专利名称：：基于金属氧化物存储介质的编程单元复用的fpga器件的制作方法
技术领域：
：本发明属于集成电路
技术领域：
，具体涉及一种采用金属氧化物作为存储介质的编程单元复用的FPGA器件。
背景技术：
：现场可编程逻辑阵列(FieldProgrammableLogicArrays)是技术和市场双重作用下的产物，它较之ASIC具有开发周期短、可靠性高、市场风险低的优点；随着半导体工艺技术的发展，FPGA的上述优势使得它不仅作为硬件仿真手段，而且在一些柔性的领域(如程控交换机、重配置硬件系统)"]正取代ASIC发挥着越来越大的作用。FPGA的逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)—般包括了三个主要的可构造元素可配置逻辑模块CLB(ConfigurationLogicBlocks)、输入/输出模块I0B(1叩ut/0utputBlocks)和可编程互连资源。如图1所示[2]。模块101表示CLB，主要部件为组合逻辑功能块，触发器和多路开关。组合逻辑功能块是以查找表(LookUpTable,简称LUT)的结构来完成逻辑函数输出，可构成各种组合逻辑，触发器具有记忆功能，多路开关提供了电路的多种组合。模块102表示I0B，IOB分布在器件的四周，它提供了器件外部和内部逻辑之间的连接，主要由触发器、输入缓冲器和输出触发/锁存器、输出缓冲器组成。模块103表示可编程互联资源开关矩阵，提供了把这些可构造元素的输入输出连接在适当网络上的途径。用户设计的编程逻辑功能和互联均由存储在内部静态存储单元的配置数据决定，该配置数据存储在外部的存储单元中，如E卞R0M，EPR0M，ROM以及软盘，硬盘等。现有的大多数商用FPGA都是基于SR細架构进行编程的，这取决于SRAM自身特点[3]，但它的最大的缺陷就是掉电后存储信息会丢失，称为易失性或挥发性，这虽可以通过外置非易失或非挥发存储器件(如EPR0M)，在每次工作时重新装载编程信息来解决[4]，但这不仅消耗硬件资源，而且带来的另一个问题就是编程信息的保密性。这就使得研究关于内置式且非挥发的FPGA成为可能和必要。目前已经有了基于SRAM编程且片上集成了E2PR0M或者FLASH非挥发器件的FPGA产品，如LATTICE公司的ispXPGA系列、ACTEL公司的ProASIC系列。但是由于上述存储器件工作电压高、功耗大和不耐辐射从而限制了它们的使用范围。也有应用其他非挥发存储介质作为编程单元的FPGA，如硫化亚铜[51。它的工作原理类似熔丝型可编程逻辑器件，通过在硫化亚铜两端加电压对其编程，实现通、断两态的转换。但与一般熔丝型可编程逻辑器件不同，该FPGA器件可多次编程，重复使用。它的编程电压约为IV，编程电流为1.5-2.5mA,转换速度5-32us，可重复编程1000次以上。此外，目前已有关于采用NVSRAM编程的FPGA的报道，如基于铁电的NVSRAM[6]。铁电FPGA具有低电压，低功耗，无需外置非挥发存储器等优点。但由于铁电材料自身的特点，导致其制造工艺复杂，造成铁电FPGA成本相对较高，并且随技术代向小特征尺寸延伸的速度慢。然而，以上所提及的FPGA器件都有一个共同的缺点FPGA器件工作时需要下载大量的编程数据，这就意味着要耗费大量的时间。为了解决这一问题，我们提出了配置信息一次下载的概念，以及实施这一理念的编程单元复用的FPGA器件。最近电阻随机存储器(resistiverandomaccessmemory,简称为RRAM)因为其高密度、低成本、可突破技术代发展限制的特点引起高度关注，所使用的材料有相变材料[7]、掺杂的SrZrO"、铁电材料PbZrTiO"、铁磁材料Prh(XMn03加、二元金属氧化物材料[11]、有机材料[12]等。这其中Cu,0(l〈x《2)可用作存储介质的特性己被证实M。图2是已被报道的基于相变存储器的NVSRAM的结构，原理和操作流程[14]。相变材料在电或热等形式的能量作用下，可在多晶和非晶两相间发生可逆转变，相应地，电阻在低阻和高阻间发生可逆变化，从而可用于信息1或0的存储。掉电时SRAM中的信息写入到PCM中，上电时恢复至SRAM。即在存储(store)和初始化(initialize)阶段对相变材料进行编程。图3是已被报道的电阻存储单元的I一V特性曲线的示意图"'"，(a)是采用极性不同的电压进行高阻和低阻间转换情形，曲线201表示起始态为高阻的IV曲线，电压扫描方向如箭头所示，当电压从O开始向正向逐渐增大到Vn时，电流会突然迅速增大，表明存储电阻从高阻突变成低阻状态，示意图中电流增大不是无限制的，而是受回路中电流限制元件的约束，到达最大值(以下称为钳制值)后不再随电压增加而增加。曲线200表示起始态为低阻的状态，当电压由0向负向逐渐增大到VT2时，电流会突然迅速减小，表明存储电阻从低阻突变成高阻状态。高阻和低阻分别代表不同的数据状态，这种改变是多次可逆的，由此可实现数据存储。(b)是采用极性相同的电压来进行高阻和低阻转换的情形，曲线201和202分别表示采用正向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的过程，而203和200分别表示采用负向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的过程。
发明内容本发明的目的在于提供一种以金属氧化物为存储介质的编程单元复用的FPGA器件。本发明提出的编程单元复用的FPGA器件，采用复用的编程单元控制各编程点，一个存储电阻对应一种编程信息，即一个存储电阻对应一种配置功能。使用时，大量的配置数据一次下载即可，用户每次只需导入少量的功能数据。本发明提出的编程单元复用的FPGA器件，主要由下述三个模块构成可编程逻辑功能块CLB、输入输出模块IOB和可编程互联资源。其中，可编程逻辑功能块CLB和可编程互联资源都应用编程单元复用的结构，由复用的編程单元控制各编程点。本发明提出的编程单元复用的结构，以二元或者二元以上的多元金属氧化物作为非挥发存储介质，由一个传统的六管SRAM与多个(一般为2、4、8或16个)存储电阻以及一个参考电阻构成；每一个存储电阻的下电极与SRAM的一个上拉pmos管的源端耦连，上电极通过一个nmos选通管与电源线耦连；用一nmos选通管与存储电阻串联，该选通管栅极与该上拉pmos管栅极耦连，漏端与存储电阻的下电极耦连，源端引入一个用于对存储电阻进行操作的信号；参考电阻的一端与SRAM的另一个上拉pmos管的源端耦连，另一端与电源线耦连。具体工作时，通过一个译码器控制与各存储电阻上电极连接的nmos选通管，从而实现对同一编程单元的各个不同的存储电阻的读写操作。本发明提出的编程单元复用的FPGA器件中，各个存储电阻均为两端器件，其中一端与金属连线的阻挡层材料相连。在对存储电阻进行读写操作时，既可采用相同极性的电信号进行数据操作，也可采用相反极性的电信号。本发明提出的编程单元复用的FPGA器件中，在对存储电阻进行写操作前要先将存储电阻复位至初始状态。即在对FPGA系统进行配置数据下载前需要完成复位操作。本发明所述的金属氧化物具有快速转换特性，低操作电流电压的特点，并且与现代COMS工艺的兼容性很高。该金属氧化物为铜的氧化物Cu,0(l〈x《2)、钛的氧化物、镍的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铌的氧化物、钽的氧化物、SrZr03、PbZrTi03或者PivxCaxMn03，这里0.2《x《0.5。本发明中，阵列中的编程点包括査找表的査找对象，以及海量开关矩阵中的编程开关。本发明提供的FPGA器件，使用时，大量的配置数据一次下载即可，用户每次只需导入少量的功能数据，可以节省大量时间。图1Xilinx公司FPGA产品的系统电路结构。图2目前报道的基于相变材料的NVSRAM。图3目前报道的电阻随机存储器的I-V特性曲线。图4本发明提出的一个编程单元复用的结构实施例。图5编程单元复用实施例的剖面结构(部分)。图6应用编程单元复用结构FPGA的CLB的电路。图7应用编程单元复用结构FPGA的开关矩阵的电路。图8应用编程单元复用结构FPGA的配置电路。图9应用编程单元复用结构FPGA的操作流程。具体实施例方式下文结合图示及参考实施例更具体地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。应当理解，当称一个元件与"另一个元件连接"或"与另一个元件耦接"时，这个元件可以直接连接或耦接到另一个元件，也可以存在插入元件。相反，当称一个元件"直接与另一个元件连接"或"直接与另一个元件耦接"时，不存在插入元件。附图(广3)在发明技术背景中进行了解释。下面参考图4来说明本发明提出的一个四个编程电阻复用一个编程单元的结构实施例。该实施例中，M0S管309-312构成了一个传统的SRAM结构。存储电阻317-320的一端与上拉PMOS管308源端耦连，另一端通过各个nmos选通管321-324与电源线302(Vdd)连接。控制存储电阻317-320操作的选通管315的漏端与各存储电阻的下电极316相连，源端与操作信号303(STR)连接，栅端连接到SR細选通管309的漏端。当字线301(WU使能时，选通管309导通，mos管315栅极即连接到位线304(BL)。参考电阻306串联在电源线302与另一上拉pmos管307之间，参考电阻的阻值介于存储电阻高阻阻值与低阻阻值之间。图5给出了一个四个编程电阻复用一个编程单元的剖面结构，包括存储电阻317-320及其共用的选通管315。存储电阻317-320的上电极分别通过其对应的nmos选通管与电源信号302(Vdd)耦连，下电极316都与选通管315的漏端相连。图6给出了四个编程电阻复用一个编程单元的FPGA中CLB模块架构的一个实施例。模块400是CLB中的一个四输入査找表，模块300是本发明中四个编程电阻复用一个编程单元的结构。如图所示，16个复用编程单元的位线输出端304分别与LUT16个査找信号的输入端耦连。信号401-404是査找表的四个选择信号，分别与査找表四级的mos管栅极连接，通过控制这些mos管的开或关来实现査找输出的功能。配置系统时，四种功能信息被分别储存在对应的存储电阻中；工作时由系统产生的功能选择信号选择输出的功能。图7给出了四个编程电阻复用一个编程单元的FPGA中开关矩阵的电路结构的一个实施例。复用编程单元300的位线输出端304与开关矩阵中mos选通管的栅极连接，通过控制这些rnos管的开或关来控制FPGA中信号传输的路径。需要指出的是，该开关矩阵的结构只是FPGA系统中开关矩阵的一例，对矩阵中mos选通管个数或排布的改变不应视作对本发明的限制。图8给出了四个编程电阻复用一个编程单元的FPGA的配置电路结构的一个实施例。位于同一行的不同编程单元中的选通器件与同一条字线WL相连，例如，第一行中的不同编程单元中的选通器件均与WLO相连，其它行依次类推；而位于同一列上不同编程单元均与同一条位线相连，例如，第一列中不同编程单元均与位线BLO相连，其它列依次类推。字线与行译码器501相连，行译码器的作用是选中一行，位线与列译码器502相连，列译码器的作用是选中一列，行和列交叉处的编程单元就是选中要进行操作的单元。每一列都与相应的配置寄存器503相连，配置寄存器的作用是对所选择的编程单元的逻辑状态进行读出和提供对编程单元进行操作的电信号。每个编程单元300中的四个存储电阻由2-4译码器325控制进行读写操作。阵列中所有的编程单元都采用同一操作信号303对单元中的存储电阻进行操作。图9给出了本发明中编程单元复用结构FPGA的操作流程。在对FPGA系统进行数据下载之前，首先需完成复位操作，将存储电阻复位到初始状态。然后下载FPGA系统的配置数据，这个过程的数据量很大。紧接着下载FPGA系统的功能数据，此过程的数据量很小。下载完成后，系统生成功能选择信号，即可进入FPGA工作模式。任务完成后可以不重新下载配置数据而直接下载功能数据，也可从复位操作重新开始。参考文献BrownS，FrancisR，RoseJ,etal.Field-ProgrammableGateArrays.KluwerAcademicPublishers,1992.[2]XilinxXC4000EandXC4000XSeries,Xilinx.incS.BrownandJ.Rose,〃FPGAandCPLDArchitectures:ATutorial",IEEEDesign&TestofComputers,Summer1996.[4]孟宪元，可编程专用集成电路原理，设计和应用，电子工业出版社，1995.[5]S.Kaeriyama，T.Skamoto,etal."ANonvolatileProgrammableSolid-ElectrolyteNanometerSwitch"，IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS'VOL.40,NO.1,JANUARY2005.[6]S.Masui,T.Ninomiya,etal."AFerroelectricMemory-BasedSecureDynamicallyProgrammableGateArray"，IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS,VOL.38，NO.5，MAY2003.J.Maimon，E.Spall,R.Quinn，S.Schnur，"Chalcogenide-basednonvolatilememorytechnology",7S5F/!rac616^27^ofZeraspsceCb"/are"ce，p.2289，2001.A.Beck，J.G.Bednorz，Ch.Gerber，C.Rossel，andD,Widmer，"Reproducibleswitchingeffectinthinoxidefilmsformemoryapplications",力，丄Ze".Vol.77，p.139，2000;C.Y.Liu，P.H.Wu,A.Wang,W.Y.Jang，J.C.Young，K.Y.Chiu，andT.YTseng，"Bistableresistiveswitchingofasputter-depositedCr-dopedSrZr03memoryfilm"，/舰舰vol.26，p.351，2005.J.R.Contreras,H.Kohlstedt,U.Pooppe，R.Waser，C.Buchal，andN.A,Pertsev，"Resistiveswitchinginmetal-ferroelectric-metaljunctions"，4^oZ./%76*.vol.83，p.4595，2003.A，As柳itsu，Y.Tomioka，H.Kuwahara，andY.Tokura，"Currentswitchingofresistivestatesinmagnetoresistivemanganites"，船t"re"o/^/vol.388，p.50，1997.I.G.Baek，M.S.Lee，S,Seo，M.J.Lee，D.H.Seo，.S.Suh，J.C.Park,S，0.Park,H.S.Kim,I.K.Yoo，U-InChung,andJ.T.Moon,"Highlyscalablenon-volatileresistivememoryusingsimplebinaryoxidedrivenbyasymmetricunipolarvoltagepulses"，7ecA历>.p.587(2004).L.P.Ma，J.Liu，andY.Yang,"Organicelectricalbistabledevicesandrewritablememorycells"，粉丄Ze".vol.80，p.2997，2002;LD.Bozano，B.W.Kean，V.R.Deline，J.R.Salem，andJ.C.Scott，"Mechanismfortestabilityinorganicmemoryelements"，^pp丄vol.84，p.607，2004.A.Chen,S,Haddad，Y.-C.Wu，，，Non-VolatileResistiveSwitchingforAdvancedMemoryApplications"inNVSMW,2006[14]M.Takata，K.Nakayama，etal.NonvolatileSRAMbasedonPhaseChange,NonvolatileMemoryWorkshop,p.95-96，2006.权利要求1、一种基于金属氧化物存储介质的编程单元复用的FPGA器件，其特征在于由可编程逻辑功能块CLB、输入输出模块IOB和可编程互联资源组成，其中可编程逻辑功能块CLB和可编程互联资源都应用编程单元复用的结构，由复用的编程单元控制各编程点；该编程单元复用的结构以二元或者二元以上的多元金属氧化物作为非挥发存储介质，并由一个传统的六管SRAM与多个(如2-10个，或更多)存储电阻以及一个参考电阻构成；每一个存储电阻的下电极与SRAM的一个上拉pmos管的源端耦连，上电极通过一个nmos选通管与电源线耦连；用一nmos选通管与存储电阻串联，该选通管栅极与该上拉pmos管栅极耦连，漏端与存储电阻的下电极耦连，源端引入一个用于对存储电阻进行操作的信号；参考电阻的一端与SRAM的另一个上拉pmos管的源端耦连，另一端与电源线耦连。2、根据权利要求1所述的基于金属氧化物存储介质的编程单元复用的FPGA器件，其特征在于所述的金属氧化物为铜的氧化物、钛的氧化物、镍的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铌的氧化物、钽的氧化物、SrZr03、PbZrTi03或者Pr卜xCaxMn03，0.2《x《0.5。3、根据权利要求1所述的基于金属氧化物存储介质的编程单元复用的FPGA器件，其特征在于编程点包括查找表的査找对象，以及海量开关矩阵中的编程开关。全文摘要本发明属于集成电路
技术领域：
，具体为一种基于金属氧化物存储介质的编程单元复用的FPGA器件。该器件由可编程逻辑功能块CLB、输入输出模块IOB和可编程互联资源组成，其中可编程逻辑功能块CLB和可编程互联资源都应用编程单元复用的结构，由复用的编程单元控制各编程点。复用的编程单元以金属氧化物作为存储介质，并由一个传统的SRAM与多个存储电阻和一个参考电阻构成。工作时，通过一个译码器控制与各存储电阻上电极连接的nmos选通管，从而实现对同一编程单元的各个不同的存储电阻的读写操作。使用本发明器件，大量的配置数据一次下载即可，用户每次只需导入少量功能数据，可以节省大量时间。文档编号H03K19/00GK101097778SQ20071004233公开日2008年1月2日申请日期2007年6月21日优先权日2007年6月21日发明者林殷茵,陈邦明申请人:复旦大学