基于CMOS工藝平臺反熔絲FPGA實現(xiàn)

陶 偉，石喬林，李天陽

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

對于集成電路在衛(wèi)星系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計人員可以選擇的技術(shù)包括：專用集成電路（ASIC）、以SRAM為基礎(chǔ)的現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）、反熔絲為基礎(chǔ)的FPGA。對于以上三種技術(shù)，設(shè)計人員需要針對特定的應(yīng)用權(quán)衡取舍各種特性，以找出最佳的解決方案。

對于多數(shù)衛(wèi)星的運載艙和有效負(fù)荷設(shè)備，ASIC是具有高密度、最小重量和最低功耗的解決方案，但是缺乏FPGA所提供的靈活性。而且，把設(shè)計工具成本、校驗時間和非經(jīng)常性工程費用（NRE）一并考慮后，ASIC也是成本最高的解決方案。以SRAM為基礎(chǔ)的FPGA優(yōu)勢在于擁有高邏輯密度和高靈活性，可在衛(wèi)星發(fā)射前后期修改設(shè)計，因此多用于有效負(fù)荷設(shè)備中。然而，靈活性的增加會提高系統(tǒng)的復(fù)雜性，并增加元件數(shù)目和功耗、降低總體可靠性。更關(guān)鍵的是由于其更容易受到宇宙輻射，產(chǎn)生單粒子效應(yīng)（SEU）干擾。以反熔絲為基礎(chǔ)的非揮發(fā)性FPGA器件比ASIC和SRAM產(chǎn)品具有更多優(yōu)勢，采用抗輻射的反熔絲FPGA，設(shè)計人員可以免除ASIC設(shè)計中那些NRE成本和工程延誤風(fēng)險，并且可享有只有FPGA才能提供的設(shè)計靈活性和產(chǎn)品快速上市的優(yōu)勢[1]。

目前國外對于反熔絲FPGA開展了很多研究[2～6]，ACTEL等公司已經(jīng)相繼開發(fā)出一系列的產(chǎn)品。主要實現(xiàn)方法包括MTM和ONO熔斷技術(shù)[7～8]。但由于工藝平臺的限制，國內(nèi)尚未見反熔絲FPGA的報道，使我國衛(wèi)星和軍事應(yīng)用受到極大的限制。針對目前現(xiàn)狀，本文利用普通CMOS工藝，開發(fā)出一種反熔絲技術(shù)，可滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求。

2 反熔絲單元試驗

反熔絲單元利用普通MOS管結(jié)構(gòu)，采用MOS管電容連接方式，將漏源和襯底連接在一起，利用高壓將柵氧化層擊穿，以實現(xiàn)熔斷，如圖1所示。此工藝的關(guān)鍵是優(yōu)質(zhì)柵氧化層的實現(xiàn)，對單元編程后的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。

圖1 反熔絲單元

我們利用現(xiàn)有工藝線，在工藝工程批次中制備了五種不同厚度的柵氧化層，分別為4nm、8.35nm、12.5nm、16.5nm和27.5nm。以27.5nm柵氧化層為例，利用7.5V的電壓對兩試驗樣品進行熔斷。測試采用NI PXI-4130可編程電源，具體測試結(jié)果如下。

樣品一：選擇0～7V的電壓測試范圍，測試電壓步長為50mV，限流1mA。在測試過程中，單元一直未熔斷。將限流條件放寬至20mA，電壓步長為20mV，發(fā)現(xiàn)在6.76V時單元被熔斷，此時電流為1.15mA。此后加大電壓，電阻值保持在350Ω左右，電流為14mA。結(jié)果如圖2（a）所示。之后對樣品一的電壓測試范圍調(diào)整至6V～7V，限流5mA，測試步長為10mV。熔斷電壓約為6.3V，此時熔斷電流為2mA，熔斷電阻為2kΩ，且保持穩(wěn)定。將限流調(diào)整為10mA，測試步長為5mV。發(fā)現(xiàn)在6.2V時發(fā)生熔斷，此時熔斷電流達到3mA，熔斷電阻為1.31kΩ，且之后也保持穩(wěn)定。結(jié)果如圖2（b）所示。

圖2 樣片一測試結(jié)果

樣品二：初始測試與樣品一相似，在0～7V范圍內(nèi)，限流1mA情況下，單元一直未熔斷，將限流條件放寬至20mA，電壓步長為20mV，發(fā)現(xiàn)在6.6V時單元被熔斷，此時電流為1.23mA。此后加大電壓，電阻值同樣保持在350Ω左右，電流為17mA。測試曲線與圖2（a）相似。調(diào)整測試方案，在6V～7V的電壓范圍內(nèi)，限流5mA，測試步長為20mV，發(fā)現(xiàn)單元在6.3V左右熔斷，熔斷后電流為3.8mA，電阻保持在2.3kΩ左右，將限流擴大至20mA，測試步長調(diào)整為5mV，發(fā)現(xiàn)測試樣品大約在6.4V熔斷，熔斷后電流為15mA，熔斷后電阻保持在335Ω左右。結(jié)果如圖3所示。

圖3 樣品二測試結(jié)果

單元熔斷后，重新加0～7V電壓，不限流情況下重新測試，得出以下結(jié)果：在電壓正負(fù)不顛倒的情況下，熔斷電壓在6.2V～6.7V范圍內(nèi)，限流在1mA時已熔斷，但電阻在6kΩ左右，隨著限流增大，電阻等比例減小。而在不限流時，熔斷電阻基本保持在330Ω～400Ω左右，電流保持14mA～19mA。樣品一可能由于柵氧制備原因引起窗口問題，導(dǎo)致熔斷后單元有不穩(wěn)定的情況。而樣品二熔斷后能保持穩(wěn)定。

利用柵氧化層擊穿技術(shù)形成的反熔絲單元，其擊穿電壓主要與介質(zhì)層厚度有關(guān)，同時也受到制備條件及成分密度的影響。采用相同的測試方法，各種不同厚度的樣品擊穿電壓以及擊穿后電阻的大小如表1所示。

表1 各樣品擊穿電壓及阻值

測試結(jié)果說明，與MTM以及ONO反熔絲技術(shù)相比，此結(jié)構(gòu)的單元同樣具有很好的穩(wěn)定性與熔斷特性，且不受特殊工藝的限制，能與CMOS工藝兼容，是一種理想的實現(xiàn)方法。

3 反熔絲陣列設(shè)計

以4×4反熔絲陣列為例，如圖4所示，其中WL為字線，BL為位線，RB是讀允許控制端，Y端為列譯碼線，SA為靈敏放大器，用于將從單元讀出的電流與IREF電流比較，讀出數(shù)據(jù)“0”和“1”。具體工作方式為：（1）編程階段。RB端為低電壓，讀操作被關(guān)閉，字線WL端接相應(yīng)的熔斷電壓。對需要編程的位，將BL端接GND，不需要編程的位，將BL端接高電壓或浮空。將MOS單元熔斷，實現(xiàn)編程。（2）讀出階段。將RB端接高電平，使讀出允許。將需要讀出字的WL端接VDD，通過譯碼控制Y0～Y4，將對應(yīng)位以電流的形式讀出。將讀出電流傳輸至小信號放大器（SA），通過與參考電流IREF的比較，讀出數(shù)據(jù)“0”或“1”。整個電路簡潔，編程和讀出操作也易于實現(xiàn)，且具有高密度、低功耗的優(yōu)點，方便此結(jié)構(gòu)FPGA的大規(guī)模應(yīng)用。

4 總結(jié)

文章在現(xiàn)有MOS工藝的基礎(chǔ)上，通過對不同厚度柵氧化層擊穿電壓的試驗和測試，找到了一種可兼容MOS工藝的反熔絲單元設(shè)計。通過試驗證明了熔斷后單元的穩(wěn)定性，是傳統(tǒng)的、需要特殊工藝支持的反熔絲FPGA 的一種良好的替代。并且具有電路簡潔、編程和讀出操作易于實現(xiàn)、高密度、低功耗的優(yōu)點，方便了此結(jié)構(gòu)反熔絲FPGA的大規(guī)模應(yīng)用，不但滿足了軍事和航天領(lǐng)域的需求，也為以后反熔絲產(chǎn)品的實現(xiàn)提供了有價值的借鑒。

圖4 反熔絲陣列設(shè)計

[1] Ken O'Neill. Antifuse FPGA Technology Best Option for Satellite Application[J]. 電子產(chǎn)品世界，2005，10：92-94.

[2] McCollum J. ASIC versus antifuse FPGA reliability[J].IEEE Aerospace conference, 2009:1-11.

[3] Nejad R J, Rickey P A, Konadu K, et al. Radiation Characterization of a Hardened 0.22μm Anti-Fuse Field Programmable Gate Array[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2006, 53(6):3525-3531.

[4] Rezgui S, Wang J J, et al. SET characterization and mitigation in RTAX-S antifuse FPGAs[J]. IEEE Aerospace conference, 2009:11-14.

[5] Daichi Kaku, Toshimasa Namekawa, et al. A Field Programmable 40-nm Pure CMOS Embedded Memory Macro using a PMOS Antifuse[J]. Solid-State Circuits Conference, 2009:217 - 220.

[6] Wlodek Kurjanowicz, Ottawa, Split-channel Antifuse Array Architecture:USA 7,402,855B2[P/OL]. 2008-06-22[2005-05-06].

[7] Yoshida, et al. Method of Manufacturing Semiconductor Integrate Circuits:USA 3,634,929[P/OL]. 1972-01-18[1969-10-29].

[8] Mohsen, et al. Programmable Low Impedance AntifuseElement:USA 4,823,181[P/OL].1989-04-18 [ 1986-05-09].