蔡永濤，吳 宵，王雪萍，曹 靚，張國(guó)華，

（1.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)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(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)中[1-3]，如現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和存儲(chǔ)器。現(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(lèi)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(diǎn)，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(jì)與制造。鑒于反熔絲編程單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和編程特性[9-10]，僅當(dāng)用于傳輸信號(hào)時(shí)，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(qiáng)信號(hào)，則需要采用雙向編程來(lái)保證信號(hào)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(duì)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(guò)單向編程反熔絲單元實(shí)現(xiàn)的。由于工藝不成熟和工藝偏差，在單向編程過(guò)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?yàn)榉慈劢z僅一次可編程，不可重復(fù)編程，大阻抗會(huì)導(dǎo)致整個(gè)反熔絲器件失效[13-16]，這對(duì)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(duì)傳統(tǒng)的反熔絲器件編程方法進(jìn)行分析和總結(jié)，針對(duì)反熔絲工藝與編程特點(diǎn)，改進(jìn)了尋址編程方式；針對(duì)需要流過(guò)大電流、強(qiáng)信號(hào)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(kāi)關(guān)組成。其中，金屬連線被可編程開(kāi)關(guān)分割為長(zhǎng)度不一的互連線，各功能模塊和編程資源通過(guò)互連線相互連接，通過(guò)尋址和編程反熔絲單元實(shí)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(guò)布線資源相互連接。水平布線稱(chēng)為水平布線資源，垂直布線稱(chēng)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(zhǎng)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(zhǎng)度的垂直通路晶體管，這些水平、垂直布線資源通過(guò)通路晶體管的打開(kāi)與關(guān)閉實(shí)現(xiàn)布線資源長(zhǎng)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(guò)尋址并編程目標(biāo)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(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路預(yù)定的電路功能。尋址編程單元時(shí)，首先確定對(duì)應(yīng)的反熔絲塊的行列坐標(biāo)，通過(guò)內(nèi)部寄存器鏈打開(kāi)相應(yīng)的反熔絲塊尋址行列開(kāi)關(guān)管，再確定反熔絲單元在塊中的位置，打開(kāi)相應(yīng)的反熔絲單元尋址開(kāi)關(guān)管，先后施加預(yù)編程電壓和編程電壓實(shí)現(xiàn)反熔絲的尋址編程。傳統(tǒng)的編程電路僅能實(shí)現(xiàn)“編程高壓-反熔絲-GND”的編程方式，對(duì)反熔絲進(jìn)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(shí)現(xiàn)電路預(yù)定功能，甚至導(dǎo)致器件失效。

2 改進(jìn)型編程設(shè)計(jì)

為了改進(jìn)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(dòng)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(kāi)關(guān)相連，可通過(guò)其內(nèi)部正反向編程電路靈活地實(shí)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(dòng)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(jì)

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(zhuān)用的編程器中。首先，向?qū)Ｓ镁幊唐髦屑虞d“查空校驗(yàn)”向量文件，對(duì)所有的反熔絲單元“查空校驗(yàn)”，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?yàn)”通過(guò)后，再將編程向量文件燒寫(xiě)至專(zhuān)用編程器中，進(jìn)而對(duì)器件編程。反熔絲正反編程主要通過(guò)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(lái)進(jìn)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(guò)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(jí)串行數(shù)據(jù)。當(dāng)控制信號(hào)使能時(shí)，兩者由串行方式改為并行輸出，共同控制后級(jí)正反編程電路模塊。模塊1 為配置電路，控制信號(hào)A2 為正反向編程控制信號(hào)，當(dāng)A2 置為低電平信號(hào)（即邏輯“0”）時(shí)，編程電路通過(guò)組合邏輯可實(shí)現(xiàn)“編程高壓-反熔絲-GND”的編程方式；當(dāng)A2置為高電平信號(hào)（即邏輯“1”）時(shí)，編程電路通過(guò)組合邏輯可實(shí)現(xiàn)“GND-反熔絲-編程高壓”的編程方式，從而實(shí)現(xiàn)編程方式的變換。配置時(shí)，A1信號(hào)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(lái)編程反熔絲單元，所以要在正反配置電路后級(jí)添加電平轉(zhuǎn)換電路來(lái)滿足后級(jí)編程驅(qū)動(dòng)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(gè)輸入信號(hào)，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(dòng)控制信號(hào)。

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(shí)際編程過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出電壓可達(dá)10 V。當(dāng)尋址數(shù)據(jù)1（data1）為“1”，尋址數(shù)據(jù)2（data2）為“0”，控制信號(hào)A2 為“1”時(shí)，輸出端驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)A 和B 輸出“1”和“0”；控制信號(hào)A2 為“0”時(shí)，輸出端驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)A 和B 輸出“0”和“1”，便實(shí)現(xiàn)了正反配置電路的靈活配置，再與驅(qū)動(dòng)控制電路配合，即可實(shí)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(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

在反熔絲單元進(jìn)行編程時(shí)，在同一條布線通道上會(huì)連接很多反熔絲，如果對(duì)目標(biāo)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(huì)施加V_H 電壓，若目標(biāo)反熔絲的另一端懸空，便會(huì)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(wèn)題，在電路中設(shè)計(jì)了預(yù)編程電路。在編程前，對(duì)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(shí)，在目標(biāo)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(dòng)控制電路。其中，驅(qū)動(dòng)控制電路包括3 個(gè)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(gè)選通電路模塊內(nèi)部均為高壓MOS 管，N1 為高壓NMOS 管。當(dāng)處于預(yù)編程狀態(tài)時(shí)，通過(guò)前級(jí)組合邏輯控制配置電路的開(kāi)關(guān)，對(duì)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(shí)現(xiàn)布線通道上所有反熔絲的預(yù)編程。當(dāng)編程反熔絲單元時(shí)，前級(jí)正反配置電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)A 和驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)B控制編程高壓V_H 模塊和N1 管的打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)N1 管關(guān)閉、驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)A 使能時(shí)，輸出端OUTPUT 輸出V_H 信號(hào)；當(dāng)只有驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)使能時(shí)，N1 管打開(kāi)，OUTPUT 輸出GND 信號(hào)，由于反熔絲單元兩端均連接有圖6 所示的編程驅(qū)動(dòng)控制電路，在此過(guò)程中，便實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)現(xiàn)預(yù)定邏輯功能。

圖6 編程驅(qū)動(dòng)控制電路

圖7 為編程驅(qū)動(dòng)控制電路仿真圖。當(dāng)時(shí)間為0～1 μs 時(shí)，為預(yù)編程過(guò)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(dāng)時(shí)間為1～2 μs時(shí)，為編程過(guò)程，在編程的反熔絲單元一端加載V_H，另一端則懸空。在時(shí)刻2 μs 之后，為編程后的工作過(guò)程，向反熔絲單元加載V_L，便實(shí)現(xiàn)了編程反熔絲單元。

圖7 編程驅(qū)動(dòng)控制電路仿真圖

電路編程整體仿真圖如圖8 所示。對(duì)反熔絲進(jìn)行尋址后，施加V_M 和V_H，實(shí)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(cè)試結(jié)果

通過(guò)Matlab 軟件生成FPGA 向量文件，利用Hsim 對(duì)反熔絲單元正反編程進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析，得到編程反熔絲單元狀態(tài)波形。在數(shù)字平臺(tái)和模擬平臺(tái)上分別仿真驗(yàn)證，分析同一個(gè)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(shí)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(hào)M2 和M3，等到TDI 編程指令到來(lái)時(shí)，開(kāi)始正向編程反熔絲單元。在TDI 下一個(gè)指令到來(lái)時(shí)，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(shí)現(xiàn)反熔絲單元的正反編程。通過(guò)模擬與數(shù)字仿真驗(yàn)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(yǔ)

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(jìn)型電路包括正反配置電路和編程驅(qū)動(dòng)控制電路。該方法通過(guò)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(jí)有效地解決了工藝生產(chǎn)中存在的編程失效等問(wèn)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。