eFuse器件的电迁移三维有限元仿真_王锦任.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202307005July2023Semiconductor Technology Vol48 No7577eFuse 器件的电迁移三维有限元仿真王锦任1，2a，2b，王家佳2a，2b，赵晨阳1，2a，2b，刘海南2a，2b，李多力2a，2b，*(1 中国科学院大学 集成电路学院，北京100049;2 中国科学院 a 微电子研究所;b 硅器件技术重点实验室，北京100029)摘要:应用有限元分析软件建立了电可编程熔丝(eFuse)器件的三维有限元模型，通过离子流通量散度法和最小原子浓度法对 eFuse 器件的电迁移熔断过程进行了多物理场耦合有限元仿真，仿真结果能够较好地拟合器件的实际熔断效果。通过仿真对比了不同阴极面积和不同编程电压条件下的电迁移过程及熔断效果。结果表明，更大的阴极面积能够提高熔丝局部的温度梯度，从而提高熔断效率;更高的编程电压能够提供更高的电流密度和温度，从而加速电迁移的发生并增大了 eFuse 熔断区的面积。提出了一种具有外部辅助加热功能的 eFuse 器件结构，并在不同条件下进行了电迁移熔断仿真，结果表明该结构能够显著提高 eFuse 器件局部的离子流通量散度，从而提高 eFuse 存储单元的熔断效率和编程良率。关键词:电可编程熔丝(eFuse);电迁移;有限元仿真;离子流通量散度;热断裂中图分类号:TN389文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)070577083D Finite Element Simulation for Electromigration of eFuse DevicesWang Jinren1，2a，2b，Wang Jiajia2a，2b，Zhao Chenyang1，2a，2b，Liu Hainan2a，2b，Li Duoli2a，2b，*(1 School of Integrated Circuits，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China;2 a Institute of Microelectronics;b Key Laboratory of Science and Technology on Silicon Devices，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)Abstract:A three-dimensional finite element model of the electrical fuse(eFuse)device was es-tablished using finite element analysis software The electromigration blowing process of the eFuse devicewas simulated by the coupled multi-physics finite element method using the ionic flux divergence methodand the minimum atomic concentration method The simulation results can well fit the actual blowingresults of the device The electromigration process and blowing results under the conditions of differentcathode areas and programming voltages were compared through simulation The results show that a largercathode area can increase the local temperature gradient of the fuse，thus improving the blowing efficien-cy A higher programming voltage can provide higher current density and temperature to accelerate theelectromigration and increase the blowing area of the eFuse An eFuse device with external auxiliaryheating structure was proposed and the electromigration blowing simulation was performed under differentconditions The results show that the proposed structure can significantly improve the local ionic fluxdivergence of the eFuse device，thus improving the blowing efficiency and programming yield of theeFuse storage unitKeywords:electrical fuse(eFuse);electromigration;finite element simulation;ionic flux diver-gence;thermal ruptureEEACC:2560Z王锦任等:eFuse 器件的电迁移三维有限元仿真=578半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月0引言可编程只读存储器(POM)技术是集成电路领域中的重点研究方向之一。熔丝型 POM 存储单元在未写入数据时是导通的，通过一定的机制，如高温、高压等，使存储单元熔断呈现高阻态，从而实现数据的写入。电可编程熔丝(eFuse)器件是一种利用电迁移原理进行编程的 POM 存储器件。由于其制造工艺与常规 CMOS 工艺完全兼容，外围电路相对简单，可靠性较高，所以 eFuse 器件被广泛应用于电路修调和数据存储等领域12。在传统的 eFuse 器件开发过程中，往往是根据经验对 eFuse 器件的形状、几何尺寸、通孔数量及排布进行设计，流片后通过大量的编程测试来确定其合适的熔断窗口及编程良率。本文深入探究eFuse 器件的编程机理，利用多物理场耦合有限元仿真，依据电迁移编程原理对 eFuse 器件的编程过程进行建模和仿真，讨论不同结构和不同编程电压条件对 eFuse 器件编程效果的影响，并利用该模型对具有外部辅助加热功能的新型 eFuse 器件结构进行仿真，验证该结构对器件熔断效率的优化效果。1理论分析构成 eFuse 器件的主要材料是金属硅化物和多晶硅，常用的金属硅化物有 Co 硅化物、W 硅化物、Ti 硅化物和 Ni 硅化物等3。eFuse 器件的常规结构如图 1 所示，图中 M1 为金属层，顶视图中较窄的一端为 eFuse 的阳极，另一端为 eFuse 的阴极，中间相连部分为熔丝。从截面图可以看出，金属硅化物层和多晶硅层是熔丝材料的主要组成部分。阴极熔丝阳极M 1M 1M 1M 1接触孔接触孔氧化层氧化层多晶硅金属硅化物编程电流方向n+/p+图 1eFuse 器件常规结构Fig.1Conventional structure of the eFuse deviceeFuse 器件的熔断过程本质上是熔丝上的原子迁移过程。由于原子的大规模迁移，熔丝阻值逐渐增大，当熔丝阻值产生一个数量级以上的变化时，定义此时 eFuse 为熔断状态，熔断后的 eFuse 一般不可恢复4。在 eFuse 的熔断过程中，其熔丝部分的电流密度非常高，电迁移是其熔断过程的主要影响因素5，因此本文主要针对电迁移导致的原子迁移过程进行分析。当在熔丝两端施加电压时，由于熔丝的初始电阻较小，电路中会产生较大的导通电流，当大量高速电子流经熔丝时电子会碰撞熔丝导电层中的原子，在电子大量的碰撞作用下熔丝导电层中的原子逐渐发生从阴极到阳极的迁移，即电迁移现象。电迁移过程中离子流通量方程为6 JEM=NDfkTZ*qj(1)式中:JEM为电迁移过程中的离子流通量;N 为离子浓度;D 为迁移离子在晶格中的扩散系数;f 为取决于晶格类型的修正因子;k 为玻耳兹曼常数;T 为热力学温度;Z*为离子的有效电荷;q 为电子电荷;为熔丝材料的电阻率;j 为电流密度。其中 D 可以表示为D=D0exp EakT()(2)式中:D0为自扩散系数;Ea为材料的激活能7。在熔丝中，当流入和流出的离子流密度不相等时，由电迁移产生的原子输运会导致熔丝局部出现空洞或小丘，继而发生电迁移失效。通常用离子流通量散度(div(JEM)来表征导体中电迁移失效的强度6，8，即div(JEM)=EakT21T+0()Z*qJEMkTN T(3)式中:为材料的电阻率温度系数;0为材料常温下的电阻率;T 为温度梯度。若某位置的离子流通量散度为正，则表示电迁移起到了促进离子流失形成空洞的作用，反之则起到抑制的作用。本文通过求解温度场、电流密度场以及应力分布场得到关键参数，对电迁移离子流通量及电迁移离子流通量散度进行仿真计算。离子流通量散度与离子浓度的关系可表示为div(JEM)+Nt=0(4)王锦任等:eFuse 器件的电迁移三维有限元仿真=July2023Semiconductor Technology Vol48 No7579式中 t 为时间。通过式(4)可计算出 eFuse 器件在熔断过程中离子浓度的变化，以判断金属硅化物熔断的位置及范围。2模型建立本文利用 COMSOL Multiphysics 软件对 eFuse器件的熔断过程进行了仿真，对其熔断机理、熔断位置及形貌进行了仿真研究，并与实际 eFuse 器件的扫描电子显微镜(SEM)图进行了对比。仿真过程包括几何建模、物理场及参数选取、网格划分及耦合仿真结果分析等。模型中采用了电流、固体传热、固体力学物理场的耦合仿真。2.1几何模型与材料参数本文所采用的器件模型为 0.18 m 工艺 Co 硅化物 eFuse 模型。将不同结构的 eFuse 器件版图导入 COMSOL 软件中进行几何建模，其中典型 eFuse器件结构的熔丝部分宽度为 0.2 m，长度为1 m，阴极电极区尺寸为 2 m1.4 m，阳极电极区尺寸为 1.2 m 1.2 m，接 触 孔 尺 寸 为0.2 m0.2 m，Co 硅化物厚度为20 nm，多晶硅厚度为 135 nm。器件周围材料设置为二氧化硅。x/my/mz/mxyz-224000-2-222(a)器件几何模型(整体)(b)器件几何模型(局部)xyzx/my/mz/m-12013 1-10-0.0 5C o 硅化物多晶硅接触孔阴极熔丝阳极图 2eFuse 器件的几何结构模型Fig.2Geometric structure model of the eFuse device模型中各材料的物理参数(300 K 条件下)如表 1 所示，在仿真中考虑了其温度特性。表 1模型中材料的物理参数Tab.1Physical parameters of the material in the model材料电阻率/(m)电阻率温度系数/K1导热系数/(Wm1K1)恒压热容/(Jkg1K1)Co 硅化物 1.031071.3810227380多晶硅2.001051.25103149678SiO20.27730仿真中设置 Co 硅化物的激活能为 2 eV，自扩散系数为 9.8105m2/s910。在电迁移理论中，金属硅化物的有效电荷数较难获取，因此模型中参考了 Al 材料的电迁移参数，设置 Co 硅化物的有效电荷数为30。2.2模型算法在模型中加入电流、固体传热和固体力学物理场，以及电磁热、热膨胀耦合物理场，对 eFuse 通电过程中的电流、电势、电场、温度等物理参数进行计算，其中电流场只对 Co 硅化物层和多晶硅层生效。再通过域常微分和微分代数方程模块对eFuse 编程过程中的离子浓度分布进行计算。为了有效地仿真 eFuse 的电迁移失效情况，本文采用由 K.Sasagawa 等人11 提出的最小原子浓度法对失效位置与范围进行计算。当原子浓度小于最小临界原子浓度 Nmin时，将该处定义为空洞;而当原子浓度超过最大临界原子浓度 Nmax时将形成小丘;当原子浓度介于 Nmin和 Nmax之间时，既不会形成空洞也不会形成小丘。在工程实践中，通常将Nmin设置为初始原子浓度的 10%。由于空洞的形成对 eFuse 熔断效果的影响更大，所以本文仅对空洞形成的位置与范围进行了仿真。本文利用固体力学物理场中的活化模块对电迁移失效单元进行判断和定义。当实际原子浓度小于Nmin时，将该单元激活，此时其弹性刚度、电导率、热导率将降低到可以忽略不计的程度，以模拟空洞的实际形成过程。3仿真结果3.1电迁移熔断仿真对图 2 所示结构的 eFuse 器件进行多物理场电迁移仿真，仿真条件为:阳极电位 3 V、阴极电位0 V、环境温度 300 K、瞬态仿真时间 1 s。图 3为 eFuse 器件通电过程中的温度分布情况，温度最高的部分位于熔丝处，最高温度可达 1 170 K，而两端电极处温度为 500 K 左右，熔丝与电极连接处王锦任等:eFuse 器件的电迁移三维有限元仿真=580半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月有较高的温度梯度。图 4 为 eFuse 的电流密度分布，在熔丝与电极区连接拐角处，电流密度最高达到 8.681012A/m2，熔丝部分的平均电流密度约为61012A/m2。图 5 为 eFuse 离子流通量散度分布示意图，阴极与熔丝连接处的散度最高，更容易发生原子迁移。温度/K1 1 7 01 1 0 01 0 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 5 9图 3eFuse 器件温度分布Fig.3Temperature distribution of the eFuse device电流密度/(A m-2)8.6 8 1 01 28 1 01 27 1 01 26 1 01 25 1 01 24 1 01 23 1 01 22 1 01 21 1 01 24.8 1 1 05图 4eFuse 器件电流密度分布Fig.4Current density distribution of the eFuse deviced i v(JE M)/(m-3 s-1)1 6 51 0-21 0-61 0-1 01 0-1 41 0-1 81 0-2 28.1 2 1 0-2 3图 5eFuse 器件离子流通量散度分布Fig.5Ionic flux divergence distribution of the eFuse device金属硅化物层中由电迁移质量输运而产生的空洞位置如图 6 所示。空洞的位置即为 eFuse 的熔断区。阴极与熔丝相接处和部分熔丝发生了熔断，熔断区的形状为扇形。该区域的电流密度发生了突变，流出的电流密度远大于流入的电流密度，使得离子流通量散度为正值，单元内的原子浓度逐渐降低，从而在此处集中产生了空洞。在实际应用中，eFuse 编程后产生的扇形熔断区面积越大，代表其编程后阻值越稳定，且越不容易在长期读取过程中发生反向电迁移的现象，可靠性越高。图 7 为一个eFuse 器件熔断后的 SEM 图，其金属硅化物层经过电迁移熔断后产生了一个扇形的熔断区，与仿真结果较为吻合。图 6eFuse 器件电迁移熔断效果仿真结果Fig.6Simulation result of electromigration blowing effect ofthe eFuse device3 0.0 k V7.7 m m 2 0.0 k2.0 0 m图 7eFuse 器件熔断后的 SEM 图Fig.7SEM image of the blown eFuse device温度梯度/(K m-1)1 091 081 07温度梯度/(K m-1)1 091 081 07(b)器件B(a)器件A图 8不同阴极面积 eFuse 器件的温度梯度分布Fig.8Temperature gradient distribution of eFuse deviceswith different cathode areas3.2阴极面积对 eFuse器件电迁移的影响在进行 eFuse 结构设计时，往往将阴极面积设计得很大，一方面可使得电极区与熔丝区面积相差更大，在这两个区域相接处，电流密度梯度会更高;另一方面，在 eFuse 熔断过程中，更大的电极面积能够更好地散热，形成更高的温度梯度。这两方面因素可以使电迁移过程中离子流通量散度更高，从而获得更高的熔断效率，同时，这种设计也可以使形成空洞的位置更加集中，从而使 eFuse 熔断后的阻值一致性更好。图 8 和图 9 为不同阴极面王锦任等:eFuse 器件的电迁移三维有限元仿真=July2023Semiconductor Technology Vol48 No7581积的 2 种 eFuse 器件的温度梯度分布仿真结果，其中器件 A 的阴极电极区宽度比器件 B 的增加了150%。图 10 为离子流通量散度分布仿真结果，仿真时将编程电压设置为 3 V。与器件 B 相比，器件A 的温度梯度最大值增加了 19%，离子流通量散度增加了 67%。3.02.52.01.51.00.50 2 10123x/m温度梯度/(1 09K m 1)器件A器件B图 9不同阴极面积 eFuse 器件沿 x 轴的温度梯度分布Fig.9Temperature gradient distribution of eFuse deviceswith different cathode areas along x-axis2 0 01 5 01 0 05 00-5 0-1 0 0-1 5 0-2 0 0-2-10123x/m离子流通量散度/(m-3 s-1)器件A器件B图 10不同阴极面积 eFuse 器件沿 x 轴的离子流通量散度分布Fig.10Ionic flux divergence distribution of eFuse deviceswith different cathode areas along x-axis3.3编程电压对 eFuse器件电迁移的影响在 eFuse 器件的电极两端施加不同的编程电压，比较其在相同编程时间后的编程效果，如图1114 所示。编程电压越大，熔丝处的电流密度和温度越高，导致其电迁移离子流通量散度越大，从而提高了编程效率，并且越大的编程电压可以使eFuse 器件的熔断范围更大。当编程电压为 5 V 时，熔丝的最高温度达到了 1 300 K，若编程电压继续增大，使熔丝温度超过 Co 硅化物的熔点(1 550 K)，此时可能会导致 eFuse 器件发生热断裂或热聚合的现象，使熔断位置以及熔断后的阻值不可控1213。在实际应用中，应首先通过仿真确定使器件发生热断裂的电压阈值，再以此电压为上限，根据系统需求和实际良率测试结果选取最佳的编程电压范围，从而保证 eFuse 器件在不产生热断裂和热聚合的条件下进行熔断，获得更好的编程一致性和更高的编程良率。4.03.22.41.60.80-2-10123x/m电流密度/(1 01 2A.m-2)编程电压为1.5 V编程电压为3 V编程电压为5 V图 11不同编程电压下 eFuse 器件沿 x 轴的电流密度分布Fig.11Current density distribution of eFuse devices withdifferent programming voltages along x-axis1 4 0 01 2 0 01 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 0 2 10123x/m温度/K编程电压为1.5 V编程电压为3 V编程电压为5 V图 12不同编程电压下 eFuse 器件沿 x 轴的温度分布Fig.12Temperature distribution of eFuse devices withdifferent programming voltages along x-axis1 2840-4-8-1 2-2-10123x/m离子流通量散度/(1 03m-3 s-1)编程电压为1.5 V编程电压为3 V编程电压为5 V图 13不同编程电压下 eFuse 器件沿 x 轴的离子流通量散度分布Fig.13Ionic flux divergence distribution of eFuse deviceswith different programming voltages along x-axis王锦任等:eFuse 器件的电迁移三维有限元仿真=582半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月(a)编程电压为1.5 V(b)编程电压为3 V(c)编程电压为5 V图 14不同编程电压下 eFuse 器件熔断效果仿真结果Fig.14Simulation results of blowing effect of eFuse deviceswith different programming voltages3.4具有热辅助结构的 eFuse器件电迁移仿真由式(3)可知，温度和温度梯度越高，会使离子流通量散度越大，从而加速 eFuse 器件的熔断过程。建立了具有热辅助结构的 eFuse 器件几何结构模型，如图 15 所示。在 eFuse 器件主体结构下方增加辅助加热结构，对其两端施加电压，利用其产生的焦耳热对 eFuse 器件进行加热，提高 eFuse器件阴极与熔丝连接处局部的温度和温度梯度，从而提高 eFuse 器件的熔断效率。该热辅助结构的引出端材料为 Co 硅化物，加热区位于 eFuse 器件正下方，材料为单晶硅(即 CMOS 工艺中的沟道区域)，为简化分析，设置加热区厚度与引出端厚度相同，实际工艺中可以通过改变加热区掺杂浓度来改变其电阻率。热辅助结构与 eFuse 器件主体结构之间由一层 5 nm 厚的氧化物进行隔离。为尽量避免加热区在工作时因 eFuse 器件上的编程电压而产生反型层，影响加热效果，在实际工艺中，eFuse器件和加热区均应采用 n 型掺杂。热辅助结构整体阻值远高于 eFuse 器件阻值，其链路中的电流密度也较低，因此在仿真中不考虑热辅助结构材料中的原子迁移损耗。x/my/m-120131-1引出端0加热区z/m-0.0 5图 15具有热辅助结构的 eFuse 器件几何结构模型Fig.15Geometric structure model of the eFuse device withexternal auxiliary heating structure设置热辅助结构两端编程电压为 3 V，eFuse器件编程电压为 3 V，改变加热区材料的电阻率，通过电迁移仿真对比不同电阻率条件对加热效果以及 eFuse 器件熔断效果的影响。在 2 103、2 104、2105m 电阻率条件下，加热区的阻值分别为 100、10 和 1 k。仿真结果(图 1618)表(a)加热区电阻率为2 1 0-3 m(b)加热区电阻率为2 1 0-4 m(c)加热区电阻率为2 1 0-5 m温度/K1 1 7 01 1 0 01 0 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 5 3温度/K1 1 8 01 1 0 01 0 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 5 3温度/K1 2 7 01 2 0 01 0 0 08 0 06 0 04 0 03 6 0m a x:1 1 7 0.9 2m a x:1 1 7 8.7 7m a x:1 2 6 4.4 8图 16具有不同电阻率热辅助结构的 eFuse 器件的温度分布Fig.16Temperature distribution of eFuse devices withexternal auxiliary heating structure of differentresistivities!2!101231 4 0 01 2 0 01 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 0温度/Kx/m=2 1 0!3 m=2 1 0!4 m=2 1 0!5 m图 17具有不同电阻率热辅助结构的 eFuse 器件沿 x 轴的温度分布Fig.17Temperature distribution along x-axis of eFuse deviceswith external auxiliary heating structure of differentresistivities!2!101231 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 00!2 0 0!4 0 0!6 0 0离子流通量散度/(m!3 s!1)x/m=2 1 0!3 m=2 1 0!4 m=2 1 0!5 m图 18具有不同电阻率热辅助结构的 eFuse 器件沿 x 轴的离子流通量散度分布Fig.18Ionic flux divergence distribution along x-axis of eFusedevices with external auxiliary heating structure ofdifferent resistivities王锦任等:eFuse 器件的电迁移三维有限元仿真=July2023Semiconductor Technology Vol48 No7583明，加热区电阻率越低，对 eFuse 器件起到的加热效果越好，并使得 eFuse 的离子流通量散度更高，从而提高了 eFuse 的熔断效率。设置加热区电阻率为 2105m，eFuse 器件两端电压为 3 V，改变施加于加热结构两端的电压，通过电迁移熔断仿真对比不同加热电压条件对eFuse 器件的加热效果及熔断效果的影响。仿真结果(图 1921)表明，施加在加热结构两端的电压越高，对 eFuse 器件起到的加热效果越好，对应熔丝处的离子流通量散度越高。相较于常规结构的eFuse 器 件，设 置 加 热 区 材 料 电 阻 率 为 2 105m、加热电压为 3 V 时，具有热辅助结构的 eFuse 器件能将器件中离子流通量散度的最大值提高 400%左右。同时，具有热辅助结构的 eFuse器件也能在一定程度上增加器件扇形熔断区的面积，如图 22 所示。在实际应用中，该结构能够帮助提高 eFuse 存储单元的熔断效率和编程良率。温度/K1 1 7 01 1 0 01 0 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 5 3温度/K1 1 9 01 1 0 01 0 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 5 4温度/K1 2 7 01 2 0 01 0 0 08 0 06 0 04 0 03 6 0m a x:1 1 7 0.2 1m a x:1 1 8 8.8 7m a x:1 2 6 4.5 6(a)加热电压为0 V(b)加热电压为1.5 V(c)加热电压为3 V图 19不同加热电压下 eFuse 器件的温度分布Fig.19Temperature distribution of eFuse devices withdifferent heating voltages!2!101231 4 0 01 2 0 01 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 0温度/Kx/m加热电压为0 V加热电压为1.5 V加热电压为3 V图 20不同加热电压下 eFuse 器件沿 x 轴的温度分布Fig.20Temperature distribution of eFuse devices withdifferent heating voltages along x-axis!2!101231 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 00!2 0 0!4 0 0!6 0 0离子流通量散度/(m!3 s!1)x/m加热电压为0 V加热电压为1.5 V加热电压为3 V图 21不同加热电压下 eFuse 器件沿 x 轴的离子流通量散度分布Fig.21Ionic flux divergence distribution of eFuse deviceswith different heating voltages along x-axis(a)编程电压为 3 V，加热电压为 0 V(b)编程电压为 3 V，加热电压为 1.5 V(c)编程电压为 3 V，加热电压为 3 V图22不同加热电压下 eFuse 器件电迁移熔断效果仿真结果Fig.22Simulation results of electromigration blowing effectof eFuse devices with different heating voltages通过仿真验证热辅助结构对 eFuse 器件编程电压和编程时间的优化效果。在不同编程条件下对具有热辅助结构 eFuse 器件进行了电迁移熔断仿真，王锦任等:eFuse 器件的电迁移三维有限元仿真=584半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月设置加热区电阻率为 2105m，结果如表 2 所示。用扇形熔断区面积大小作为判断 eFuse 编程效果的依据。其中以编程条件 1 的编程效果为基准，即在偏置条件 2、3、4、5 下进行编程的器件，其扇形熔断区面积都与 1 相同。结果表明，在获得相同编程效果的前提下，设置加热电压为 1.5 V 和3 V时可以分别将 eFuse 器件所需的编程电压降低约 4%和 10%，或将所需的编程时间减少 20%和60%，从而提高了编程的效率。表 2不同编程条件对 eFuse器件编程的优化效果Tab.2Optimization effect of different programming conditionson eFuse device programming序号加热电压/V编程电压/V编程时间/s103.01.021.52.91.033.02.71.041.53.00.853.03.00.44结论本文建立了 eFuse 器件的三维有限元模型，通过离子流通量散度法和最小原子浓度法对 eFuse 器件的电迁移熔断过程进行了多物理场耦合有限元仿真分析，电迁移熔断仿真结果能够较好地拟合实际器件的熔断效果。通过仿真对比了不同阴极面积和不同编程电压条件下的电迁移过程及熔断效果。结果表明，更大的阴极面积能够提高熔丝局部的温度梯度，从而提高熔断效率;更高的编程电压能够提供更高的电流密度和温度，从而加速了电迁移的发生并增大了eFuse 器件熔断区的范围。提出了一种具有外部辅助加热结构的 eFuse 器件结构，并在不同加热条件下进行了电迁移熔断仿真。仿真结果表明，以编程电压 3 V 为参考基准，相较于常规结构的 eFuse 器件，设置加热区材料电阻率为 2105m、加热电压为 3 V 时，具有热辅助结构的 eFuse 器件能将器件中离子流通量散度的最大值提高 400%左右，可以将 eFuse 器件所需的编程电压降低 10%，或将所需的编程时间减少60%。说明该结构能够有效提高 eFuse 存储单元的熔断效率和编程良率。参考文献:1 EBAD E，ALLADB，CANDELIEP，etaleview of fuse and antifuse solutions for advancedstandard CMOS technologies J Microelectronics Jour-nal，2009，40(12):17551765 2 CHUNG S，FANG W K，HSU Y C，et al Ultra-smalland ultra-reliable innovative fuses scalable from 0.35 mto 28 nm C Proceedings of International Conferenceon Microelectronic Test Structures(ICMTS)Yokohama，Japan，2016:148151 3 ANG B，TUMAKHA S，IM J，et al NiSi polysiliconfuse reliability in 65-nm logic CMOS technology J IEEE Transactions on Device and Materials eliability，2007，7(2):298303 4 KOTHANDAAMAN C，IYE S K，IYE S S Electri-cally programmable fuse(eFuse)using electromigrationin silicides J IEEE Electron Device Letters，2002，23(9):523525 5 DALLEAU D，WEIDE-ZAAGE K Three-dimensionalvoids simulation in chip metallization structures:a contri-bution to reliability evaluation J Microelectronicseliability，2001，41(9/10):16251630 6 张墅野，鲍天宇，修子扬，等 三维封装电迁移 Cu互连线的多物理场模拟仿真 J 材料导报，2021，35(2):21332138 7 DALLEAUD，WEIDE-ZAAGEK，DANTOYSimulation of time depending void formation in copper，aluminum and tungsten plugged via structures J Microelectronics eliability，2003，43(9/10/11):18211826 8 WEIDE-ZAAGE K，DALLEAU D，DANTO Y，et alVoid formation in a copper-via-structure depending on thestressfreetemperatureandmetallizationgeometry C Proceedings of the 5thInternational Conferenceon Thermal Mechanical Simulation Experiments inMicroelectronics Microsystems Brussels，Belgium，2007:367372 9 MIUA H，MA E，THOMPSON C V Initial sequenceand kinetics of silicide formation in cobalt/amorphous-silicon multilayer thin films J Journal of AppliedPhysics，1991，70(8):42874294 10 van DAL M J H，HUIBES D G G M，KODENTSOVA A，et al Formation of Co-Si intermetallics in bulkdiffusioncouples(partI):growthkineticsandmobilities of species in the silicide phases J Interme-tallics，2001，9(5):409421 11 SASAGAWA K