新型Al/α-C:H/α-Si:H/α-C:H/Al结构的反熔丝器件的制备及其界面相互作用研究

Antifuse FPGA(Field Programmable Gate Array) is the key device in aerospace electronic systems. However, there is Switching Off happening in antifuse device, thus its application is constrained in the field of high reliability to a certain extent. In this project amorphous carbon without Switching Off is used as buffer layers to fabricate Al/α-C:H/α-Si:H/α-C:H/Al antifuse device, and in the multilayered structure Switching Off can be avoided which happens in the interface between electrode and amorphous silicon. The α-C:H/α-Si:H/α-C:H multilayered films are deposited by PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) method, the process is optimized to control the relationship between antifuse breakdown characteristics and H content, thickness of these dielectric films. The mechanism is clarified how the interface affects breakdown characteristics of the antifuse with multilayered dielectric films. The surface of the dielectric is treated by nitrogen plasma, and the method is investigated how to control antifuse breakdown characteristics by the interface, and the breakdown model is to be built. The project will provide theory basis and technical support for the development of antifuse FPGA with high performance and high reliability, and explore the new development direction of the antifuse FPGA.

反熔丝FPGA（现场可编程门阵列）是应用于航空航天电子系统的关键器件，但由于反熔丝器件存在熔断关断，在一定程度限制了在高可靠领域的应用。本项目引入不发生熔断关断的非晶碳作为过渡层介质，形成Al/α-C:H/α-Si:H/α-C:H/Al多层介质结构的反熔丝器件，避免了在电极与非晶硅接触/融合界面发生熔断关断。本项目采用PECVD连续制备α-C:H/α-Si:H/α-C:H介质，通过工艺优化精确控制薄膜氢含量、厚度与反熔丝击穿特性之间的关系；深入分析金属/介质以及介质/介质之间的界面态和界面相互作用，阐明界面效应对多层介质结构反熔丝击穿特性的作用机理和影响规律；并通过N(氮)等离子体对介质表面进行处理，研究改善界面特性从而控制反熔丝击穿特性的方法，建立界面缺陷态控制击穿性能的模型。本项目的研究，将为研制高性能和高可靠的反熔丝FPGA提供科学理论依据和技术支持，探索出新型反熔丝FPGA发展方向

反熔丝FPGA（现场可编程门阵列）是应用于航空航天电子系统的关键器件，但由于反熔丝器件存在熔断关断，在一定程度限制了在高可靠领域的应用。本项目引入不发生熔断关断的非晶碳作为过渡层介质，同时为解决α-C:H/α-Si:H之间应力失配引入了α-SiC:H缓冲层，形成Al/α-C:H/α-SiC:H/α-Si:H/α-SiC:H/α-C:H/Al多层介质结构的反熔丝器件，避免了在电极与非晶硅接触/融合界面发生熔断关断。本项目采用等离子化学气相沉积法连续制备多层介质，通过工艺优化精确控制薄膜氢含量、厚度与反熔丝击穿特性之间的关系；分析介质之间的界面态和界面相互作用，阐明界面效应对多层介质结构反熔丝击穿特性的作用机理和影响规律；并通过N(氮)等离子体对介质表面进行处理，研究改善界面特性从而控制反熔丝击穿特性的方法，建立界面缺陷控制击穿性能的模型。α-SiC:H薄膜中Si和C的比例不同会导致α-C:H/α-SiC:H/和α-SiC:H/α-Si:H界面缺陷的不同。在制备过程中，通过α-SiC:H薄膜中Si和C比例的控制，达到界面缺陷控制击穿性能。工艺优化后制备的多层介质结构，α-C:H厚度10nm，α-SiC:H厚度8nm，α-Si:H厚度40nm，反熔丝器件样品的击穿电场集中（典型值为1.5Mv/cm，范围为1.36MV/cm~1.64MV/cm，典型值的±10%偏差范围内），击穿时间1.5ms，击穿电阻都在100欧姆以内且分布集中在55~75欧姆之间，5V下的漏电流保持在nA数量级（10pA/um2）。并且，在进行可靠性测试，在大于编程电流10倍的限流条件下测试未出现现熔断关断现象，表现出良好的可靠性。本项目的研究，解决了当工作电流接近或略大于编程电流时，已编程的反熔丝的熔断关断现象，避免了反熔丝FPGA在高可靠领域应用的隐患。将为研制高性能和高可靠的反熔丝FPGA提供科学理论依据和技术支持，探索出新型反熔丝FPGA的发展方向。