[發明專利]適用于FPGA的柵氧擊穿反熔絲配置單元結構

有效

• 申請號: 201110374130.8
• 申請日: 2011-11-22
• 公開（公告）號: CN102427076A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 封晴;胡小琴;宣志斌;王曉玲;胡凱;馬金龍
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十八研究所
• 主分類號: H01L27/02
• 分類號: H01L27/02;H03K19/177
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 殷紅梅

技術領域

本發明涉及一種適用于FPGA的柵氧擊穿反熔絲配置單元結構，屬于CMOS集成電路設計技術領域。

背景技術

柵氧擊穿方式反熔絲不同于傳統的反熔絲結構。傳統的反熔絲結構主要有MTM反熔絲（Metal?to?Metal）和ONO反熔絲（Oxide-Nitride-Oxide）兩種，這兩種反熔絲結構需要特殊工藝，無法采用現有的商用普通CMOS工藝實現。

柵氧擊穿方式反熔絲的最大的優點是利用普通CMOS工藝線就可實現，不需要特殊的工藝層次和步驟，其反熔絲電介質就是柵氧隔離層。在一般情況下，柵氧隔離層可表現出TΩ級的阻抗，可有效地隔離柵和柵級以下有源區。當在柵和有源區兩端施加一個合適的編程電壓和電流后，電介質會形成一個連接電極的傳導通道（＜1kΩ），將兩電極導通，利用反熔絲的導通與否來實現信息存儲。柵氧擊穿方式反熔絲作為一種新型的存儲結構，與傳統CMOS結構存儲器相比，它可以提供一種高電路密度、低功耗，非易失性編程和高可靠性、高壽命的組合，因而廣泛用于可編程存儲器（PROM）中。

柵氧擊穿方式反熔絲單元可靠性已在大規模可編程存儲器中得到驗證，但尚未應用于可編程邏輯陣列（如FPGA）中。由于柵氧擊穿方式反熔絲編程電壓等特性與傳統反熔絲有所區別，必須基于該反熔絲編程特性設置合適的編程結構以滿足應用需求。

發明內容

本發明的目的是將柵氧擊穿反熔絲結構技術應用于可編程邏輯陣列中，提出了一種適用于FPGA電路的柵氧擊穿反熔絲配置單元結構。

為實現上述目的，本發明所述的適用于FPGA的柵氧擊穿反熔絲配置單元結構，包括一個基于柵氧擊穿反熔絲存儲單元、一個編程選擇控制管、一個保護內部邏輯與編程高壓隔離的編程隔離管，和一個控制FPGA布線通道的開關管；所述基于柵氧擊穿反熔絲存儲單元柵極連接編程選擇控制管漏極和編程隔離管源極，基于柵氧擊穿反熔絲存儲單元的有源區接地；編程選擇控制管柵極由外部配置信號控制，編程選擇控制管源極與襯底接電源電壓；編程隔離管柵極由外部控制信號控制開啟與否，編程隔離管襯底接電源，編程隔離管漏極連接控制FPGA布線通道的開關管柵極，控制FPGA布線通道的開關管源極與漏極連接在外部信號通道中，控制FPGA布線通道的開關管襯底接地。

所述電源電壓分為配置單元正常工作電壓VDD和反熔絲存儲單元編程電壓VPP，且VPP>VDD。

本發明由所述外部配置信號的配置碼點對單元進行配置，并輸出配置存儲信息。

具體為，編程選擇控制管由FPGA配置軟件產生的碼流控制開啟與否，當配置碼點的數據為“1”時，編程選擇控制管關閉，基于柵氧擊穿反熔絲存儲單元未被編程；當配置碼點數據為“0”時，編程選擇控制管打開，此時基于柵氧擊穿反熔絲存儲單元一端為電壓VPP，另一端接地，當維持一段有效編程時間后，所述基于柵氧擊穿反熔絲存儲單元被編程，實現低阻連接。

在工作階段，已編程的基于柵氧擊穿反熔絲存儲單元通過低阻連接使所述控制FPGA布線通道的開關管柵極連接至地，維持所述控制FPGA布線通道的開關管關閉；未編程的基于柵氧擊穿反熔絲存儲單元由于編程選擇控制管的亞閾值漏電特性，使基于柵氧擊穿反熔絲存儲單元柵端充電至電壓VDD，保持所述控制FPGA布線通道的開關管開啟。

所述編程選擇控制管和編程隔離管均為高壓PMOS管，所述控制FPGA布線通道的開關管為NMOS管。

本發明的優點是：采用四管柵氧擊穿反熔絲配置單元結構，可以在普通的CMOS工藝線上實現FPGA的反熔絲配置單元功能，具有電路密度高、低功耗、非易失性編程和高可靠性、高壽命的特點。

附圖說明

圖1為本發明柵氧擊穿反熔絲配置單元結構的電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明對柵氧擊穿反熔絲配置單元結構設計方案考慮如下。

1.針對大規模FPGA集成度要求，盡量減少配置單元結構晶體管數目。

2.隨著FPGA門數的增加，電路功耗問題成為電路規模增大的制約要點，本發明一方面利用MOS管亞閾值漏電特性對FPGA布線通道管進行開啟控制，另一方面，利用已編程的反熔絲的低阻特性使FPGA布線通道管柵極短接至GND，使整體功耗大大降低。

3.本發明的觀念較基于SRAM配置單元的FPGA結構有很大改進，基于SRAM配置單元的FPGA結構由雙穩態鎖存器控制，且至少為六管結構，內部存在電流通路，不可避免的導致電路功耗的增加。