非晶硅反熔丝的工艺实现和存储器设计

摘要

反熔丝具有很低的互联延时,其作为互联单元被广泛的应用于高速现场可编程器件中。反熔丝器件一般为三明治结构,上下两层为电极,中间层为介质层即反熔丝薄膜。本文以采用了金属到金属(MTM)结构,非晶硅为反熔丝薄膜,金属铝为电极的反熔丝器件为主要研究对象。反熔丝在初始态时具有高达 G?电阻,处于关断状态。在反熔丝器件的两电极上施加一定电压脉冲后,中间层的反熔丝薄膜会被永久性击穿,形成导电沟道,使得反熔丝器件由高阻态转化为低阻态。在低阻状态下,反熔丝的电阻仅有几百?。由于具有低电容和低的导通电阻,非晶硅反熔丝器件是高速、高密度的一次可编程只读存储器的理想存储单元。
　　首先,为了能够在现有工艺条件下制备出可用的非晶硅反熔丝器件,本文对制备非晶硅反熔丝薄膜的工艺条件进行了研究。非晶硅反熔丝器件的主要特性如击穿电压分布的集中程度和导通电阻的均值主要由非晶硅反熔丝薄膜的均匀性和一致性决定,所以本文以非晶硅反熔丝薄膜击穿测试的电流电压特性来表示薄膜的均匀性和一致性。对制备的非晶硅反熔丝薄膜进行傅立叶红外光谱(FTRI)分析和原子力显微镜(AFM)扫描以分析不同的工艺参数对薄膜性能的影响。本文采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)法制备非晶硅反熔丝薄膜,影响薄膜性能的主要工艺参数有沉积温度、气体压强和射频功率等。通过实验,最终得到了最佳的沉积温度、气体压强和射频功率等工艺参数。其最佳的工艺参数为:沉积温度为250-300℃之间,气体压强为600mTorr,射频功率为60W。也通过实验确定了反熔丝单元采用直径为20μm的圆点。在这个工艺参数下,制备的非晶硅反熔丝薄膜的击穿特性较好,薄膜中的氢含量适中,缺陷较少。
　　其次,在得到了均匀一致可用的非晶硅薄膜后,设计了非晶硅反熔丝可编程只读存储器的功能电路包括:译码电路、读出电路和编程电路等。采用 CSMC05工艺对存储器的功能电路进行了仿真和版图设计。在版图中,所有NMOS采用环栅设计以提高芯片的抗辐照性能。

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第一章 绪论

1.1 本课题的背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的研究目的和主要内容

第二章 非晶硅反熔丝薄膜的制备原理与表征参数

2.1 非晶硅的原子结构和能带结构

2.2 非晶硅的制备方法

2.3表征参数

2.4 电学测量

2.5 小结

第三章 非晶硅反熔丝制备工艺参数的研究

3.1 上电极面积和形状对非晶硅反熔丝性能的研究

3.2 工艺参数影响非晶硅反熔丝性能的研究

3.3 上电极面积、形状及工艺参数的总结与分析

3.4 非晶硅反熔丝薄膜中氢含量对击穿特性的影响

3.5 小结

第四章 存储器电路原理图、版图及仿真

4.1 存储器结构

4.2 反熔丝存储单元结构及工作原理

4.3 存储器电路设计

4.4 电路的版图设计

4.5 小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果