新型反熔丝器件及抗总剂量辐射PROM的研究与实现

发布时间：2018-02-28 22:09

  本文关键词： BZN反熔丝 反熔丝PROM 双栅晶体管 感应耦合等离子体 反熔丝特性 总剂量效应　出处：《电子科技大学》2013年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：由于反熔丝器件及芯片具有可靠性高、抗辐射能力强等优点，因此在战略武器、卫星通信和航空航天等要求高可靠的领域得到了极其广泛的应用。我国对反熔丝器件及芯片的需求十分迫切，然而我国对反熔丝器件及芯片的研究却处于刚刚起步的阶段，尚有大量的关键性技术问题亟待突破与解决。本文以此为背景，针对新型反熔丝器件及新型抗总剂量辐射PROM开展了大量的创新性研究工作。主要包括以下几个方面： 第一：提出了一种基于铌酸锌铋（BZN）高K材料的新型反熔丝器件结构并开展了其制备工艺研究。BZN反熔丝的基本结构为Ti/Pt/BZN/Al。分别使用SF6/Ar和CF4/Ar高密度感应耦合等离子体（ICP）对BZN反熔丝介质层进行了刻蚀工艺研究。研究发现使用SF6/Ar和CF4/Ar感应耦合等离子体对BZN薄膜进行刻蚀的刻蚀机理为物理辅助的化学反应刻蚀。经过工艺优化得到了BZN薄膜的最佳刻蚀工艺参数，即工艺气体流量比为3/2，总流量25sccm，工作压强10mTorr，ICP功率800W。使用最佳工艺参数，分别利用SF6/Ar和CF4/Ar感应耦合等离子体对BZN薄膜进行刻蚀，刻蚀速率分别达到了43.15nm/min和26.04nm/min。在SF6/Ar感应耦合等离子体中的BZN薄膜的刻蚀图形具有边缘齐整、形状完好、表面光滑、洁净、无残留物的特征，而在CF4/Ar感应耦合等离子体中的BZN薄膜的刻蚀表面残留了一些不易挥发的碳聚合物。相比CF4/Ar感应耦合等离子体，使用SF6/Ar感应耦合等离子体对BZN薄膜进行刻蚀是一个比较好的选择。制备了具有不同尺寸的圆形BZN反熔丝样品，其直径分布范围是20~200μm。通过改变BZN薄膜的沉积温度，分别制备了结晶态和非结晶态BZN反熔丝样品。 第二：对BZN反熔丝的基本性能，包括关态特性、编程特性、开态特性以及可靠性进行了研究。分别使用从上至下和从下至上两种编程方向对BZN反熔丝的击穿特性进行了研究，研究发现使用从上至下编程方向对BZN反熔丝进行编程是一个理想的选择。结晶态和非结晶态BZN反熔丝的击穿电压分别是4.6V和6.56V，它们的关态电阻均为G量级。结晶态BZN反熔丝所需的编程电压、电流和时间分别是5.5V、1.06mA和2.0ms；而非结晶态BZN反熔丝所需的编程电压、电流及时间分别是7.5V、1mA及0.46ms。结晶态和非结晶态BZN反熔丝的开态电阻分别是17.5和26.1。与结晶态BZN反熔丝相比，非结晶态BZN反熔丝具有较大的编程电压和开态电阻，然而非结晶态BZN反熔丝的漏电流、编程时间以及编程能量均较低。而与栅氧化层反熔丝相比，无论是结晶态还是非结晶态BZN反熔丝均表现出了更加优异的编程特性以及开态特性。研究发现BZN反熔丝具有很高的可靠性：其工作寿命远远超过10年；在应力电流的作用下不存在关断现象；具有较小的温度依赖性。总之，BZN反熔丝具有极其卓越的性能，是有望取代栅氧化层反熔丝的新一代反熔丝结构。 第三：提出了一种新型抗总剂量辐射器件结构，即双栅晶体管。使用双栅晶体管既可以满足耐压的要求又可以实现较高的抗总剂量辐射能力。在0.35μmCMOS工艺中，双栅晶体管的阈值电压降至0V时需要的辐射总剂量约为3Mrad(Si)，而具有同样耐压能力的NMOS高压晶体管的阈值电压降至0V时需要的辐射总剂量约为70krad(Si)。因此，在具有同样耐压能力的前提下双栅晶体管的抗总剂量辐射能力提高了约43倍。 第四：基于双栅晶体管使用0.18μm CMOS工艺设计了抗总剂量辐射双栅反熔丝PROM电路并进行了仿真研究。为了满足设计要求，提出了改进型双栅晶体管结构。使用改进型双栅晶体管设计的双栅反熔丝PROM的读出阈值约为110K，是实测双栅反熔丝PROM中反熔丝单元编程后电阻平均值的22倍。为了与双栅反熔丝PROM进行比较，设计了对照组反熔丝PROM（即传统型反熔丝PROM）包括直栅和环栅反熔丝PROM。由于受耐压的限制，对照组反熔丝PROM的工作电压为3.3V，而双栅反熔丝PROM在保证耐压能力的前提下将工作电压降至了1.5V。 第五：基于0.18μm CMOS工艺分别对直栅、环栅和双栅反熔丝PROM进行了版图设计与流片。流片后的基本功能测试表明三种反熔丝PROM均具有良好的编程和读取功能。使用60Coγ源对三种反熔丝PROM的抗总剂量辐射性能进行了测试。结果表明，直栅和环栅反熔丝PROM的抗总剂量辐射能力分别约为60和600krad(Si)，而双栅反熔丝PROM的抗总剂量辐射能力大于9Mrad(Si)。双栅反熔丝PROM的抗总剂量辐射能力比环栅反熔丝PROM的抗总剂量辐射能力提高了至少15倍。总之，与传统型反熔丝PROM相比，在具有同样耐压能力的前提下，，双栅反熔丝PROM不仅功耗低而且抗总剂量辐射能力强。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN402;TP333

【参考文献】

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本文编号：1549164