一種用于OTP存儲(chǔ)器的靈敏放大器設(shè)計(jì)

袁同偉，潘 濱，孫杰杰，胡曉琴（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

?

一種用于OTP存儲(chǔ)器的靈敏放大器設(shè)計(jì)

袁同偉，潘 濱，孫杰杰，胡曉琴
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于反熔絲OTP存儲(chǔ)器的靈敏放大器電路，該電路采用電壓型靈敏放大，通過嚴(yán)格的讀控制時(shí)序，該靈敏放大器能夠準(zhǔn)確無誤地讀出并鎖存反熔絲存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀態(tài)。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、電阻識(shí)別精度高、抗干擾能力強(qiáng)。仿真驗(yàn)證表明，在典型條件下，整個(gè)靈敏放大階段僅需要8 ns，且滿足在不同工作電壓及溫度條件下的工作需求。

反熔絲；OTP；存儲(chǔ)器；靈敏放大器

1　引言

OTP（one time programmable）存儲(chǔ)器以其保密性強(qiáng)、可靠性高、存儲(chǔ)單元面積小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在對(duì)保密性要求較高且只需一次編程的場(chǎng)合，如密鑰存儲(chǔ)芯片、航空航天、太空火箭、衛(wèi)星等環(huán)境惡劣的地方［1，2］。反熔絲是具有天然抗輻射特性的器件［3］，具有非易失性、體積小、速度快、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模存儲(chǔ)器中，反熔絲OTP存儲(chǔ)器體積小、制造成本低且可靠性高等優(yōu)勢(shì)日益凸顯［4］。在大容量存儲(chǔ)器中，外圍電路對(duì)存儲(chǔ)器性能有著重要的影響［5］，其中靈敏放大器是讀出電路的核心單元，決定存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀態(tài)能否被準(zhǔn)確識(shí)別并鎖存，最終正確讀出，同時(shí)由于位線較長(zhǎng)時(shí)，寄生電容對(duì)存儲(chǔ)器的速度和功耗也起著至關(guān)重要的作用。理想的反熔絲單元編程前表現(xiàn)為高阻狀態(tài)，高達(dá)109Ω以上，編程成功后表現(xiàn)為低阻狀態(tài)，隨著工藝的發(fā)展，反熔絲編程成功后電阻低至0～200 Ω，反熔絲單元電阻特性與編程電壓、編程電流、編程時(shí)間等條件緊密相關(guān)［6～9］，根據(jù)反熔絲編程電阻特性，在編程過程中電阻呈指數(shù)曲線減小［10］。為了確保反熔絲編程后的低電阻和良好的一致性，希望分布在穩(wěn)定的電阻區(qū)間內(nèi)，但由于反熔絲工藝尚未成熟，個(gè)別反熔絲編程后電阻一致性較差，需要在編程過程中通過讀出校驗(yàn)來識(shí)別出未編程徹底的反熔絲。無論在編程或讀出過程中，靈敏放大器的讀出精度和速度決定著能否快速、準(zhǔn)確地識(shí)別并讀取存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀態(tài)。

靈敏放大器一般分為電流型靈敏放大器和電壓型靈敏放大器［11～12］兩種，電流靈敏放大器放大速度快，可以在低電壓下工作，但對(duì)反熔絲識(shí)別精度低。編程后反熔絲電阻分布在kΩ量級(jí)以下時(shí)電流差異較小，無法精確識(shí)別的電阻區(qū)間較大，無法精確識(shí)別出未徹底編程的反熔絲單元。該區(qū)間反熔絲電阻特性不穩(wěn)定，經(jīng)過多次讀出電流沖擊會(huì)導(dǎo)致電阻漂移，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致讀出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。因此本文設(shè)計(jì)了一種高精度的電壓型靈敏放大器，通過嚴(yán)格的時(shí)序邏輯控制整個(gè)靈敏放大及數(shù)據(jù)鎖存過程，對(duì)反熔絲存儲(chǔ)單元編程后電阻識(shí)別精度達(dá)到歐姆量級(jí)，能夠快速、準(zhǔn)確地識(shí)別并在穩(wěn)定狀態(tài)下鎖存反熔絲存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀態(tài)，通過調(diào)整電路參數(shù)，可以滿足不同電壓（1.8～5.5 V）和溫度（-55～125℃）范圍內(nèi)的工作需求。

2　靈敏放大器結(jié)構(gòu)及原理

2.1電流靈敏放大器

電流靈敏放大器工作一般分為兩個(gè)過程，首先對(duì)位線電容的預(yù)充電和對(duì)部分節(jié)點(diǎn)的初始電壓設(shè)置，然后電流靈敏放大器對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放大。圖1、2分別為文獻(xiàn)［1］、［2］中OTP存儲(chǔ)器中采用的電流靈敏放大器結(jié)構(gòu)。

圖1、2中兩種電流靈敏放大器均是通過對(duì)流過被選中的存儲(chǔ)單元位線BL電流采樣，與基準(zhǔn)電流進(jìn)行對(duì)比，然后對(duì)輸出電流進(jìn)行靈敏放大，通過相應(yīng)的邏輯控制輸出存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀態(tài)。未編程的反熔絲存儲(chǔ)單元呈高阻特性，流過位線BL的電流很?。╢A級(jí)），小于基準(zhǔn)電流IREF，靈敏節(jié)點(diǎn)輸出高電平；對(duì)于編程后的反熔絲存儲(chǔ)單元，流過位線BL的電流較大（mA級(jí)），大于基準(zhǔn)電流IREF，靈敏節(jié)點(diǎn)輸出低電平。

圖1　文獻(xiàn)［1］電流靈敏放大器

圖2　文獻(xiàn)［2］電流靈敏放大器

2.2電壓靈敏放大器

圖1、2中的電流靈敏放大器，對(duì)于編程后電阻分布在幾十千歐范圍的反熔絲存儲(chǔ)單元，對(duì)電阻的精度要求較低，基準(zhǔn)電流設(shè)置在μA量級(jí)（介于fA和mA之間）即可完成對(duì)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)狀態(tài)的識(shí)別。但隨著工藝發(fā)展，反熔絲編程后電阻分布逐漸減小，低至0～200 Ω，為了確保反熔絲編程后低電阻及一致性，需要精確識(shí)別出反熔絲編程是否徹底，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻的精確識(shí)別，需要較大的基準(zhǔn)電流，對(duì)存儲(chǔ)器的功耗和面積都會(huì)帶來不可忽視的影響。

本文中采用一種電壓型靈敏放大器結(jié)構(gòu)，通過對(duì)存儲(chǔ)單元位線BL節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行采樣后放大，讀取存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀態(tài)，不需要額外的基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路，通過調(diào)整預(yù)充電PM0管尺寸和反相器翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV設(shè)置可識(shí)別的讀取電阻臨界值，結(jié)合嚴(yán)格的時(shí)序控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)狀態(tài)的精確識(shí)別并準(zhǔn)確鎖存。當(dāng)反熔絲編程后的電阻值低于讀取電阻臨界值時(shí)，節(jié)點(diǎn)D’電壓低于反相器INV翻轉(zhuǎn)閾值，節(jié)點(diǎn)D輸出低電平；當(dāng)反熔絲編程后電阻值高于讀取電阻臨界值時(shí)，節(jié)點(diǎn)D’電壓高于反相器INV翻轉(zhuǎn)閾值，節(jié)點(diǎn)D輸出高電平。在整個(gè)工作過程中，采用脈沖驅(qū)動(dòng)放大電路，只有在有效讀取時(shí)間（ATD_pulse上升沿至PRE&DIS上升沿期間）內(nèi)才存在從VDD到GND的讀取電流通路，通過控制讀時(shí)序的脈沖寬度可以有效降低讀出狀態(tài)的功耗。同時(shí)，在靈敏放大器中，不直接對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)D’鎖存，采用兩級(jí)反相器緩沖，提高數(shù)據(jù)輸出的穩(wěn)定性，同時(shí)提高帶負(fù)載能力，并隔離了外部電路對(duì)模擬電路部分的影響，之后采用CMOS傳輸門將數(shù)據(jù)鎖存到DICE結(jié)構(gòu)中；讀取脈沖結(jié)束后傳輸門關(guān)閉，不再對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，靈敏放大器的輸出信號(hào)不受前級(jí)影響，提高數(shù)據(jù)輸出的可靠性和穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，ATD_pulse為靈敏放大器讀出控制信號(hào)，S1、S2為經(jīng)過延時(shí)產(chǎn)生的時(shí)序控制信號(hào)，控制傳輸門的開啟與關(guān)閉，BL為連接存儲(chǔ)陣列的位線節(jié)點(diǎn)，D’為靈敏放大輸出節(jié)點(diǎn)，D為D’經(jīng)過兩級(jí)反相器緩沖后的信號(hào)，Vo_SA為整個(gè)靈敏放大器輸出信號(hào)，PRE&DIS為預(yù)充電PM0管和放電清零NM0管控制信號(hào)；PM0為預(yù)充電PMOS管；NM0為放電清零NMOS管；NM5為編程與讀出隔離管，控制信號(hào)Prog_VC由編程信號(hào)產(chǎn)生，編程時(shí)為低電平，NM5關(guān)斷，讀出時(shí)為高電平，NM5導(dǎo)通；NM6為讀出保護(hù)管，Vbias為NM6管的偏置信號(hào)，當(dāng)工作電壓較高時(shí)，通過偏置信號(hào)可以調(diào)節(jié)傳輸?shù)紹L節(jié)點(diǎn)電壓不高于反熔絲擊穿電壓的一半，確保未編程反熔絲在讀出狀態(tài)下的安全。

圖3　電壓靈敏放大器電路結(jié)構(gòu)

詳細(xì)工作原理如下：

（1）預(yù)充電PM0管對(duì)位線BL充電：讀控制信號(hào)ATD_pulse（高電平有效）脈沖到來前，放電清零NM0管將位線電壓保持在零電平；ATD_pulse脈沖到來后，預(yù)充電PM0管導(dǎo)通，對(duì)被選中存儲(chǔ)單元的位線BL充電，同時(shí)被選中的存儲(chǔ)單元對(duì)位線BL放電，PM0提供的充電電流大于放電電流，位線BL及D’節(jié)點(diǎn)被充電到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于未編程的反熔絲存儲(chǔ)單元，呈現(xiàn)高阻特性，D’節(jié)點(diǎn)電壓高于反相器INV翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV，反相器INV輸出低電平；對(duì)于已編程成功的反熔絲存儲(chǔ)單元，呈現(xiàn)低阻特性，D’節(jié)點(diǎn)電壓低于反相器INV翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV，反相器INV輸出高電平。

（2）鎖存數(shù)據(jù)：ATD_pulse脈沖到來后，經(jīng)過延時(shí)產(chǎn)生的控制信號(hào)S1、S2開啟傳輸門，將節(jié)點(diǎn)D的狀態(tài)鎖存到DICE結(jié)構(gòu)中。ATD_pulse脈沖結(jié)束后，傳輸門關(guān)閉信號(hào)S1、S2比預(yù)充電PM0管、清零放電NM0管控制信號(hào)先到來，在預(yù)充電PM0管未關(guān)斷之前，先將傳輸門關(guān)閉，保證鎖存器在數(shù)據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)下鎖存存儲(chǔ)單元的狀態(tài)。

（3）開啟NM0管對(duì)位線放電清零：讀控制信號(hào)ATD_pulse結(jié)束，傳輸門控制信號(hào)S1、S2先關(guān)閉傳輸門，S2控制傳輸門關(guān)閉后，經(jīng)過一級(jí)或非門關(guān)斷預(yù)充電PM0管，同時(shí)開啟清零NM0管對(duì)BL進(jìn)行放電清零。

3　仿真結(jié)果

靈敏放大器電阻臨界值設(shè)置為300 Ω，當(dāng)反熔絲編程后電阻R小于300 Ω時(shí)，靈敏放大器輸出端Vo_SA輸出低電平；當(dāng)反熔絲編程后電阻R大于300 Ω時(shí)，靈敏放大器輸出端Vo_SA輸出高電平；采用不同電阻值代替反熔絲器件對(duì)靈敏放大器進(jìn)行仿真，其仿真波形如圖4所示，圖中波形從上至下依次為ATD_pulse、S2、PRE&DIS、D’、BL和Vo_SA。

從圖4中可以看出，讀時(shí)序控制信號(hào)ATD_pulse高電平到來后，D’節(jié)點(diǎn)電壓從0電平開始升高，經(jīng)過幾納秒的充電，D’節(jié)點(diǎn)電壓趨于穩(wěn)定。當(dāng)反熔絲編程后電阻低于臨界電阻時(shí)，D’節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定電壓不會(huì)高于反相器翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV，對(duì)于編程徹底的反熔絲存儲(chǔ)單元（即R＜300 Ω），Vo_SA會(huì)一直處于低電平，在任何時(shí)刻鎖存數(shù)據(jù)都不會(huì)導(dǎo)致讀‘1’（編程后反熔絲存儲(chǔ)單元狀態(tài)）錯(cuò)誤；當(dāng)反熔絲編程后電阻高于臨界電阻時(shí)，D’節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定電壓才會(huì)高于反相器翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV，如果在節(jié)點(diǎn)D’電壓未高于反相器翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV時(shí)鎖存器關(guān)閉，將會(huì)導(dǎo)致讀‘0’（未編程反熔絲存儲(chǔ)單元狀態(tài)）錯(cuò)誤，所以讀出時(shí)間主要取決于在讀‘0’時(shí)節(jié)點(diǎn)D’電壓充電到反相器翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV的時(shí)間，讀取有效時(shí)間（ATD_pulse上升沿至S2下降沿）要大于最大的充電時(shí)間。

圖4　不同R值時(shí)靈敏放大器仿真波形

由工作原理可知，對(duì)位線進(jìn)行充電與放電是同時(shí)進(jìn)行的，設(shè)充電時(shí)間為tPRE，充電電流為IPM0，放電電流為IDIS，反相器翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV，D’節(jié)點(diǎn)電容為CD’，每個(gè)存儲(chǔ)單元電容為CCELL，每根位線上帶有N個(gè)存儲(chǔ)單元，位線BL上的電容為：

D’節(jié)點(diǎn)電壓充電到VTH_INV，BL節(jié)點(diǎn)電壓將被充電到VBL：

由式（4）可知，由于位線上一般都帶有較多的存儲(chǔ)單元，所以CCELL遠(yuǎn)大于CD’，充電時(shí)間tPRE主要由反相

由CV=It得：

由式（1）、（2）、（3）得：器翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV、充電電流IPM0、放電電流IDIS、存儲(chǔ)單元電容CCELL決定。提高靈敏放大器讀取速度的主要措施是增大PM0管尺寸以提高預(yù)充電電流、減小存儲(chǔ)單元電容，但讀取電流較大時(shí)，反熔絲電阻特性會(huì)發(fā)生變化。故在設(shè)計(jì)過程中，需對(duì)讀出速度和反熔絲可靠性進(jìn)行折中考慮。在完成設(shè)計(jì)后，反相器翻轉(zhuǎn)閾值VTH_INV為定值，但I(xiàn)PRE隨著VD’節(jié)點(diǎn)電壓升高逐漸減小最后趨于穩(wěn)定，IDIS與反熔絲存儲(chǔ)單元的電阻R相關(guān)，電阻R越小IDIS越大，所以反熔絲編程后電阻R越大，節(jié)點(diǎn)D’充電到VTH_INV的時(shí)間越短，即在臨界電阻值時(shí)充電到VTH_INV所需要的時(shí)間最長(zhǎng)。

在CBL=6 pF、R=300 Ω條件下靈敏放大器的仿真結(jié)果如圖5所示，在此條件下，電阻臨界處需要的最長(zhǎng)讀‘0’時(shí)間為7.6 ns。

該靈敏放大器電路能夠滿足在不同的工作電壓和溫度下工作，通過調(diào)整靈敏放大器中管子尺寸及反相器翻轉(zhuǎn)閾值，可以得到不同工作電壓下合適的臨界讀出電阻值。表1列出了在CBL=6 pF條件下幾種溫度和電壓組合下讀‘0’所需要的時(shí)間。

圖5　CBL=6 pF、R=300 Ω時(shí)讀‘0’時(shí)間

表1　幾種電壓及溫度下的讀‘0’時(shí)間

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于反熔絲OTP存儲(chǔ)器的電壓靈敏放大器，通過控制靈敏放大器的時(shí)序，在穩(wěn)定狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的鎖存，確保數(shù)據(jù)識(shí)別的精度和鎖存的準(zhǔn)確性。仿真驗(yàn)證表明，在CBL=6 pF負(fù)載條件下讀‘0’時(shí)間僅需要7.6 ns，整個(gè)靈敏放大階段僅需8 ns （ATD_pulse上升沿到PRE&DIS下降沿），即可實(shí)現(xiàn)對(duì)反熔絲存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)狀態(tài)的準(zhǔn)確讀取并鎖存。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、電阻識(shí)別精度高、抗干擾能力強(qiáng)，通過調(diào)整電路參數(shù)，同時(shí)可以滿足不同電壓（1.8～5.5 V）和溫度（-55～125℃）范圍內(nèi)的工作需求，均能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的識(shí)別并鎖存數(shù)據(jù)。

［1］焦俊陶.反熔絲存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)技術(shù)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

［2］羅前.OTP存儲(chǔ)器電荷泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012.

［3］McCollum John.ASIC versus antifuse FPGA reliability［C］. Aero Conf IEEE，2009.1.

［4］范雪.一種新型反熔絲存儲(chǔ)器的研制及抗輻射加固方法研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

［5］袁蕊林，陳奕含，等.一種OTP存儲(chǔ)器高速讀出機(jī)制的設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2012，29（1）：89-92.

［6］洪根深，吳建偉，等.用于可編程器件的MTM反熔絲特性研究［J］.電子與封裝，2013，13（11）.

［7］王印權(quán)，劉國(guó)柱，等.MTM反熔絲單元編程特性研究［J］.電子與封裝，2015，15（3）：35-37.

［8］Jinbong Kim，Kwyro Lee.Three-Transistor One-Time Programmable（OTP）ROM Cell Array Using Standard CMOS Gate Oxide Antifuse［J］.IEEE Trans.Electron Devices，2003，24（9）：589-591.

［9］Steve Chiang，Rahim Forouhi，et al.Antifuse Structure Comparison for Field Programmable Gate Arrays［C］. ElectronDevicesMeeting.idem.TechnicalDigest International，1993：611-614.

［10］G Zhang，C Hu，P Yu，S Chiang，et al.Reliable Metal-to-Metal Oxide Antifuses［J］.IEEE IEDM Tech Digest，1994：281-284.

［11］鄭曰，李斌，黃裕泉.一種快速、低壓的電流靈敏放大器的設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006，23（6）：130-133.

［12］王勇，張新川，等.一種新型深亞微米電流靈敏放大器的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（24）：5-7.

Design of a Sense Amplifier for OTP Memory

YUAN Tongwei，PAN Bin，SUN Jiejie，HU Xiaoqin
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute，Wuxi 214035，China）

The paper presents a voltage-mode sense amplifier for anti-fuse OTP memory.The strict read control timing enables accurate access and latching of the storage status.The circuit has many advantages including simple structure，low power consumption，precise resistance identification and excellent anti-interference capability.Simulation results show that the entire amplification duration is merely 8ns under normal condition.Besides，the amplifier is capable of working at various voltage and temperature conditions.

anti-fuse；OTP；memory；sense amplifier

TN432

A

1681-1070（2016）07-0029-05

2016-4-5

袁同偉（1988—），男，河南周口人，碩士研究生，目前主要從事抗輻射集成電路設(shè)計(jì)。