反熔絲型器件的編程電路設(shè)計與實現(xiàn)

蔡永濤，吳 宵，王雪萍，曹 靚，張國華，

（1.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫 214122；2.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

反熔絲工藝的器件由于具有集成度高、工作頻率高、非易失性、功耗低等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)中[1-3]，如現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和存儲器?，F(xiàn)階段，主流的反熔絲工藝主要有MTM 反熔絲（Metal to Metal）、柵氧化層反熔絲和ONO（氧化物-氮化物-氧化物）反熔絲[4-6]。其中MTM 型反熔絲相比其他兩種類型，表現(xiàn)出良好的編程后電阻分布一致性和集成度高的特點，編程后的電阻離散性極小[7-8]。因此，MTM 反熔絲更適合大規(guī)模集成電路的設(shè)計與制造。鑒于反熔絲編程單元的結(jié)構(gòu)特點和編程特性[9-10]，僅當用于傳輸信號時，單向編程反熔絲單元是可以滿足要求的。但如果需要傳遞強信號，則需要采用雙向編程來保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。雙向編程的反熔絲單元相比單向編程的反熔絲單元，表現(xiàn)出良好的編程、傳輸一致性和穩(wěn)定性。因此，對反熔絲單元的編程處理變得尤為重要。傳統(tǒng)編程方法是通過單向編程反熔絲單元實現(xiàn)的。由于工藝不成熟和工藝偏差，在單向編程過程中，可能出現(xiàn)反熔絲單元編程不完全現(xiàn)象，導(dǎo)致反熔絲單元輸出阻抗較大[11-12]。又因為反熔絲僅一次可編程，不可重復(fù)編程，大阻抗會導(dǎo)致整個反熔絲器件失效[13-16]，這對應(yīng)用于高可靠領(lǐng)域的反熔絲器件是極為不利的。

該文對傳統(tǒng)的反熔絲器件編程方法進行分析和總結(jié)，針對反熔絲工藝與編程特點，改進了尋址編程方式；針對需要流過大電流、強信號的反熔絲單元，提出了正反編程反熔絲單元的編程方法，提高了布線通道上反熔絲單元編程的可靠性。

1 傳統(tǒng)編程結(jié)構(gòu)

反熔絲器件的布線資源一般由金屬連線和可編程開關(guān)組成。其中，金屬連線被可編程開關(guān)分割為長度不一的互連線，各功能模塊和編程資源通過互連線相互連接，通過尋址和編程反熔絲單元實現(xiàn)預(yù)定功能。圖1所示為經(jīng)典反熔絲陣列結(jié)構(gòu)。反熔絲單元排列成4×4 結(jié)構(gòu)組合成反熔絲塊，反熔絲塊排列成3×2結(jié)構(gòu)組合成反熔絲陣列，反熔絲塊和陣列通過布線資源相互連接。水平布線稱為水平布線資源，垂直布線稱為垂直布線資源。水平布線資源被水平通路晶體管分割為不同長度的水平互連線，垂直布線資源被垂直通路晶體管分割為不同長度的垂直通路晶體管，這些水平、垂直布線資源通過通路晶體管的打開與關(guān)閉實現(xiàn)布線資源長度靈活可調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)與組合邏輯電路的輸入輸出相連，形成整體的反熔絲框架結(jié)構(gòu)[17]。

圖1 反熔絲陣列結(jié)構(gòu)

通過尋址并編程目標反熔絲單元，使編程后的單元之間形成固定的連接關(guān)系，來實現(xiàn)組合邏輯電路預(yù)定的電路功能。尋址編程單元時，首先確定對應(yīng)的反熔絲塊的行列坐標，通過內(nèi)部寄存器鏈打開相應(yīng)的反熔絲塊尋址行列開關(guān)管，再確定反熔絲單元在塊中的位置，打開相應(yīng)的反熔絲單元尋址開關(guān)管，先后施加預(yù)編程電壓和編程電壓實現(xiàn)反熔絲的尋址編程。傳統(tǒng)的編程電路僅能實現(xiàn)“編程高壓-反熔絲-GND”的編程方式，對反熔絲進行單向編程。由于反熔絲單元僅可一次編程，不可二次編程，該方法容易引起反熔絲編程不徹底的現(xiàn)象，編程后的反熔絲呈較高阻抗，電路功耗大，難以實現(xiàn)電路預(yù)定功能，甚至導(dǎo)致器件失效。

2 改進型編程設(shè)計

為了改進傳統(tǒng)編程方法的不足，文中提出“編程高壓-反熔絲-GND”和“GND-反熔絲-編程高壓”雙向編程方法。在編程電路里增加正反向編程電路、編程高壓驅(qū)動控制電路。如圖2 所示，雙向編程電路與水平、垂直方向單元選址行列開關(guān)相連，可通過其內(nèi)部正反向編程電路靈活地實現(xiàn)“編程高壓-反熔絲-GND”和“GND-反熔絲-編程高壓”正反編程，編程高壓驅(qū)動電路還可提供編程電壓（V_H）、預(yù)編程電壓（V_M）、工作電壓（V_L），提高了編程供電的靈活性。

圖2 新的編程電路

2.1 正反編程電路設(shè)計

編程反熔絲單元前，需要Matlab 軟件配合生成向量文件，將反熔絲器件放置在反熔絲工藝專用的編程器中。首先，向?qū)Ｓ镁幊唐髦屑虞d“查空校驗”向量文件，對所有的反熔絲單元“查空校驗”，即檢查反熔絲單元是否為未編程狀態(tài)（是否處于超高阻態(tài)）?！安榭招ｒ灐蓖ㄟ^后，再將編程向量文件燒寫至專用編程器中，進而對器件編程。反熔絲正反編程主要通過編程文件，利用寄存器電路傳遞編程數(shù)據(jù)，從而配置電路來進行正反編程控制。

圖3所示為正反編程配置電路，其中，尋址數(shù)據(jù)1和尋址數(shù)據(jù)2 是通過寄存器尋址得到的。其中，尋址數(shù)據(jù)2是尋址數(shù)據(jù)1的下一級串行數(shù)據(jù)。當控制信號使能時，兩者由串行方式改為并行輸出，共同控制后級正反編程電路模塊。模塊1 為配置電路，控制信號A2 為正反向編程控制信號，當A2 置為低電平信號（即邏輯“0”）時，編程電路通過組合邏輯可實現(xiàn)“編程高壓-反熔絲-GND”的編程方式；當A2置為高電平信號（即邏輯“1”）時，編程電路通過組合邏輯可實現(xiàn)“GND-反熔絲-編程高壓”的編程方式，從而實現(xiàn)編程方式的變換。配置時，A1信號接“1”。由于反熔絲工藝的特殊性，需要使用約為11 V 的高壓來編程反熔絲單元，所以要在正反配置電路后級添加電平轉(zhuǎn)換電路來滿足后級編程驅(qū)動電路的電壓要求。其中，產(chǎn)生的C1、C2、C3、C4 為電平轉(zhuǎn)換電路的兩個輸入信號，電平轉(zhuǎn)換電路內(nèi)部均為高壓MOS 管，N1、N2 為高壓NMOS 管，可產(chǎn)生編程電壓為10 V 和GND 的驅(qū)動控制信號。

圖3 正反編程配置電路

正反配置電路仿真如圖4 所示。在實際編程過程中，驅(qū)動控制信號輸出電壓可達10 V。當尋址數(shù)據(jù)1（data1）為“1”，尋址數(shù)據(jù)2（data2）為“0”，控制信號A2 為“1”時，輸出端驅(qū)動控制信號A 和B 輸出“1”和“0”；控制信號A2 為“0”時，輸出端驅(qū)動控制信號A 和B 輸出“0”和“1”，便實現(xiàn)了正反配置電路的靈活配置，再與驅(qū)動控制電路配合，即可實現(xiàn)正反編程反熔絲單元。圖5 為正反編程配置電路版圖。

圖4 正反配置電路仿真

圖5 正反編程配置電路版圖

2.2 驅(qū)動控制電路設(shè)計

在反熔絲單元進行編程時，在同一條布線通道上會連接很多反熔絲，如果對目標反熔絲的一端施加編程電壓V_H，那么與之相連的同一條布線通道上的反熔絲的一端都會施加V_H 電壓，若目標反熔絲的另一端懸空，便會導(dǎo)致其他不需要編程的反熔絲被誤編程。為了解決這一問題，在電路中設(shè)計了預(yù)編程電路。在編程前，對所有的布線通道預(yù)充電，在所有反熔絲單元兩端施加預(yù)編程電壓V_M，電壓大小為V_H/2。編程時，在目標反熔絲的一端接入編程高壓V_H，另一端懸空，反熔絲兩端壓差為V_H，滿足編程條件，則不需要編程的反熔絲兩端電壓為V_H 和V_H/2，壓差為V_H/2，不滿足編程條件，可有效防止反熔絲誤編程。

圖6 所示為編程驅(qū)動控制電路。其中，驅(qū)動控制電路包括3 個部分，分別為編程高壓V_H 選通模塊、工作電壓V_L 選通模塊和預(yù)充電電壓V_M選通模塊，以上3 個選通電路模塊內(nèi)部均為高壓MOS 管，N1 為高壓NMOS 管。當處于預(yù)編程狀態(tài)時，通過前級組合邏輯控制配置電路的開關(guān)，對反熔絲單元兩端施加預(yù)編程電壓V_M（電壓大小為二分之一V_H 值），從而實現(xiàn)布線通道上所有反熔絲的預(yù)編程。當編程反熔絲單元時，前級正反配置電路產(chǎn)生的驅(qū)動控制信號A 和驅(qū)動控制信號B控制編程高壓V_H 模塊和N1 管的打開和關(guān)閉。當N1 管關(guān)閉、驅(qū)動控制信號A 使能時，輸出端OUTPUT 輸出V_H 信號；當只有驅(qū)動控制信號使能時，N1 管打開，OUTPUT 輸出GND 信號，由于反熔絲單元兩端均連接有圖6 所示的編程驅(qū)動控制電路，在此過程中，便實現(xiàn)了對反熔絲的正反向編程。編程結(jié)束后，V_H 和V_M 電壓被屏蔽。工作電壓V_L 模塊使能，OUTPUT 輸出V_L，并加載到反熔絲的兩端，結(jié)合其他的功能電路，實現(xiàn)預(yù)定邏輯功能。

圖6 編程驅(qū)動控制電路

圖7 為編程驅(qū)動控制電路仿真圖。當時間為0～1 μs 時，為預(yù)編程過程，向所有反熔絲單元施加預(yù)編程電壓V_M，電壓大小為5.5 V。當時間為1～2 μs時，為編程過程，在編程的反熔絲單元一端加載V_H，另一端則懸空。在時刻2 μs 之后，為編程后的工作過程，向反熔絲單元加載V_L，便實現(xiàn)了編程反熔絲單元。

圖7 編程驅(qū)動控制電路仿真圖

電路編程整體仿真圖如圖8 所示。對反熔絲進行尋址后，施加V_M 和V_H，實現(xiàn)反熔絲單元的預(yù)編程。

圖8 電路編程整體仿真圖

3 仿真與測試結(jié)果

通過Matlab 軟件生成FPGA 向量文件，利用Hsim 對反熔絲單元正反編程進行仿真驗證分析，得到編程反熔絲單元狀態(tài)波形。在數(shù)字平臺和模擬平臺上分別仿真驗證，分析同一個被編程反熔絲單元。圖9 所示為整體模擬仿真。其中，編程高壓為11 V；TCK 為時鐘輸入；TDI 為編程數(shù)據(jù)的串行輸入，在TCK 上升沿移入。圖9 和圖10 最后兩組數(shù)據(jù)是反熔絲單元兩端引腳編號M2 和M3，等到TDI 編程指令到來時，開始正向編程反熔絲單元。在TDI 下一個指令到來時，再反向編程反熔絲單元。圖10 所示為整體數(shù)字仿真，其結(jié)果顯示，可正確實現(xiàn)反熔絲單元的正反編程。通過模擬與數(shù)字仿真驗證，反熔絲編程單元的編程位置及正反編程方式一致。

圖9 整體模擬仿真

圖10 整體數(shù)字仿真

4 結(jié)束語

在反熔絲器件傳統(tǒng)編程方式基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的可正反編程反熔絲單元的電路方法，該改進型電路包括正反配置電路和編程驅(qū)動控制電路。該方法通過正反向編程需要配置的編程可有效降低反熔絲單元編程后的阻抗，從電路級有效地解決了工藝生產(chǎn)中存在的編程失效等問題，并成功應(yīng)用于反熔絲某款器件中。該方法和傳統(tǒng)的單向編程電路相比，極大提高了編程后反熔絲單元的可靠性。