应用于FPGA电路的E‑fuse电路及数据读出方法与流程

本发明涉及FPGA电路，具体的说，涉及了应用于FPGA采用E-fuse熔丝电阻的E-fuse电路及其数据读出方法。

背景技术：

随着集成电路设计水平的提高，芯片的功能越来越强大，集成密度在不断的提升，集成电路中的晶体管的数量也呈现出指数增长的趋势，同时晶体管的尺寸也不断的缩小。其中在芯片内部，存储器电路将占了整个芯片面积的90％。静态存储器也由于其低功耗、高速度、工艺兼容性好等特点，被广泛的应用于移动设备、计算机CPU等，但由于芯片设计工艺越来越复杂，势必为芯片带来更多的缺陷，使芯片成品率降低，平均有40％的SOC芯片因失效被扔掉。所以，为了提高芯片的成品率，冗余技术也在不断的发展，其中五个备用单元就能把成品率从1％提高到67％。

随着集成电路工艺的飞速发展，集成电路特征尺寸急剧缩小，传统的fuse开始暴露其不足之处：占用面积大；激光熔丝类金属熔丝还需要专用的仪器设备来完成；在trim的过程中经常烧不断熔丝或烧坏芯片；trim后封装引起的电压偏差问题。

SRAM等存储单元上电过程中不能工作无法满足FPGA电路上电引导的需求，其他非易失性存储器需要对现有工艺进行更改，工艺兼容性不好。E-fuse熔丝占用面积小，上电即可用，工艺兼容性好。基于E-fuse熔丝的存储单元越来越显现出其优势。

技术实现要素：

针对上述技术不足，本发明的目的提供一种应用于FPGA电路的E-fuse电路及其数据输出方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于FPGA电路的E-fuse电路，包括：写数据电路、读数据电路和公用电路；

所述写数据电路，输入端接收编程译码电路输出的信号WL，输出端与公用电路输入端连接；

所述读数据电路，输入端接收全局控制电路输出的信号RD，输出端与公用电路输入端连接；

所述公用电路，外部输入端接收全局控制电路输出的信号BL，输入端作为E-fuse电路的数据输出端，用于输出存储值。

所述写数据电路采用PMOS管P0；PMOS管P0的栅极作为输入端用于连接编程译码电路输出的信号WL；源端与电源连接；漏端与公用电路输入端连接。

所述读数据电路采用PMOS管P1；PMOS管P1的栅极作为输入端用于连接全局控制电路输出的信号RD；源端与电源连接；漏端与公用电路输入端连接。

所述PMOS管P1的宽长比小于PMOS管P0的宽长比。

所述公用电路包括顺序连接的电子熔丝和NMOS管N0；电子熔丝的阳极与PMOS管P0漏端、P1漏端连接，还作为E-fuse电路的数据输出端；电子熔丝的阴极与NMOS管N0的漏端连接；NMOS管N0的栅极作为外部输入端用于连接全局控制电路输出的信号BL，源极接地。

一种应用于FPGA电路的E-fuse电路的数据读出方法，包括以下步骤：

写操作前模式：写数据电路输入信号WL、读数据电路输入信号RD和公用电路输入信号BL无效时，数据输出端输出初始状态，默认存储“0”；

写操作模式：写数据电路输入信号WL有效，读数据电路输入信号RD无效，同时公用电路输入信号BL有效时，读数据电路不工作，写数据电路和公用电路开启，与电子熔丝构成电流通路，熔丝被编程；

读操作模式：写数据电路输入信号WL无效，读数据电路输入信号RD有效，同时公用电路输入信号BL有效，写数据部分不工作，读数据电路和公用电路开启，数据读出端读出“1”或“0”。

所述数据读出端读出“1”或“0”包括以下步骤：

读数据电路和公用电路开启时，PMOS管P1导通时的阻值大于熔丝初值、且小于电子熔丝熔断后的阻值；数据读出端根据数据读出端电压值读出“1”或“0”。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明利用电迁移效应，采用电子可编程熔丝E-fuse作为存储单元，包含3个MOS管和1个E-fuse的E-fuse存储单元结构，可完整地完成写/读操作，具有结构简单、使用方便等优点。

2.本发明采用基于E-fuse结构替代金属熔丝作为熔丝，金属熔丝熔断电流一般都要达到100MA以上；且编程时间过久，一般在1毫秒以上；金属熔丝需要在封装前trim，probe探针容易碰到一起，造成短路，烧毁电路；而E-fuse结构编程电压低，编程电流小，而且在封装后进行编程，防止烧坏芯片。

3.基于E-fuse的存储单元相对金属熔丝结构占用面积小，功耗低。

4.基于E-fuse的存储单元封装后进行编程，不存在trim后封装引起电压偏差的问题。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2a是本发明使用的电子可编程熔丝结构的俯视图。

图2b是本发明使用的电子可编程熔丝结构的剖面图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

E-fuse技术与传统的熔丝来比较，具有如下一些强大的优势：与现有的CMOS工艺完全兼容，不增加额外的工艺步骤，可兼容小尺寸工艺；电子可编程熔丝(E-fuse)电路在整体的芯片中所占面积大大减小，被广泛应用于嵌入式系统；电子可编程熔丝(E-fuse)编译电压较小，编译电流也比传统的熔丝编译电流小，功耗较低；封装后编程使芯片的现场配置能力增强；测试更方便，只需要加电压通电流就好。

E-fuse技术已经广泛的用于冗余电路来改善芯片失效的问题，在FPGA中可用于编程存储单元阵列的冗余设计。一般来说，FPGA等电路中的冗余部分被熔丝连接，当电路中被检测出缺陷，则熔丝就可以代替有缺陷的那部分电路进行工作，实现冗余作用。在FPGA中E-fuse技术的作用就是为每一个芯片增加大量的微型电熔丝，他们可以和特定的随机软件结合，并且可以使芯片分配自身内部电路以应对不同的计算任务，或者是增加芯片的运算频率。在芯片中增加这些熔丝无需增加成本，就可以控制各个电路的速度，从而可以管理电路的性能和功耗。E-fuse还可以在不影响其他部分正常运行的情况下彻底切断芯片某些缓存或者功能模块，这个特点使瑕疵芯片的利用率得到了提高，或者是关闭芯片的某些功能模块实现功耗降低的作用。所以E-fuse的这一系列的功能都有助于FPGA芯片修复，换句话说即E-fuse可以围绕芯片的某些缺陷做善后工作。

E-fuse技术是根据多晶硅熔丝特性发展起来的一种技术，它基于电迁移原理来进行Fuse编程。起初，多晶硅熔丝的阻值很小，当有大电流持续流过多晶硅熔丝时，熔丝开始经历由被熔烧到被熔断的过程，与此同时，熔丝的阻值也会成倍增加。通常情况下，熔断的多晶硅熔丝将永久的保持断裂状态，称为“被编程熔丝”，存储二进制数“1”；而未烧的多晶硅熔丝仍处于导通状态，存储着二进制数“0”。

利用E-fuse技术提高现有存储器基本单元的面积及功耗，本发明提出了一种基于E-fuse技术的简单存储器基本单元。包括：电子可编程熔丝E-fuse；写数据电路；读数据电路；公用电路。

电子可编程熔丝E-fuse，根据电迁移效应，使用较大的编程电流成为断路，利用熔断前后电阻大小的差异来代表存储的“1”、“0”值，编程前阻值为50～200欧姆，编程后为5K～500K欧姆；

写数据电路，PMOS管P0源端接编程电压VDDQ，漏端接数据读出端DOUT，构成了写数据部分；

读数据电路，PMOS管P1源端接工作电压VDDI，漏端接数据读出端DOUT，构成了读数据部分；

公用电路，NMOS管N0的源端接地，漏端接电子熔丝的阴极，电子熔丝的另一端也就是阳极接数据读出端DOUT，这两个元件构成了E-fuse存储单元的公用电路。

写数据电路，PMOS管P0尺寸为沟长0.15微米，沟宽为8～32微米，使之导通电阻很小，可达到200欧姆～1K欧姆。

公用电路，NMOS管N0尺寸为沟长0.15微米，沟宽为8～16微米，使之导通电阻很小，可达到200欧姆。

读数据电路，PMOS管P1尺寸为沟长0.15微米，沟宽为0.4微米，导通电阻15K～30K欧姆左右，导通电阻介于E-fuse熔丝电阻熔断前后的电阻值之间。

E-fuse技术是根据多晶硅熔丝特性发展起来的一种技术，它基于电迁移原理来进行Fuse编程。起初，多晶硅熔丝的阻值很小，当有大电流持续流过多晶硅熔丝时，熔丝开始经历由被熔烧到被熔断的过程，与此同时，熔丝的阻值也会成倍增加。通常情况下，熔断的多晶硅熔丝将永久的保持断裂状态，称为“被编程熔丝”，存储二进制数“1”；而未烧的多晶硅熔丝仍处于导通状态，存储着二进制数“0”。

利用E-fuse技术提高现有存储器基本单元的面积及功耗，本发明提出了一种基于E-fuse技术的简单存储器基本单元。包括：电子可编程熔丝E-fuse；写数据电路；读数据电路；公用电路。

电子可编程熔丝E-fuse的多晶硅熔丝一般是作在浅槽隔离上，其底层为氧化硅绝缘层。熔丝的部分是多晶硅和硅化物合金两部分组成，硅化物合金是在多晶硅上离子注入形成一层硅化物的合金，其主要作用是减小电阻值和在两极之间增加欧姆接触。最后是进行氮化硅的覆盖保护。

写数据电路由PMOS管P0源端接编程电压VDDQ，漏端接数据读出端DOUT构成。

读数据电路由PMOS管P1源端接工作电压VDDI，漏端接数据读出端DOUT构成。

NMOS管N0的源端接地，漏端接电子熔丝的阴极，电子熔丝的另一端也就是阳极接数据读出端DOUT，这两个元件构成了E-fuse存储单元的公用部分。

图2a-2b是本发明使用的电子可编程熔丝结构的俯视图和剖面图。如图2a-2b所示，电子可编程熔丝E-fuse(electrically programmable fuse)，是位于两个电极之间很短的一段最小宽度的多晶硅，如图2a所示，电子可编程熔丝兼容于标准CMOS工艺，在版图设计中一般阴极和阳极的面积比金属链大很多，很像“骨头”的形状。根据电迁移理论，E-fuse阳极接编程电压，阴极接地后，两极电势不同会在两电极之间形成一个稳定的电流，当单位面积截面通过的电流即电流密度达到一定数值时，电子和静电力的共同作用下，产生一个向阳极运动的电子风暴力，推动原子顺着电子运动方向进行迁移，形成原子空洞，由于硅化物合金的电阻率远小于多晶硅的电阻率，所以硅化物合金层的电流密度很大，形成电流局部的聚集，该局部的焦耳热效应使得电迁移首先在这一层发生。熔丝表现为永久性的高电阻，所以E-fuse电路中需要编程的熔丝经过较大的编程电流成为断路。E-fuse电路就是运行编程前后电阻大小的差异来代表存储的“0”“1”值，编程前阻值为几百欧姆，编程后为几K欧姆。

图1是具体地显示了本发明的一种应用于FPGA电路的E-fuse电路结构的设计的原理图。E-fuse单元可工作在三种工作模式下(WL、RD为“1”无效，“0”有效；BL为“0”无效，“1”有效)：

写操作前模式：编程前WL，RD和BL无效，即WL、RD为“1”，BL为“0”，电子熔丝初始阻值很小，E-fuse存储单元的初始状态默认存储“0”。

写操作模式：当写操作时，WL有效，RD无效，同时BL有效，即WL为“0”，RD为“1”，BL为“1”，读数据部分不工作，P0和N0开启，和电子可编程熔丝Efuse一起构成从VDDQ到GND的大电流通路，在大电流作用下，E-fuse电子可编程熔丝被编程。

读操作模式：当读操作时，WL无效，RD有效，同时BL有效，即WL为“1”，RD为“0”，BL为“1”，写数据部分不工作，P1和N0开启，由于P1被设计为宽长比、尺寸较小的晶体管，导通时可等效于阻值大于电子熔丝初值但小于电子熔丝熔断后阻值的电阻，因此在数据读出端可根据阻值之比读出“1”或“0”。

然后通过数据输出端DOUT接的逻辑读出电路，将存储单元里存储的逻辑值读出。

下面分别就读出“0”、“1”进行举例说明：

在读出时，如果该单元之前没有被选中进行过编程，则E-fuse电子可编程熔丝未被熔断，其阻值远小于P1开启阻值，根据欧姆定律则DOUT输出电压表现为“0”。

在读出时，如果该单元之前被选中进行过编程，则E-fuse电子可编程熔丝被熔断，其阻值远大于P1开启阻值，根据欧姆定律则DOUT输出电压表现为“1”。

根据上述实施方式，采用了使用电迁移效应的E-fuse电子可编程熔丝，把一位的写数据单元、读数据单元和存储结构放置在一起，完成一位二进制码的写/读操作的E-fuse存储单元。