechanism of the elements of the EEPROM – jumpers (eFuse), made on the basis of layers of n+-polysilicon and nickel silicide (NiSi2) were developed. Presented are the results of the reliability tests of the developed OPPZU elements. A technique has been developed to assess the reliability of eFuse intended for use as a part of memory cells in the 5521TP series base crystal. The technique includes a combination of electrophysical measurements of a single eFuse cell and a functional block based on it. It is shown that eFuse guarantees the preservation of residual resistance within specified limits throughout the life of the microcircuit, which includes this complex functional unit.
ВВЕДЕНИЕ
Использование перемычек eFuse на основе силицид металла-поликремний дает возможность реализовывать различные варианты конструкции СБИС в субмикронной технологии КМОП. Программируемые с помощью механизма электромиграции eFuse являются предпочтительным вариантом при проектировании сложных функциональных блоков СБИС по сравнению с перемычками с лазерной коррекцией, так как программирование в первом случае может быть реализовано без участия фирмы-производителя. В работе [1] ранее была показана принципиальная возможность использования сложных функциональных блоков ОППЗУ на основе плавких перемычек для их однократного программирования в составе микросхем, разрабатываемых на базовых кристаллах (БК) серии 5521ТР.
Рассмотренные в [2–4] eFuse используют механизм электромиграции для увеличения электрического сопротивления перемычки. Физический разрыв тела перемычки происходит вследствие миграции ионов слоя силицида от анода к катоду потоком электронов, вызывая увеличение сопротивления перемычки на несколько порядков [2].
Считается, что металлы являются менее устойчивыми, нежели силициды, к процессу электромиграции [2], но ток программирования eFuse на основе металла более чем в 20 раз превышает ток программирования eFuse на основе силицид-поликремний [1].
Также силициды широко применяются как для формирования низкоомных контактов к диффузионным областям, так и элементов межсоединений. В работах [3, 4] показано, что возможно успешное использование процесса электромиграции слоев силицида в отдельных электрически программируемых элементах схемы. В качестве слоя силицида в элементах eFuse в этих работах были использованы слои силицида кобальта (CoSi2) и силицида вольфрама (WSi2) на сильнолегированном слое затворного поликремния.
Оценка надежности в работах [3, 4] проводилась в соответствии со стандартами JESD22-F104, JESD22-F113, JESD22-F108, JESD22-F110, обеспечивающими испытания при повышенной температуре, электрическом смещении, термоциклировании, а также ускоренные стресс-тесты при повышенной температуре и влажности.
В этой работе оценка надежности проводилась на тестовых структурах, включающих в себя только единичные eFuse, для минимизации влияния любых паразитных составляющих электрической цепи. В работе представлены: конструкция и послойная структура единичной eFuse; алгоритм программирования eFuse с определением критерия ее программирования; методика исследования eFuse на надежность; выходной критерий, обеспечивающий надежность eFuse в течение всего срока службы СБИС.
Конструкция и послойная структура eFuse.
Оптическое изображение фрагмента микросхемы серии 5521ТР, включающей в себя разработанные единичные eFuse, их эскизную конструкцию и послойный разрез, представлено на рис.1. Разработанные элементы eFuse были встроены в базовую технологию HCMOS8D с проектными нормами 180 нм на основе базовых слоев без использования дополнительных технологических циклов. Перемычки eFuse представляют собой слой сильнолегированного n+-затворного поликремния на изолирующем оксиде, полностью покрытого слоем силицида никеля NiSi2. Расширение элементной базы в технологии HCMOS8D разработанными нами eFuse позволило создать как ОППЗУ, так и схемы подстройки аналоговых блоков.
Для оценки надежности использовались три варианта исполнения eFuse с различным отношением W/L (табл.1). Количество исследуемых образцов каждой модификации eFuse составляло по 20 шт.
Алгоритм программирования eFuse с определением критерия ее программирования
Алгоритм программирования eFuse разработан на основе ограничивающих параметров ТУ АЕНВ.431260.412ТУ. Для программирования и эксплуатации eFuse ограничивающим параметром является напряжение питания. По требованию к электрическим параметрам и режимам эксплуатации ТУ АЕНВ.431260.412ТУ на базовый кристалл 5521ТР диапазон предельно допустимых напряжений питания БК 5521ТР составляет от 2,7 до 3,63 В, а его предельное значение – 4 В.
Для определения состояния eFuse была разработана схема доопределения, которая работает в диапазоне от 10 кОм и выше.
Первая и вторая модификации (см. табл.1) eFuse были запрограммированы при следующих условиях: на один вывод eFuse подавалось напряжение 3,63 В длительностью 100 мс с ограничением по максимальному значению тока через eFuse в 100 мА, на второй вывод напряжение не подавалось. Третья модификация eFuse при программировании на напряжении 3,63 В не удовлетворяла параметру минимального остаточного сопротивления. Для получения статистических данных по величине остаточного сопротивления третья модификация была запрограммирована при предельном напряжении питания 4 В. Условия по времени и току оставались прежними.
Основным выходным электрофизическим параметром, характеризующим выполнение процесса программирования eFuse, было изменение начального сопротивления тела перемычки не менее чем на два порядка. Разброс значений остаточного сопротивления исследуемых трех модификаций eFuse до и после процесса программирования приведены в табл.2.
Полученные данные показывают, что eFuse модификации 1 имеет наибольший из трех модификаций ток программирования, для которого в дальнейшем понадобится большой транзистор программирования, что впоследствии скажется на площади занимаемой ячейкой памяти, основанной на этом варианте eFuse. Модификация 1 программируется предельно допустимым напряжением питания. Данная модификация eFuse имеет наибольший, из всех представленных, разброс сопротивления после программирования, а также наибольшее изменение остаточного сопротивления во время испытаний. Результаты изменения сопротивления во время работы eFuse представлены ниже, на рис.3.
Напряжение программирования модификации 2 eFuse совпадает с напряжением программирования первой модификации, но при этом eFuse модификации 2 имеет меньший ток программирования, меньший разброс сопротивлений после программирования и меньший разброс остаточного сопротивления во время работы. Результаты изменения сопротивления во время работы eFuse представлены ниже, на рис.4.
Модификация 3 обеспечивает минимальный ток программирования из исследованных модификаций, но требующееся для программирования напряжение не попадает в предельно допустимый диапазон напряжений питания для БК 5521ТР.
Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что наилучшей из представленных модификаций является модификация 2 eFuse.
Методика исследования eFuse на надежность
Микросхемы серии 5521ТР должны быть стойкими к воздействию специальных факторов с характеристиками 7.И, 7.С и 7.К в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.414.2. Одним из основных критериев качества микросхемы является ее надежность в течение всего срока службы. Для подтверждения надежности разработанной ячейки eFuse была разработана методика оценки надежности данного блока в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.414.2.
Методика оценки надежности eFuse была направлена на исследование термической стабильности сопротивления eFuse, включая стресс, релаксацию и связанные с этим изменения остаточного сопротивления. Микросхема подвергалась воздействию повышенной температуры (125 °С) при частоте коммутации напряжения питания от 0,05 до 60 Гц.
Блок схема, разработанная для испытания eFuse, представлена на рис.2.
Для испытания на надежность микросхему c eFuse устанавливали в соответствии со схемой, приведенной на рис.2. Испытания проводились при температуре 125 °С, при напряжении питания 3,6 В ± 5%.
Алгоритм исследования eFuse последовательно включал в себя измерение сопротивления eFuse до программирования, программирование eFuse, измерение сопротивления после программирования, проведение испытаний в составе микросхемы в течение 3 000 ч с промежуточным контролем остаточного сопротивления eFuse через 48, 500, 1 000, 1 500, 2 000, 2 500, 3 000 ч.
Выходной критерий, обеспечивающий надежность eFuse в течение всего срока службы СБИС
Основными критериями работоспособности единичной eFuse являются остаточное сопротивление и диапазон изменения остаточного сопротивления. Изменение остаточного сопротивления во времени под воздействием внешних факторов может повлиять на правильную работоспособность микросхемы. Для проверки остаточного сопротивления были проведены испытания, выбраны eFuse с геометрическими размерами 0,5/0,18 мкм и 1,0/0,18 мкм, так как данные eFuse программируются с использованием предельно допустимого напряжения питания. В работе приведены результаты исследования изменения остаточного сопротивления разработанных eFuse. Выявлен диапазон изменения остаточного сопротивления c течением времени. Полученные результаты представлены на рис.3, 4.
На рис.3 показана зависимость остаточного сопротивления трех одинаковых eFuse модификации 1 от времени. Данный рисунок отражает диапазон изменения остаточного сопротивления во времени.
Диапазон изменения остаточного сопротивления eFuse с геометрическими размерами L/W = 0,5/0,18 мкм составляет от 10 кОм до 1 ГОм.
На рис.4 представлена зависимость остаточного сопротивления трех одинаковых eFuse модификации 2 от времени испытания. Данный рисунок показывает диапазон изменения остаточного сопротивления во времени.
Диапазон изменения остаточного сопротивления eFuse с геометрическими размерами L/W = 1,0/0,18 мкм составляет от 10 МОм до 10 ГОм.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из приведенных в работе данных можно сделать выводы о том, что не все разработанные геометрии eFuse можно использовать в ячейках ОППЗУ. Схема ячейки ОППЗУ на основе разработанных eFuse представлена на рис.5. eFuse с геометрическими размерами 0,5/0,18 мкм имеет большой разброс остаточного сопротивления после программирования (от 500 кОм до 400 МОм), а также большой разброс остаточного сопротивления во время испытания (от 10 кОм до 100 МОм). Данная модификация eFuse нуждается в схеме доопределения, которая может отследить изменение сопротивления в диапазоне от 10 кОм до 10 МОм.
Разработанная модификация eFuse с геометрическими размерами 1,0/0,18 мкм обладает стабильно большим остаточным сопротивлением после программирования (от 300 до 500 МОм). Остаточное сопротивление во время испытания изменяется в диапазоне от 45 МОм до 8 ГОм, что позволяет ослабить требования к схеме доопределения. Ячейка памяти на основе данной eFuse имеет большую площадь и нуждается в большем транзисторе для программирования, схема ячейки памяти представлена на рис.2.
Модификация с геометрическими размерами 1,7/0,18 мкм не подходит для дальнейшего использования в разрабатываемых ячейках памяти, так как напряжение программирования превышает предельное напряжение для разработанного кристалла серии 5521ТР.
Схема включения для программирования eFuse в составе ОППЗУ представлена на рис.5.
ВЫВОДЫ
В данной работе были представлены три модификации разработанных на основе базовых слоев технологии HCMOS8D перемычек eFuse, описан режим программирования и выбран критерий оценки надежности. Из всех представленных eFuse критерием надежности удовлетворяет только модификация 2. Она имеет стабильно большое (выше 1 МОм) остаточное сопротивление после программирования, а также во время проведения испытания. Проведенные испытания подтверждают надежность разработанной конструкции в течение всего срока службы микросхемы заявленного в ТУ АЕНВ.431260.412.
Разработанная модификация eFuse в дальнейшем может применяться в составе блока однократно программируемого постоянно запоминающего устройства в составе БК серии 5521ТР.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Семёнов А., Белостоцкая С. Создание элементов однократного программирования для БК серий 5521 и 5529 // Наноиндустрия. 2016. № 7.
С. 48–51.
Kothandaraman C., Iyer S.K., Iyer S.S. Electrically programmable fuse (eFUSE) using electromigration in silicides // IEEE Electron Device Letters. 2002. Т. 23. № 9. С.523–525.
Tian C. et al. Reliability qualification of CoSi2 electrical fuse for 90nm technology // IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings. IEEE, 2006. С.392–397.
Tont W.R. et al. Product specific sub-micron e-fuse reliability and design qualification // IEEE International Integrated Reliability Workshop Final Report, IEEE, 2003. С. 36–40.
Reliability assessment of the one-time programmable read-only memory devices produced on the basis of jumpers programmable with the use of the electromigration mechanism (eFuse)
С.О.Белостоцкая*, вед. науч. сотр., А.А.Лукьянов*, науч. сотр., А.С.Росляков*, науч. сотр., А.Н.Семёнов*, науч.сотр., Р.А.Фёдоров*, начальник лаборатории разработки аналого-цифровых БИС, к.т.н. / A.Semenov@tcen.ru
S.O.Belostotskaya*, Leading Researcher, A.A.Lykyanov*, Researcher, A.S.Roslyakov*, Researcher, A.N.Semyonov*, Researcher, R.A.Fedorov*, Head of Laboratory for the Development of Analog-Digital LSI, Cand. of Sc. (Technical)
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.2.114.121
Получено: 17.02.2020 г.
Сложность современных СБИС и важность решаемых ими задач предъявляют строгие требования к их надежности, оценка которой является актуальной исследовательской задачей. В работе оценивается надежность однократно программируемых постоянно запоминающих устройств (ОППЗУ), реализованных на технологии HCMOS8D с топологическими нормами 180 нм, разработанных для интеграции в базовый кристалл серии 5521ТР. На основе базовых слоев технологии HCMOS8D разработана структура и конструкция программируемых с помощью механизма электромиграции элементов ОППЗУ – перемычек (eFuse), выполненных на основе слоев n+-поликремния и силицида никеля (NiSi2). Приведены результаты испытаний на надежность разработанных элементов ОППЗУ.
Разработана методика, позволяющая оценить надежность разработанных eFuse для использования в ячейках памяти базового кристалла серии 5521ТР. Методика включает в себя комбинацию электрофизических измерений единичной eFuse-ячейки и функционального блока на ее основе. Показано, что eFuse гарантирует сохранение остаточного сопротивления в заданных пределах в течение всего срока службы микросхемы, включающей в себя данный сложный функциональный блок.
The complexity of modern VLSI and the importance of the tasks they solve impose strict requirements on their reliability, which assessment presents an urgent research task. In this work the reliability of the one-time read-only memory devices (OPROM) implemented on the HCMOS8D technology with topological standards of 180 nm and designed to be integrated into the base crystal of the 5521TP series is evaluated. With the use of the base layers of HCMOS8D technology, the structure and design of the programmed by the electromigration mechanism of the elements of the EEPROM – jumpers (eFuse), made on the basis of layers of n+-polysilicon and nickel silicide (NiSi2) were developed. Presented are the results of the reliability tests of the developed OPPZU elements. A technique has been developed to assess the reliability of eFuse intended for use as a part of memory cells in the 5521TP series base crystal. The technique includes a combination of electrophysical measurements of a single eFuse cell and a functional block based on it. It is shown that eFuse guarantees the preservation of residual resistance within specified limits throughout the life of the microcircuit, which includes this complex functional unit.
ВВЕДЕНИЕ
Использование перемычек eFuse на основе силицид металла-поликремний дает возможность реализовывать различные варианты конструкции СБИС в субмикронной технологии КМОП. Программируемые с помощью механизма электромиграции eFuse являются предпочтительным вариантом при проектировании сложных функциональных блоков СБИС по сравнению с перемычками с лазерной коррекцией, так как программирование в первом случае может быть реализовано без участия фирмы-производителя. В работе [1] ранее была показана принципиальная возможность использования сложных функциональных блоков ОППЗУ на основе плавких перемычек для их однократного программирования в составе микросхем, разрабатываемых на базовых кристаллах (БК) серии 5521ТР.
Рассмотренные в [2–4] eFuse используют механизм электромиграции для увеличения электрического сопротивления перемычки. Физический разрыв тела перемычки происходит вследствие миграции ионов слоя силицида от анода к катоду потоком электронов, вызывая увеличение сопротивления перемычки на несколько порядков [2].
Считается, что металлы являются менее устойчивыми, нежели силициды, к процессу электромиграции [2], но ток программирования eFuse на основе металла более чем в 20 раз превышает ток программирования eFuse на основе силицид-поликремний [1].
Также силициды широко применяются как для формирования низкоомных контактов к диффузионным областям, так и элементов межсоединений. В работах [3, 4] показано, что возможно успешное использование процесса электромиграции слоев силицида в отдельных электрически программируемых элементах схемы. В качестве слоя силицида в элементах eFuse в этих работах были использованы слои силицида кобальта (CoSi2) и силицида вольфрама (WSi2) на сильнолегированном слое затворного поликремния.
Оценка надежности в работах [3, 4] проводилась в соответствии со стандартами JESD22-F104, JESD22-F113, JESD22-F108, JESD22-F110, обеспечивающими испытания при повышенной температуре, электрическом смещении, термоциклировании, а также ускоренные стресс-тесты при повышенной температуре и влажности.
В этой работе оценка надежности проводилась на тестовых структурах, включающих в себя только единичные eFuse, для минимизации влияния любых паразитных составляющих электрической цепи. В работе представлены: конструкция и послойная структура единичной eFuse; алгоритм программирования eFuse с определением критерия ее программирования; методика исследования eFuse на надежность; выходной критерий, обеспечивающий надежность eFuse в течение всего срока службы СБИС.
Конструкция и послойная структура eFuse.
Оптическое изображение фрагмента микросхемы серии 5521ТР, включающей в себя разработанные единичные eFuse, их эскизную конструкцию и послойный разрез, представлено на рис.1. Разработанные элементы eFuse были встроены в базовую технологию HCMOS8D с проектными нормами 180 нм на основе базовых слоев без использования дополнительных технологических циклов. Перемычки eFuse представляют собой слой сильнолегированного n+-затворного поликремния на изолирующем оксиде, полностью покрытого слоем силицида никеля NiSi2. Расширение элементной базы в технологии HCMOS8D разработанными нами eFuse позволило создать как ОППЗУ, так и схемы подстройки аналоговых блоков.
Для оценки надежности использовались три варианта исполнения eFuse с различным отношением W/L (табл.1). Количество исследуемых образцов каждой модификации eFuse составляло по 20 шт.
Алгоритм программирования eFuse с определением критерия ее программирования
Алгоритм программирования eFuse разработан на основе ограничивающих параметров ТУ АЕНВ.431260.412ТУ. Для программирования и эксплуатации eFuse ограничивающим параметром является напряжение питания. По требованию к электрическим параметрам и режимам эксплуатации ТУ АЕНВ.431260.412ТУ на базовый кристалл 5521ТР диапазон предельно допустимых напряжений питания БК 5521ТР составляет от 2,7 до 3,63 В, а его предельное значение – 4 В.
Для определения состояния eFuse была разработана схема доопределения, которая работает в диапазоне от 10 кОм и выше.
Первая и вторая модификации (см. табл.1) eFuse были запрограммированы при следующих условиях: на один вывод eFuse подавалось напряжение 3,63 В длительностью 100 мс с ограничением по максимальному значению тока через eFuse в 100 мА, на второй вывод напряжение не подавалось. Третья модификация eFuse при программировании на напряжении 3,63 В не удовлетворяла параметру минимального остаточного сопротивления. Для получения статистических данных по величине остаточного сопротивления третья модификация была запрограммирована при предельном напряжении питания 4 В. Условия по времени и току оставались прежними.
Основным выходным электрофизическим параметром, характеризующим выполнение процесса программирования eFuse, было изменение начального сопротивления тела перемычки не менее чем на два порядка. Разброс значений остаточного сопротивления исследуемых трех модификаций eFuse до и после процесса программирования приведены в табл.2.
Полученные данные показывают, что eFuse модификации 1 имеет наибольший из трех модификаций ток программирования, для которого в дальнейшем понадобится большой транзистор программирования, что впоследствии скажется на площади занимаемой ячейкой памяти, основанной на этом варианте eFuse. Модификация 1 программируется предельно допустимым напряжением питания. Данная модификация eFuse имеет наибольший, из всех представленных, разброс сопротивления после программирования, а также наибольшее изменение остаточного сопротивления во время испытаний. Результаты изменения сопротивления во время работы eFuse представлены ниже, на рис.3.
Напряжение программирования модификации 2 eFuse совпадает с напряжением программирования первой модификации, но при этом eFuse модификации 2 имеет меньший ток программирования, меньший разброс сопротивлений после программирования и меньший разброс остаточного сопротивления во время работы. Результаты изменения сопротивления во время работы eFuse представлены ниже, на рис.4.
Модификация 3 обеспечивает минимальный ток программирования из исследованных модификаций, но требующееся для программирования напряжение не попадает в предельно допустимый диапазон напряжений питания для БК 5521ТР.
Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что наилучшей из представленных модификаций является модификация 2 eFuse.
Методика исследования eFuse на надежность
Микросхемы серии 5521ТР должны быть стойкими к воздействию специальных факторов с характеристиками 7.И, 7.С и 7.К в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.414.2. Одним из основных критериев качества микросхемы является ее надежность в течение всего срока службы. Для подтверждения надежности разработанной ячейки eFuse была разработана методика оценки надежности данного блока в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.414.2.
Методика оценки надежности eFuse была направлена на исследование термической стабильности сопротивления eFuse, включая стресс, релаксацию и связанные с этим изменения остаточного сопротивления. Микросхема подвергалась воздействию повышенной температуры (125 °С) при частоте коммутации напряжения питания от 0,05 до 60 Гц.
Блок схема, разработанная для испытания eFuse, представлена на рис.2.
Для испытания на надежность микросхему c eFuse устанавливали в соответствии со схемой, приведенной на рис.2. Испытания проводились при температуре 125 °С, при напряжении питания 3,6 В ± 5%.
Алгоритм исследования eFuse последовательно включал в себя измерение сопротивления eFuse до программирования, программирование eFuse, измерение сопротивления после программирования, проведение испытаний в составе микросхемы в течение 3 000 ч с промежуточным контролем остаточного сопротивления eFuse через 48, 500, 1 000, 1 500, 2 000, 2 500, 3 000 ч.
Выходной критерий, обеспечивающий надежность eFuse в течение всего срока службы СБИС
Основными критериями работоспособности единичной eFuse являются остаточное сопротивление и диапазон изменения остаточного сопротивления. Изменение остаточного сопротивления во времени под воздействием внешних факторов может повлиять на правильную работоспособность микросхемы. Для проверки остаточного сопротивления были проведены испытания, выбраны eFuse с геометрическими размерами 0,5/0,18 мкм и 1,0/0,18 мкм, так как данные eFuse программируются с использованием предельно допустимого напряжения питания. В работе приведены результаты исследования изменения остаточного сопротивления разработанных eFuse. Выявлен диапазон изменения остаточного сопротивления c течением времени. Полученные результаты представлены на рис.3, 4.
На рис.3 показана зависимость остаточного сопротивления трех одинаковых eFuse модификации 1 от времени. Данный рисунок отражает диапазон изменения остаточного сопротивления во времени.
Диапазон изменения остаточного сопротивления eFuse с геометрическими размерами L/W = 0,5/0,18 мкм составляет от 10 кОм до 1 ГОм.
На рис.4 представлена зависимость остаточного сопротивления трех одинаковых eFuse модификации 2 от времени испытания. Данный рисунок показывает диапазон изменения остаточного сопротивления во времени.
Диапазон изменения остаточного сопротивления eFuse с геометрическими размерами L/W = 1,0/0,18 мкм составляет от 10 МОм до 10 ГОм.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из приведенных в работе данных можно сделать выводы о том, что не все разработанные геометрии eFuse можно использовать в ячейках ОППЗУ. Схема ячейки ОППЗУ на основе разработанных eFuse представлена на рис.5. eFuse с геометрическими размерами 0,5/0,18 мкм имеет большой разброс остаточного сопротивления после программирования (от 500 кОм до 400 МОм), а также большой разброс остаточного сопротивления во время испытания (от 10 кОм до 100 МОм). Данная модификация eFuse нуждается в схеме доопределения, которая может отследить изменение сопротивления в диапазоне от 10 кОм до 10 МОм.
Разработанная модификация eFuse с геометрическими размерами 1,0/0,18 мкм обладает стабильно большим остаточным сопротивлением после программирования (от 300 до 500 МОм). Остаточное сопротивление во время испытания изменяется в диапазоне от 45 МОм до 8 ГОм, что позволяет ослабить требования к схеме доопределения. Ячейка памяти на основе данной eFuse имеет большую площадь и нуждается в большем транзисторе для программирования, схема ячейки памяти представлена на рис.2.
Модификация с геометрическими размерами 1,7/0,18 мкм не подходит для дальнейшего использования в разрабатываемых ячейках памяти, так как напряжение программирования превышает предельное напряжение для разработанного кристалла серии 5521ТР.
Схема включения для программирования eFuse в составе ОППЗУ представлена на рис.5.
ВЫВОДЫ
В данной работе были представлены три модификации разработанных на основе базовых слоев технологии HCMOS8D перемычек eFuse, описан режим программирования и выбран критерий оценки надежности. Из всех представленных eFuse критерием надежности удовлетворяет только модификация 2. Она имеет стабильно большое (выше 1 МОм) остаточное сопротивление после программирования, а также во время проведения испытания. Проведенные испытания подтверждают надежность разработанной конструкции в течение всего срока службы микросхемы заявленного в ТУ АЕНВ.431260.412.
Разработанная модификация eFuse в дальнейшем может применяться в составе блока однократно программируемого постоянно запоминающего устройства в составе БК серии 5521ТР.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Семёнов А., Белостоцкая С. Создание элементов однократного программирования для БК серий 5521 и 5529 // Наноиндустрия. 2016. № 7.
С. 48–51.
Kothandaraman C., Iyer S.K., Iyer S.S. Electrically programmable fuse (eFUSE) using electromigration in silicides // IEEE Electron Device Letters. 2002. Т. 23. № 9. С.523–525.
Tian C. et al. Reliability qualification of CoSi2 electrical fuse for 90nm technology // IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings. IEEE, 2006. С.392–397.
Tont W.R. et al. Product specific sub-micron e-fuse reliability and design qualification // IEEE International Integrated Reliability Workshop Final Report, IEEE, 2003. С. 36–40.
Отзывы читателей
