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金屬eFuse內部結構揭密

上網時間: 2016年02月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:eFuse  電子熔絲  HKNG  熔線  CMOS 

作者:Kevin Gibb,TechInsights產品線工程師;

Lev Klibanov,TechInsights製程分析師

為了瞭解晶片如何製造以及為什麼在某些情況下表現出特定結構,TechInsights經常針對晶片進行反向工程。本文討論在金屬閘邏輯製程中所採用的兩種電子熔絲(eFuse)結構,包括英特爾(Intel)與台積電(TSMC)所打造的eFuse結構。

首先觀察英特爾採用32nm高介電常數金屬閘(HKMG)製程的Westmere/Clarkdale處理器(約2009年發表)中的eFuse結構。當時,英特爾採用eFuse作為一次性可編程唯讀記憶體(OTP-ROM)的一部份。如今,我們知道其用途還包括保存編程程式碼、晶片上配置資料以及加密密鑰。

在金屬閘極出現以前,電子可熔斷晶片熔絲通常由多晶矽閘極層製造。但隨著金屬閘極CMOS製程出現,多晶矽無法再做為熔絲元件。那該怎麼辦呢?

英特爾在2010年發表了一份關於其32nm製程OTP-ROM的文件(Kulkarni et al. J. Solid-State Circuits 2010),透露其採用電子熔斷金屬熔絲(eFuse)作為記憶體元件。該熔斷元件透過第2個過孔(via 2)連接第2層金屬(metal 2;M2)匯流排到第3層金屬(metal 3;M3)線製造而成。其3D熱建模顯示在過孔上面的部份是可熔斷的元件。

但是,我們發現在Westmere/Clarkdale處理器中的熔線(fusible link)或熔絲,採用如圖1的頂層金屬(metal 1;M1)走線建置。


圖1:由圖中可看到2個熔斷的熔絲和6個完整的熔絲,彼此互連至基本的驅動電晶體。熔絲的熔斷部份形狀並不規則,但與構成M1走線的銅原子電遷移(EM)保持一致

英特爾所發表的論文中描述這種空隙的形成(熔斷作用)是根據熱輔助電遷移而來。

在熔絲的左側可看到較大的過孔,這主要用於在過孔底部保持低電流密度,以確保這種電遷移空隙出現在熔線上。

進行電遷移的金屬線‘平均無故障時間’(MTTF)可由Black的公式(1)(JEDEC JESD63,1998)計算出來:

公式(1)中的J是電流密度,T為溫度,Ea是指大約0.9電子伏特(eV)的活化能量(activation energy),A是常數,k是波茲曼(Boltzman)常數,n則是範圍從1到2之間的建模參數,在此取n=1。

我們可以使用公式(1)估計英特爾的eFuse需要多長時間進行熔斷。為此,我們測量了熔絲的截面積(1x10-10cm2),估算出MOS驅動電晶體約使用12mA的恆定驅動電流熔斷熔絲(~1.2x108A/cm2)。根據現有的資料顯示,在溫度300℃、1.5mA/cm2的偏置電流下,Damascene鑲嵌銅線的MTTF約為440小時(R. L. de Orio et al. VLSI-SoC conference 2009)。440小時MTTF是從其圖表之一推論而來,很可能導致相當程度的不確定性。

根據英特爾的論文顯示其熔絲在過孔頂部具有溫度高達1,000 ℃的熱點,但Westmere/Clarkdale eFuse採用像M1的金屬片建置。我們懷疑M1熔絲可自加熱至1,000 ℃,不過500 ℃也還算合理。這種假設結合公式(1)可實現約0.2微秒(us)的MTTF時間。英特爾使用約1us的時間偏置2V脈衝熔斷其熔絲,因此,我們估計約0.2us的結果也很合理。

我們以庫存的一款Westmere/Clarkerdale處理器複製了英特爾的熔絲熔斷過程,並以圖2顯示熔斷熔線的穿透式電子顯鏡(TEM)截面圖。透過為此特定樣本進行脫層後,暴露出接觸M1熔線的M2走線。這些走線連接至一款4點探針,並施加0-2V偏置脈衝與13mA峰值電流。出現在M1走線的空隙表示成功熔斷了熔絲。


圖2:透過為此樣本進行脫層後,暴露出接觸M1熔線的M2走線。這些走線連接至一款4點探針,並施加0-2V偏置脈衝與13mA峰值電流。在M1走線的空隙表示成功熔斷了熔絲

並不是只有英特爾一家公司採用eFuse結構,我們發現該元件也出現在台積電20nm平面HKMG製程的幾款產品中。圖3顯示台積電的熔絲在M2時形成,其中兩款已經熔斷。這些熔絲成對地出現,其中之一可作為熔線,另一款則可能用於差動感測電路的參考元件。


圖3:採用台積電eFuse 20nm平面HKMG製程的高通(Qualcomm) Gobi MDM9235數據機邏輯結構分析

圖4所示的熔絲具有蝴蝶結形狀的狹窄熔線,連接至更寬的轉換區與較大的終端元件。圖中可看到6個過孔接觸至終端元件,過孔冗餘提供低電阻連接至熔線。


圖4:台積電的eFuse的放大圖

(下一頁繼續:更多台積電eFuse揭密)


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