CN107293328B - 一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，包括矩阵单元、电流镜和基准电流源产生电路，所述基准电流源产生电路产生的基准电流经过所述电流镜成比例放大为编程电流，编程电流控制所述矩阵单元进行编程熔丝。所述矩阵单元包括m×n个熔丝单元、n个列选单元和译码单元，所述n个列选单元分别和n列熔丝单元连接，所述熔丝单元包括熔丝电阻和编程晶体管，所述列选单元包括列选晶体管，所述译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的行列位置。本发明提供的一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，采用电迁移机制编程熔丝，具有熔断阻值增大、编程熔丝电路结构稳定可靠的优良特性。
Description
技术领域
本发明涉及电路保护领域，具体涉及一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构。
背景技术
电子可编程熔丝(EFUSE-electrically programming Fuse)技术是根据多晶硅熔丝特性发展起来的技术。随着EFUSE的理论与技术逐渐成熟，EFUSE的应用范围迅速扩大。例如，在集成电路中设计多个相同功能的电路模块作为备份，当发现其中一个电路模块有缺陷时，通过熔丝单元将其烧断，而使用具有相同功能的另一个电路模块取代。又如，设计一款通用的集成电路，根据不同用户的需求，将不需要的电路模块通过熔丝单元烧断，这样一款集成电路设计就可以以经济的方式制造并适用于不同客户。
目前最常见的两种熔断模式包括热断裂(thermal rupture)模式和电迁移(EM)模式，现有EFUSE编程技术采用电压编程技术，电路结构如图1所示，电压编程EFUSE电路包括熔丝电阻EFUSE，编程晶体管NM1，编程电压源VFS。在编程熔丝过程中，当电子可编程熔丝处于编程熔丝状态时，EFUSE link阳极端施加编程电压源VFS，然后与行地址对应的字线信号(WL)为高电平时选中其中的某一行打开编程晶体管NM1，通过热断裂(thermal rupture)现象改变熔丝EFUSE的物理结构，由未被编程之前的低阻抗状态变成高阻抗状态，实现对熔丝EFUSE的编程。
传统的用电压编程EFUSE结构电路图虽然可以熔断EFUSE熔丝电阻，但由于电流过大，多晶硅电熔丝局部聚集的热量非常大，导致多晶硅电熔丝爆裂。如果此时多晶硅熔丝出现过编程，会导致金属链上的大部分金属硅化物还没迁移，那么熔断后阻值小，可靠性也非常低。导致产生部分低电阻状态，造成实际使用上诸多的不便利。
电迁移技术只需要很小的电流就可以实现编程熔丝，通过电迁移后EFUSE熔断阻值非常大，且熔断阻值对时间和温度的影响不大，其稳定性和可靠性的关键因素是提供精确和稳定的熔断电流，但是工艺和环境的变化往往会影响熔断电流的精确度和稳定性，从而造成电子可编程熔丝电路结构的稳定性和可靠性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，采用电迁移机理编程熔丝，具有熔断阻值增大、编程熔丝电路结构稳定可靠的优良特性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，其特征在于，包括矩阵单元、电流镜和基准电流源产生电路，所述基准电流源产生电路产生的基准电流经过所述电流镜成比例放大为编程电流，上述编程电流控制所述矩阵单元进行编程熔丝。
进一步地，所述矩阵单元包括m×n个熔丝单元、n个列选单元和译码单元，所述n个列选单元分别和n列熔丝单元连接，所述列选单元包括列选晶体管，所述列选晶体管一端连接电流镜的输出端，另一端连接位于该列选晶体管所在列的熔丝单元，所述熔丝单元包括熔丝电阻和编程晶体管，所述熔丝电阻的一端连接所在列的列选晶体管，另一端连接该熔丝单元中的编程晶体管，同时所述编程晶体管的另一端接地，所述译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的行列位置，其中，m和n均为正整数。
进一步地，所述列选晶体管为PMOS列选晶体管。
进一步地，所述编程晶体管为NMOS编程晶体管。
进一步地，所述译码单元包括行译码单元和列译码单元，所述列译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的列，并控制该列中的列选晶体管打开；所述行译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的行，并控制该熔丝单元中编程晶体管打开。
进一步地，当电子可编程熔丝电路结构处于编程操作状态时，基准电流源产生电路产生的基准电流经过电流镜成比例放大为编程电流，然后列译码单元将需要编程熔丝的熔丝单元所在列的位线选择信号(BL_SELb)设置为低电平信号，并打开该列的列选晶体管，同时行译码单元将需要编程熔丝的熔丝单元所在行的字线信号(WL)设置为高电平信号，打开该熔丝单元中的编程晶体管，此时，编程电流控制该熔丝单元的编程晶体管进行电流编程熔丝，熔丝电阻从低阻抗状态变为高阻抗状态。
进一步地，所述熔丝电阻被编程熔丝之后熔断阻值大于1兆欧。
进一步地，当电子可编程熔丝电路结构处于读操作状态时，基准电流源产生电路和电流镜不工作，列译码单元将所有列的位线选择信号(BL_SELb)设置为高电平信号，关闭所有列的列选晶体管，同时行译码单元将需要读取的熔丝单元所在行的字线信号(WL)设置为高电平信号，打开该熔丝单元的编程晶体管，此时，在外加的读取电压下，若该熔丝单元已被编程熔丝，则读取端出现高阻抗状态，若该熔丝单元未被编程熔丝，则读取端的电压值等于参考接地电压。
进一步地，编程电流范围为6-10mA。
本发明的有益效果为：通过电流镜将基准电流源产生电路产生的基准电流成比例地放大为编程电流，不仅为编程电路提供了稳定可靠的编程电流；而且电流镜电路能够很好的工作在一个较宽的编程电压范围下，这样可以有效地节省从新开发EFUSE存储单元的研发成本；采用编程电流控制熔丝电阻的熔断，将传统编程熔丝技术中的热断裂机理改变为电迁移机理，使得熔丝电阻被编程熔丝之后的熔断阻值大大增加。
附图说明
图1为现有技术中电压编程的电子可编程熔丝电路结构的电路图。
图2为电流编程的电子可编程熔丝电路结构的电路图。
图3(a)为电压编程为2.5V时，经过电压编程后熔丝电阻的断面图。
图3(b)为电流编程为7mA时，经过电流编程后熔丝电阻的断面图。
图4(a)为电压编程为2.5V时，经过电压编程后熔丝电阻的阻值分布图。
图4(b)为电流编程为7mA时，经过电流编程后熔丝电阻的阻值分布图。
图5为本发明电流编程的电子可编程熔丝电路结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例和附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图2所示，采用电流编程的熔丝电路结构，包括熔丝电阻EFUSE，编程晶体管NM1，编程电流源IPGM，熔丝电阻EFUSE的阳极端Anode连接编程电流源，熔丝电阻EFUSE的阴极端Cathode连接编程晶体管NM1，编程晶体管NM1的另一端接地，同时栅极连接字线信号WL。当熔丝电阻EFUSE进行编程动作时，编程电流源IPGM向熔丝电阻EFUSE的阳极端Anode施加编程电流，然后行译码单元将该电路中的字线信号WL选为高电平信号，此时编程晶体管NM1打开，通过电迁移现象改变熔丝电阻EFUSE的物理结构，由之前的低阻抗状态变为高阻抗状态，实现对熔丝电阻EFUSE的熔丝编程。
多晶硅熔丝编程有两种不同机制，分别为热断裂机制和电迁移机制，采用电压编程为热断裂机制，就是短时间注入多晶硅熔丝的能量非常大，多晶硅电熔丝局部聚集的热量非常大，导致多晶硅电熔丝爆裂。若此时多晶硅熔丝出现过编程，金属链上的大部分金属硅化物还没迁移，那么熔断后阻值小，可靠性也非常低。电迁移机制只要采用较小的电流就能实现编程熔丝，在较小的电流下多晶硅熔丝编程主要是电迁移机制引起的，而且熔断后阻值为兆欧姆，且不易恢复。
如图3、图4所示，在其他工艺条件相同的情况下，分别采用2.5V的编程电压和7mA的编程电流对编程电路中熔丝电阻进行编程熔丝，并基于HLMC55LP工艺平台，搭建EFUSETQV测试电路，图3(a)为电压编程为2.5V时，经过电压编程后熔丝电阻的断面图；图3(b)为电流编程为7mA时，经过电流编程后熔丝电阻的断面图；图4(a)电压编程为2.5V时，经过电压编程后熔丝电阻的阻值分布图；图4(b)为电流编程为7mA时，经过电流编程后熔丝电阻的阻值分布图。对比之后，可以看出，采用编程电压控制的熔丝电阻在熔断后熔丝电阻的阳极端因为聚集的热量非常大，导致阳极端产生轻微爆裂，如图3(a)所示，同时，因为金属链上的大部分金属硅化物还没迁移，导致熔断后的阻值低，只有8K左右，可靠性也非常低，如图4(a)所示。而采用编程电流控制的熔丝电阻在熔断后金属链上的金属硅化物完全发生电迁移，如图3(b)所示，并且熔断阻值最小在1兆欧姆左右，如图4(b)所示。
本发明提供的一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，将图2中电流编程的熔丝电路结构并联起来，包括矩阵单元、电流镜和基准电流源产生电路，基准电流源产生电路产生的基准电流经过电流镜成比例放大为编程电流，编程电流控制所述矩阵单元进行编程熔丝。
矩阵单元包括m×n个熔丝单元、n个列选单元和译码单元，所述n个列选单元分别和n列熔丝单元连接，所述列选单元包括列选晶体管，所述列选晶体管一端连接电流镜的输出端，另一端连接位于该列选晶体管所在列的熔丝单元，所述熔丝单元包括熔丝电阻和编程晶体管，所述熔丝电阻的一端连接所在列的列选晶体管，另一端连接该熔丝单元中的编程晶体管，同时所述编程晶体管的另一端接地，所述译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的行列位置。译码单元包括行译码单元和列译码单元，列译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的列，并控制该列中的列选晶体管打开；行译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的行，并控制该熔丝单元中编程晶体管打开。
如图5所示，一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构的电路图如图5所示，包括矩阵单元、电流镜和基准电流源产生电路IBIAS generator，基准电流源产生电路产生的基准电流IBIAS经过电流镜成比例放大为编程电流IPGM，编程电流控制所述矩阵单元进行编程熔丝。矩阵单元包括m+1行和n+1列熔丝单元、n+1个列选单元和译码单元，译码单元在图中未显示，m+1行熔丝单元从下往上依次为第0行、第1行……第m行，n+1列熔丝单元从左往右依次为第0列、第1列……第n列。列选单元包括列选晶体管PMOS，列选晶体管PMOS一端连接编程电流IPGM，另一端连接位于该列选晶体管PMOS所在列的熔丝单元，熔丝单元包括熔丝电阻EFUSE和编程晶体管NMOS，熔丝电阻EFUSE的一端连接所在列的列选晶体管PMOS，另一端连接所述编程晶体管NMOS，同时编程晶体管NMOS的另一端接地。译码单元包括行译码单元和列译码单元，列译码单元发出位线选择信号BL_SELb，用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的列，并控制该列中的列选晶体管PMOS打开；行译码单元发出字线信号WL，用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的行，并控制该熔丝单元中编程晶体管NMOS打开。其中，附图5中VDDQ表示电源，PM0表示第1列的列选晶体管，NM0表示第一行第一列的编程晶体管。
当电子可编程熔丝电路结构处于编程操作状态时，基准电流源产生电路IBIASgenerator产生的基准电流IBIAS经过电流镜成比例放大为编程电流IPGM，编程电流IPGM的范围为6-10mA。然后列译码单元将需要编程熔丝的熔丝单元所在列的位线选择信号BL_SELb设置为低电平信号，并打开该列的列选晶体管PMOS，同时行译码单元将需要编程熔丝的熔丝单元所在行的字线信号WL设置为高电平信号，打开该熔丝单元中的编程晶体管NMOS，此时，编程电流IPGM控制该熔丝单元的编程晶体管NMOS进行电流编程熔丝，通过电迁移机制改变熔丝电阻EFUSE的物理结构，由未被编程的低阻抗状态变为高阻抗状态。
当电子可编程熔丝电路结构处于读操作状态时，基准电流源产生电路IBIASgenerator和电流镜不工作，列译码单元将所有列的位线选择信号BL_SELb设置为高电平信号，关闭所有列的列选晶体管PMOS，同时行译码单元将需要读取的熔丝单元所在行的字线信号WL设置为高电平信号，打开该熔丝单元的编程晶体管NMOS，此时，在外加的读取电压下，若该熔丝单元已被编程熔丝，则读取端BL出现高阻抗状态，若该熔丝单元未被编程熔丝，则读取端BL的电压值等于参考接地电压。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，其特征在于，包括矩阵单元、电流镜和基准电流源产生电路，所述基准电流源产生电路产生的基准电流经过所述电流镜成比例放大为编程电流，上述编程电流控制所述矩阵单元进行编程熔丝；所述矩阵单元包括熔丝单元，所述熔丝单元包括熔丝电阻和编程晶体管，所述熔丝电阻的阳极端连接编程电流源，阴极端连接所述编程晶体管一端，所述编程晶体管另一端接地，所述编程晶体管栅极连接字线信号WL，当所述熔丝电阻进行编程时，所述编程电流范围为6-10mA；字线信号WL为高电平，使得所述编程晶体管打开，通过电迁移现象改变所述熔丝电阻的熔丝编程。
2.根据权利要求1所述的一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，其特征在于，所述矩阵单元包括m×n个熔丝单元、n个列选单元和译码单元，所述n个列选单元分别和n列熔丝单元连接，所述列选单元包括列选晶体管，所述列选晶体管一端连接电流镜的输出端，另一端连接位于该列选晶体管所在列的熔丝单元，所述熔丝电阻的阳极端连接所在列的列选晶体管，阴极端连接该熔丝单元中的编程晶体管，所述译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的行列位置，其中，m和n均为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，其特征在于，所述列选晶体管为PMOS列选晶体管。
4.根据权利要求2所述的一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，其特征在于，所述编程晶体管为NMOS编程晶体管。
5.根据权利要求2所述的一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，其特征在于，所述译码单元包括行译码单元和列译码单元，所述列译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的列，并控制该列中的列选晶体管打开；所述行译码单元用于确定需要进行编程熔丝的熔丝单元所在的行，并控制该熔丝单元中编程晶体管打开。
6.根据权利要求5所述的一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，其特征在于，当电子可编程熔丝电路结构处于编程操作状态时，基准电流源产生电路产生的基准电流经过电流镜成比例放大为编程电流，然后列译码单元将需要编程熔丝的熔丝单元所在列的位线选择信号设置为低电平信号，并打开该列的列选晶体管，同时行译码单元将需要编程熔丝的熔丝单元所在行的字线信号设置为高电平信号，打开该熔丝单元中的编程晶体管，此时，编程电流控制该熔丝单元的编程晶体管进行电流编程熔丝，熔丝电阻从低阻抗状态变为高阻抗状态。
7.根据权利要求6所述的一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，其特征在于，所述熔丝电阻被编程熔丝之后熔断阻值大于1兆欧姆。
8.根据权利要求5所述的一种采用电流编程的电子可编程熔丝电路结构，其特征在于，当电子可编程熔丝电路结构处于读操作状态时，基准电流源产生电路和电流镜不工作，列译码单元将所有列的位线选择信号设置为高电平信号，关闭所有列的列选晶体管，同时行译码单元将需要读取的熔丝单元所在行的字线信号设置为高电平信号，打开该熔丝单元的编程晶体管，此时，在外加的读取电压下，若该熔丝单元已被编程熔丝，则读取端出现高阻抗状态，若该熔丝单元未被编程熔丝，则读取端的电压值等于参考接地电压。
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