eFuse失效分析与可靠性电路设计_晏颖.pdf

www.ChinaAET.comMicroelectronic Technology微电子技术eFuse 失效分析与可靠性电路设计晏颖1，曹玉升1，张睿2（1.上海飞聚微电子有限公司，上海 201316；2.浙江大学 微纳电子学院，浙江 杭州 310014）摘 要：电编程熔丝（eFuse）基于电子迁移原理，通过熔断熔丝使其电阻特性发生不可逆改变来实现编程操作。提高可靠性是 eFuse 系统和电路优化设计的核心目标。从 eFuse 工作原理以及失效模式分析入手，重点介绍了影响其可靠性的系统原因和主要机理及过程，并在综合常规电路设计基础上，结合考虑各种工作模式下和具体模块中存在的影响可靠性的因素，最后提出了具有针对性的电路设计解决方案。关键词：eFuse；可靠性；失效模式；电路设计中图分类号：TN406 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222961中文引用格式：晏颖，曹玉升，张睿.eFuse 失效分析与可靠性电路设计J.电子技术应用，2023，49(1)：26-31.英 文 引 用 格 式：Yan Ying，Cao Yusheng，Zhang Rui.Failure analysis of eFuse and reliability circuit designJ.Application of Electronic Technique，2023，49(1)：26-31.Failure analysis of eFuse and reliability circuit designYan Ying1，Cao Yusheng1，Zhang Rui2(1.Shanghai Feiju Microelectronic Corporation，Shanghai 201316，China；2.School of Micro-Nano Electronics，Zhejiang University，Hangzhou 310014，China)Abstract：Based on the principle of electron migration,eFuse realizes the programming operation by fusing the fuse to change its resistance characteristics irreversibly.High reliability is the core goal of eFuse system and circuit optimization design.This paper starts with the working principle and failure mode analysis of eFuse,and then focuses on the system causes and processes affecting its reliability.Based on the comprehensive conventional circuit design,combined with the factors affecting reliability in various working modes and specific modules,finally,a set of targeted circuit design solutions are proposed.Key words：eFuse；reliability；failure mode；circuit design0 引言eFuse（Electrically Programmable Fuse）技术于 2004年由 IBM 公司首次发布，它基于电子迁移原理工作，即通过电流流过导体时产生的质量输运现象使得导体的电阻属性发生变化1。具体来说，eFuse 就是在其熔丝两端加上电压，在电流流过时发生电子迁移导致其电阻值增大或者产生焦耳热使其发生热断裂。eFuse 用作存储器时，数据存储是通过保持或改变熔丝的电阻值实现的，读出数据则是基于将熔丝的电阻值转换成电压值、再判别输出的过程。可见，熔丝电阻特性的变化以及电阻电压转换过程的稳定性直接影响 eFuse 的可靠性。其中，熔丝电阻特性与工艺状态、材质属性、编程条件、电迁移过程等存在关联，影响因素很多。而电阻电压转换稳定性则和电路及版图设计、工作环境、工艺器件特性等有强相关性24。本研究基于系统及电路优化的策略，通过完善功能电路设计、增加针对性的控制模块和电路等来提高 eFuse 可靠性。1 失效模式eFuse 可靠性降低的特征是其读出或存储的数据呈现不稳定或者出现失效状态，表现为 eFuse 在特定条件下不能正常编程或者熔丝本身随机发生非期待的改变，以熔丝电阻值来衡量可分为两类现象，第一类是熔丝电阻值变大也就是熔丝被意外编程，比如，ESD 静电打坏熔丝，上电过程产生的耦合电流流过熔丝，控制功能失效等。第二类是熔丝阻值变小，即熔断后的熔丝存在短接或虚接等未完全断开现象，比如多晶硅熔丝发生过烧现象后（熔断区域过大，位置偏离熔断区等）容易出现金属硅化物层没有完全熔断使得熔丝电阻值不稳定。其中，第二类失效现象和熔丝材质及特性、尺寸和工作条件等有直接关系，主要从工艺或器件物理特性、编程环26Microelectronic Technology微电子技术电子技术应用 2023年 第49卷 第1期境等方面的优化加以改进。本研究专注于通过优化电路设计来抑制熔丝被意外编程导致电阻值变大的失效现象发生，从而提高 eFuse 可靠性。总体上，影响 eFuse 可靠性包含人为、系统和器件的三方面因素，具体失效模式可归纳为三类：电路与版图设计、系统工况和器件特性，如图 1 所示。第一类失效归纳为电路设计原因（包括版图设计）。其现象为由于功能模块工作或电路设计原因，导致正常熔丝不能编程、被误编程或熔丝状态被误读，eFuse 呈现失效位增多或有规律分布。针对这类原因引起的可靠性问题，可以从优化电路设计和器件参数设置入手，使得 eFuse 功能模块在各种条件及工艺角下都正常工作；在版图设计时，通过优化布局和线形、线宽等手段，避免由于电压压降等问题给 eFuse 可靠性带来影响。第二类失效是属于系统工况原因，其特点是熔丝在非正常工作状态下发生意外变化。通过分析发现很多eFuse 失效现象和系统状态相关，比如上电过程或者与编程电源的工作状态等。因为熔丝电阻特性变化主要是由其上的电流引起的，很多与编程电压的状态相关，特别是在系统启动过程中编程电压上电速度过快，其在eFuse 内部的感应电压使得熔丝出现意外电流或 eFuse控制逻辑失效。第三类失效模式与器件特性有关。eFuse 编程是熔丝发生电迁移或熔断等物理现象的过程，由于编程所需电流较大（金属熔丝熔断电流可达几十毫安），编程电源控制管的尺寸相应较大。当 eFuse 编程开启电源控制管对 被 选 中 的 位 线 充 电 时，后 者 会 瞬 间 出 现 浪 涌 电 流（Surge Current），这是由于编程电压要对位线及其连接的所有 eFuse 单元的对地寄生电容进行充电，形成的大电流流过电源控制管。如果开启次数频繁，电流的累积冲击（热载流子效应）容易对器件造成损伤5，最终影响整个系统的可靠性。2 失效机理分析在 eFuse 的失效模式中，电路设计原因导致的失效属于人为因素，但源自系统和器件的失效因素在实际使用中是难以避免的，除了从工艺器件和工作环境等方面进行完善外，也可以通过增加人为因素（即优化电路设计和控制方案等）进行干预，对它们给 eFuse 可靠性带来的影响进行抑制或消除。下面对系统和器件方面的失效原因进行初步归纳，相关电路优化设计也围绕这些问题的解决展开。2.1 电源上电过快芯 片 内 部 的 互 连 线 之 间 存 在 寄 生 电 容（又 称 互容），电容大小与线间距、形状以及位置、隔离层介电常数等相关。eFuse 编程电源的金属线和控制信号线之间存在交错或平行等现象，这些线间寄生电容对可靠性的影响须在电路、版图设计和制定应用规则时加以考虑或规避。比如，编程电压从上电到稳定过程中的 上 电 速 度（Slew rate 或 Transition time）须 控 制 在 一定范围内，即 dv/dt 不能太大6。因为从频域分析，编程电压上升过程经过傅里叶变换呈现为一个固定频率 的 脉 冲 信 号。上 电 速 度 越 快 则 对 应 的 频 率 越 高。由于电容的通高频阻低频特性，快速上升的编程电压通过线间寄生电容在信号线上感应出电压变化。如图 2 所示，编程电压（VDDQ）所在金属线处于 Mx 层，信号线（Signal）金属线处在 My 层，Cxy为线间寄生电容，VDDQ 的上升过程通过电容 Cxy在信号线上产生一个电压脉冲。图 3 描述了电源上电在 eFuse 内部产生的感应现象。编 程 电 压（VDDQ）在 上 电 过 程 中 不 仅 通 过 金 属线间电容 C2 在熔丝端（A 点）产生感应电压，还通过寄 生 电 容 C1 在 字 线（WL）上 感 应 出 电 压，后 者 会 导致 eFuse 单 元 编 程 控 制 管 MN 开 启，使 得 A 点 感 应 电压在熔丝上产生对地电流，eFuse 单元被意外编程。图 1eFuse 的失效模式图 2不同层线间的寄生电容及产生感应电压现象图 3上电过程感应现象27Microelectronic Technology微电子技术www.ChinaAET.com2.2 电源上电顺序由于熔丝熔断电流较大，eFuse 编程通常需要较高工作电压。因此 eFuse 多采用双电源（电压）体系：工作电压（VDD）和编程电压（VDDQ）。系统逻辑和控制部分 采 用 VDD，而 与 编 程 相 关 的 模 块 和 电 路 则 工 作 在VDDQ 域下。从可靠性上考虑，双电源系统一般要求固定的上下电顺序7，即 VDD 先上电到稳定后，VDDQ 再开始上电或者在 eFuse 控制逻辑信号电位稳定后，编程电源再开始上电。而下电过程则相反，VDDQ 先下电，再 VDD 下电。设置上电顺序是为了防止在系统未上电或 没 到 达 指 定 电 平 时，eFuse 出 现 逻 辑 混 乱 或 不 定状态。但在实际应用中，eFuse 可能会面临编程电压早于工作电压上电或者两者上电间隔非常接近的状况。一旦 eFuse 的内部控制逻辑处于非正常状态，其熔丝发生意外熔断几率大大增加。如图 4 所示，当 VDDQ 上电时，VDD 仍处于未上电的低电平。在两者上电间隔时间t 以内，正确 WL 信号还没有建立，反相器输出端（C 点）会处于浮空状态，使得 eFuse 单元编程管 MN 可能被意外打开，存在熔丝到地出现感应电流导致熔丝电阻增大甚至 eFuse 单元被意外编程的风险。2.3 浪涌电流冲击eFuse 编程电流是由熔丝的熔断电流决定的，金属熔丝要比多晶硅熔丝更大，前者超过 30 mA，后者小于10 mA。为了保证足够电流通过熔丝，eFuse 单元的编程控制管都采用很大宽长比。在 eFuse 单元阵列中每条位线（BL）的编程电源控制管采用更大尺寸，而且位线采用较大的线宽以减少电压降，因此位线上存在较大的等效负载电容。eFuse 在编程模式下，其编程电源 VDDQ通 过 电 源 控 制 管 对 被 选 定 的 位 线 进 行 充 电，如 图 5所示。在图 5 中，当电源控制管 P1 在开启瞬间有很大的浪涌电流流过，这是由于 VDDQ 要对 BL 上所有 eFuse 单元的寄生电容以及位线本身负载电容进行充电，充电电流汇积形成大电流脉冲（百毫安级）。位于同一位线上eFuse 单元越多，编程模式下充电开启次数也越多，电流不断冲击易对器件造成损伤，降低系统可靠性。2.4 控制时序失配eFuse 读取模块把熔丝电阻值转换为逻辑数据，输出模块用于保持和输出逻辑数据。这两个模块都受