[發(fā)明專利]一種用于可編程芯片的可編程存儲單元

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310745644.9
• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN103714849B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張勇;傅啟攀;張延飛;王佩寧
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市國微電子有限公司
• 主分類號: G11C11/419
• 分類號: G11C11/419
• 代理公司: 深圳鼎合誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司44281
• 代理人: 薛祥輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計，尤其涉及一種用于可編程芯片的可編程存儲單元。

背景技術(shù)

可編程芯片是由可配置邏輯塊組成的，通過不同的配置數(shù)據(jù)對可配置邏輯塊及互連資源進(jìn)行配置，以實(shí)現(xiàn)特定邏輯功能的數(shù)字集成電路。可編程芯片按配置數(shù)據(jù)的存儲方法可分為以下幾類：

1.基于SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器)工藝進(jìn)行配置的可編程芯片，是指一種以SRAM單元作為配置存儲器，使可編程芯片實(shí)現(xiàn)特定功能的器件。這種類型器件的最大優(yōu)點(diǎn)是可以重復(fù)配置，新的設(shè)計可以很快地實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證，能夠容納設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的變化。此外，SRAM單元的制造采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)，并不需要做專門處理。其缺點(diǎn)有：(1)系統(tǒng)每次上電時都需要重新配置，配置數(shù)據(jù)在系統(tǒng)斷電后消失，需要使用專門的外部存儲器件存儲配置數(shù)據(jù)，這增加了成本和面積開銷；(2)用于對器件編程的配置文件是存儲在某種形式的外部存儲器中的，數(shù)據(jù)的安全性難以得到保障；(3)在輻射環(huán)境下(主要包括太陽的電磁輻射及粒子輻射)，基于SRAM器件的配置單元受到單粒子轟擊后可能會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致可編程芯片功能出現(xiàn)紊亂。

2.基于FLASH（快閃電擦除可編程只讀存儲器）工藝進(jìn)行配置的可編程芯片，是指將配置數(shù)據(jù)先寫入到FLASH元件中，系統(tǒng)上電后，通過FLASH元件配置存儲器SRAM，使可編程芯片實(shí)現(xiàn)特定功能。此種技術(shù)使得器件擁有與反熔絲一樣的非易失性，即系統(tǒng)上電后器件可以立刻運(yùn)行。此外，可以使用FLASH單元重配置器件，結(jié)合了SRAM型可編程芯片和反熔絲型可編程芯片的優(yōu)點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)也是顯而易見的，其缺點(diǎn)有：(1)FLASH型的可編程芯片功耗比SRAM型和反熔絲型的可編程芯片的功耗都要大；(2)存儲在FLASH元件中的數(shù)據(jù)會隨著時間推移發(fā)生丟失；(3)在輻射環(huán)境下依舊容易發(fā)生軟錯誤。

3.基于反熔絲技術(shù)進(jìn)行配置的可編程芯片，是指以反熔絲單元作為配置存儲器的可編程芯片器件，在編程時，直接將配置數(shù)據(jù)寫入到反熔絲配置存儲單元，以使可編程芯片器件實(shí)現(xiàn)特定的邏輯功能。這種器件有以下特點(diǎn)：(1)用于存儲配置數(shù)據(jù)的反熔絲單元是OTP(One?Time?Programmable，一次可編程)的，即器件不能被重復(fù)編程。(2)這種器件都是非易失性的，即數(shù)據(jù)在系統(tǒng)斷電時仍然可以保持，所以此類器件不需要外部的存儲芯片來存放配置數(shù)據(jù)。(3)這種器件具有的天生的抗輻射能力(在電磁輻射環(huán)境中數(shù)據(jù)不會發(fā)生改變)，所以這種類型的器件廣泛應(yīng)用于軍事和宇航應(yīng)用領(lǐng)域。反熔絲器件最大的缺點(diǎn)是一次可編程特性，一旦已經(jīng)對其編程結(jié)束，器件的功能已經(jīng)確定，無法重復(fù)編程其它設(shè)計。目前，OTP類型的存儲器主要分為三種：

一是浮柵結(jié)構(gòu)，兩層薄氧化層形成兩組電容，下面一個柵極即為浮柵，編程時，在控制柵極加載高電壓，漏端加載低電壓，漏端電子通過浮柵下氧化層注入浮柵，浮柵晶體管的閾值電壓隨浮柵電荷變化；需要擦除數(shù)據(jù)時，在漏端加載高壓，控制柵加載低壓，浮柵晶體管的閾值電壓即可恢復(fù)到編程之前。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是存儲數(shù)據(jù)在輻射環(huán)境下依然有可能發(fā)生軟錯誤，隨著時間的推移，浮柵上的電荷會逐漸消失，所以其不能永久保持?jǐn)?shù)據(jù)。

二是ONO和MTM型反熔絲結(jié)構(gòu)，這兩種反熔絲結(jié)構(gòu)均引入了特殊的工藝，其中，ONO(氧-氮-氧)型反熔絲結(jié)構(gòu)是由上下兩層經(jīng)摻雜的多晶硅和ONO復(fù)合層組成電容結(jié)構(gòu)。多晶硅為極板，電壓通過鋁引線加到極板上，ONO復(fù)合層為介質(zhì)。在工作電壓下，電容阻斷電流通過，即形成off-state(閉合)狀態(tài)；當(dāng)加上編程電壓后，電容擊穿，電流通過，即形成on-state(導(dǎo)通)狀態(tài)。MTM(Metal?to?Metal)型反熔絲結(jié)構(gòu)，反熔絲開關(guān)構(gòu)建在兩層金屬之間，反熔絲材料由非晶硅層和電介質(zhì)層構(gòu)成。反熔絲夾在頂層金屬和用來連接底層金屬的過孔塞（via-plug）之間。反熔絲的尺寸基本上由過孔尺寸確定。采用先進(jìn)工藝/特征尺寸縮小的更小的過孔尺寸將減小反熔絲尺寸，從而減小互連電容，因此改進(jìn)速度能和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝同步。這兩種存儲器件在制備過程中引入了額外的工藝，具有面積小、編程電阻小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但同時存在兩個很大的問題：一是產(chǎn)量很小，所以成本極高；二是工藝線的流程比較復(fù)雜，所以在性能上與通用工藝線存在較大差距。