TW200301904A - Evaluation circuit for an anti-fuse - Google Patents

Description

(i) (i)200301904 玫、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 發明背景 發明之技術領域 本發明通常與積體電路領域有關；並且特別是，與評 估反溶絲之狀態條件有關。 有關技藝之描述 積體電路時常會要求兩個電路節點之間的可程式規劃 電連接。能夠藉由使用反溶絲鏈接（anti-fuse link)來建構 這種連接。利用一種與電容器之結構類似的結構來製造 反溶絲，在該結構中，兩個導電端子（terminals)是由一種 像氧化矽之類的絕緣層加以隔開。在π斷開"（off)狀態中， 反熔絲在它的兩個端子之間具有高電阻。藉由擊穿 (breaking down)中間層以便在反溶絲端子之間形成導電鏈 接，就能夠將反熔絲加以程式規劃到’’導通π (ο η)狀態（即： 低電阻）。 電反熔絲已經被引入半導體產品中，並且在許多應用 中，它們正在取代常用的雷射熔絲（laser fuse)。諸多目前 應用的反熔絲類型其中之一是一種基於傳統MOS(金屬氧化 物半導體）電晶體的結構。藉由施加熔絲電壓（通常大約7 伏特）跨接於MOS電晶體的閘極氧化層（gate-oxide)來熔斷這 樣一種反溶絲。溶斷過程會導致受損閘極氧化層，因而降 低了橫跨氧化層的電阻。附接於反熔絲的評估電路必須能 夠區別：高未受損氧化層電阻（U和低受損氧化層電阻 200301904 _ π、 I發明說明續頁 尺。^的典型值都是在ίο12歐姆的範圍内。的範圍大多 取決於熔斷過程期間的諸多參數。高熔斷電壓和高熔斷電 流通常會導致較低尺。„電阻。然而，會要求：將這兩個參數 減到最小，以便減縮有關聯電路（例如：熔斷電壓產生器， 熔斷電晶體，接線等）之尺寸。根據該觀點，Ι^η的實用值 都是在105歐姆到108歐姆的範圍内。常用於雷射熔絲和電 熔絲（electical fuse)的諸多熔絲評估電路都不能準確地區 別：未熔斷反熔絲和展現相對高實用R。。值的已熔斷反熔 絲。 因此，一種用來評估MOS電晶體反熔絲之狀態的方法 及電路是有其必1要的，該反熔絲包括展現相對高閘極 氧化層電阻的已溶斷反溶絲。 發明概要 本發明獲得當作一種用來評估可程式規劃反熔絲元 件之裝置，系統及方法的諸多技術優點。針對可程式 規劃電晶體反熔絲而言，利用預定電壓及/或電流來預 充電反熔絲之閘極，並且隨後評估該反熔絲。在一實 施例中，將足以提供作臨限電壓（threshold voltage)之預充 電電壓提供到閘極。此處，未受損（未熔斷）電晶體會繼 續保持導通長達一段時間，而受損（己熔斷）電晶體則會 消耗導通電壓’並且會關斷。電晶體之狀態隨後藉由 評估汲極與源極之間的電阻來確定。高電阻指示已熔 斷條件，而低電阻則指示未熔斷條件。在另一實施例 中，將小電流提供到閘極，其中：該小電流大於未受 200301904 損 受 電 充 與 附 取 絲 並 評 且 評 熔 發 本 (3) 電晶體之漏電流’卻小於受損電晶體之漏電 損電晶體會充電到導通狀態長達一段時間， 晶體卻因其漏電流大於提供到閘極之小電流 電。再者，電晶體反熔絲之狀態隨後藉由評 源極之間的電阻來確定。 圖概述 為了更加完全瞭解本發明，參考連同諸多附 的下列詳細描述，其中： 圖1圖解說明一種反熔絲讀取電路的電路圖； 圖2圖解說明根據本發明之一模範實施例的一 評估電路之電路圖； 圖3 A圖解說明反熔絲評估電路之一替換性實 且特別是針對圖示於圖2中的控制裝置2 10 ; 圖3 B圖解說明用來顯示對應於圖示於圖3 A中的 估電路之時序關係的時序圖（timing diagram); 圖4 A圖解說明反熔絲評估電路之一替換性實施 特別是針對圖示於圖2中的控制裝置2 10 ; 圖4B圖解說明用來顯示對應於圖示於圖4A中的 估電路之時序關係的時序圖； 圖5圖解說明根據本發明之一替換性實施例的 絲評估電路之電路圖。 明之詳細描述 將會特別參考諸多目前較佳模範實施例而加 申請案的許多創新教旨。然而，應該瞭解的 發明說明續頁 流。未 而受損 而不會 估沒極 圖所採 種反熔 施例， 反熔絲 例，並 反熔絲 一種反 以描述 曰 ·二士 疋 · ^

200301904 ⑷ I發明說明續頁 類實施例只是提供本文中許多有利用途和創新教旨中 的少數實例。通常，在本申請案的詳細說明書中所做 的陳述未必限定（d e 1 i m i t)任何各種宣稱發明。而且，一 些陳述雖可能適用於某些創意特點，但不適用於其它 特點。

本發明之一觀點有利地利用MOS電晶體的放大特性來 協助檢測MOS電晶體之閘極氧化層（該閘極氧化層執行 如反熔絲般的功能）的狀態，特別是繼應用熔斷過程之 後。由於越過未受損閘極氧化層的漏電流是在1 p A (微 微安培）之數級，故而只須要非常小的電流來控制反熔 絲電晶體的閘極-源極電壓。然而、在閘極-源極電壓中 的變化（例如：從0伏到2伏）會顯著地改變汲極-源極電 阻。利用在本文中所描述的評估電路就能夠檢測出這 種電阻變化。結果是，根據本發明之一觀點，在108歐 姆之數級的相對高閘極氧化層電阻能夠被準確地解釋 為已熔斷反熔絲。於是，能夠將與熔斷反熔絲200有關 聯的資產（assets)加以有利地縮減及/或減到最小。 將一些常用的反熔絲評估電路顯示和描述於美國專 利第5,706,23 8，5,801，574以及5,831，923號中。三個專利都 是藉由連接感測電路（sensing ciruit)到反溶絲之一端子而 將反熔絲之另一端子連接到電源電壓線來評估反熔絲 之狀態。因此，將絕緣材料的電阻當作反熔絲之狀態 的立即指示器（immediate indicator)。將這些專利應用到 M〇S電晶體閘極氧化層反熔絲會要求：電晶體的汲極和 -10- 200301904 發明說明續頁 (5) 源極節點要連接在一起以形成一個端子，而電晶體反 熔絲的閘極則會形成第二端子。反熔絲之狀態然後是 由這兩個端子之間的電阻所確定，該電阻酷似絕緣材 料之電阻。圖1繪示：與充當感測電路（熔絲閂鎖器（fuse latch))之一對交叉鶴合反相器相結合的這種組態之要 素。如此圖中所顯示的，當讀出開關（readout switch)閉合 (導通）時，反熔絲之狀態（已熔斷對未熔斷）係由熔絲閂 鎖器所評估。熔絲閂鎖器會變換成（flip into)高電位或低 電位狀態，端視M0S電晶體反熔絲之閘極氧化層的電阻 而足0 在Ή 1的组態中，由於絕緣材料之電阻是直接由已連 接感測電路所測量的，故而並未使用反熔絲之M0S電晶 體的放大功能。然而，如以上概述的，絕緣材料之R^n 可能挺高的，因而本方法不能一致性地準確指示熔絲 狀態。 現在參考圖2，該圖圖解說明：根據本發明之一模範 實施例的一種反熔絲評估電路之電路圖。將諸如M0S電 晶體的讀出開關202耦合到反熔絲200之汲極以及在節點 203處的熔絲閂鎖器204。熔絲閂鎖器204適合用來穩定反 熔絲200之一輸出值或狀態（己熔斷對未熔斷），並且在至 少一個實施例中，它包括一對交叉耦合反相器。將反熔絲 200之閘極220耦合到控制裝置210，該裝置適於經由閘極220 來控制反熔絲。將反熔絲200之源極240連接到電源電壓（例 如：接地端208)。當讀出開關202閉合（導通）時，反熔絲200 200301904 (6) 發明說明續頁: 之狀態是由熔絲閂鎖器204所確定。熔絲閂鎖器2〇4會變換 成高電位或低電位狀態，端視MOS電晶體反熔絲200之汲 極-源極連接的電導率（conductivity)而定。而且，將適合 利用電源電壓V c c來預充電熔絲閂鎖器2〇4以回應輸入訊 號（PRECHARGE(預充電））的開關206耦合到在節點2 0 5處 的熔絲閂鎖器204。預充電訊號會將vcc耦合到熔絲問鎖 器204，它被預充電到一已知（高電位）狀態。 溶絲閘極控制咨2 10被轉合到反溶絲2 〇 〇之閘極2 2 〇，並且 適合用來施加預充電電壓及/或電流到閘極22〇。該預充電 電壓會預置（preset)閘極而使閘極氧化層之狀態（受損對未 受指）卩过後犯夠由反’溶絲電晶體之沒極L源極電阻所確定。 在沒極230與源極240之間的低電阻會指示反这絲2⑻是未受 損（未熔斷）’而高電阻則會指示反熔絲2〇〇已經被溶斷。 現在參考圖3 A，該圖圖解說明：反熔絲評估電路之一替 換性貝施例，並且特別疋針對圖示於圖2中的溶絲閘極控 制器210。此處，熔絲閘極控制器21〇包括：諸如M〇s電晶 體之開關305，它會在初始預充電階段期間，將反熔絲2〇〇 之閘極2 2 0連接到電源電壓節點（v c c )，以便提供操作臨 限電壓。隨著閘極節點220被預充電，反熔絲電晶體2〇〇 會展現低沒極-源極電阻；然而，若在溶絲纟容斷操作期 間閘極氧化層受損，則在閘極22〇上的電荷將會遞減長 達一段時間，因而電晶體將會關斷，隨後展現高汲極_ 源極電阻。 現在參考圖3 B ’該圖圖解說明：用來顯示對應於圖 200301904 (7) 發明說明續頁

示於圖3 A中的反熔絲評估電路之時序關係的時序圖。 STATE(狀態）訊號指示反熔絲200之狀態，其中：低電位 訊號（即：低汲極-源極電阻）表示未熔斷熔絲，而高電 位訊號（即：高汲極-源極電阻）則表示已熔斷熔絲。接 在預充電階段之後，在閘極節點220上的訊號（GATE(閘 極訊號））會增加到近似等於V c c之位準，因而電晶體會 接通。若反熔絲200之閘極氧化層未受損，則閘極訊號 會停留在Vcc附近的電壓處，所以反熔絲電晶體200會繼 續保持導通，因而導致指示在讀出處呈現低汲極-源極 電阻或未熔斷熔絲（即：狀態訊號變成低電位）。若閘極 氧化層因熔絲熔斷操作而受損，則閘極訊號會遞減， 因此反熔絲電晶體200會關斷，終於導致指示在讀出處 呈現高汲極-源極電阻或已熔斷熔絲（即：狀態訊號繼續 保持高電位）。

現在參考圖4A，該圖圖解說明：反熔絲評估電路之 一替換性實施例，並且特別是針對圖示於圖2中的熔絲 閘極控制器2 1 0。此處，熔絲閘極控制器2 1 0是一種旁漏電 路（bleeder circuit) 405，它被耦合到反熔絲200之閘極，並且 配置用來提供非常小電流到閘極220。說得更明確些，旁 漏電路405適合用來提供一種小於流經已熔斷閘極氧化層 之典型漏電流卻高於流經未受損閘極氧化層之典型漏電流 (例如：在100 pA(微微安培）之數級）的電流。若閘極220未 受損（即：未熔斷熔絲），則閘極220會充電達到反熔絲電晶 體200之操作臨限竜壓，並且接通長達一段時間，對應於 -13 - 200301904 _ I發明說明續頁 旁漏電路施加電流，進而當電晶體200處在接通中時其汲 極-源極電阻會降低。在另一方面，若反熔絲200已經被熔 斷，則由於施加電流小於漏電流，故而不能藉由施加電流 來充電閘極220 ;於是，電晶體反熔絲200不會接通，終於 導致高汲極-源極電阻。

MOS電晶體410圖解說明旁漏電路405之一特定建構 例。關於MOS電晶體410，電流係由MOS電晶體410之次 臨限沒極-源極電流所致。這種次臨限電流（subthreshold current)挺適合的，是因為：它既明顯地高於流經未授損 閘極氧化層之典型漏電流又明顯地低於流經已熔斷閘 極氧化層之典型漏電流。而且，如圖4 A中所顯示的， 可能將M0S電晶體410之閘極連接到一輸入訊號 (CURRENT C〇NTR0L(電流控制訊號）），而不是將它連接 到一恒定電源電壓。然後能夠使用該輸入訊號來控制 次臨限漏電流。此方法能夠將施加到閘極220之電流調 整得比較高或低些，以便有效地移動針對一項已熔斷 對未溶斷旨示的跳脫點（trip point)。較低調整過施加閘 極電流會造成針對較高閘極氧化層電阻之已熔斷狀態 指示。因此，輸入訊號提供一種用來設定會將已熔斷 反熔絲和未熔斷反熔絲分開之電阻值的方法。若一個 以上的反熔絲電路存在於一個半導體晶片上，則輸入 訊號有益地容許同時調整所有反熔絲電路的跳脫點而 沒有改變該電路本身之建構例。 圖4 B圖解說明：用來顯示對應於圖示於圖4 A中的反 -14- 200301904 _ (Q\ I發明說明續頁

熔絲評估電路之時序關係的時序圖。狀態訊號指示反 熔絲200之狀態，其中：低電位訊號（即：低汲極-源極 電阻）表7Γ未溶斷溶絲’而南電位訊號（即·南沒極-源 極電阻）則表示已熔斷熔絲。就未熔斷熔絲而言，具備 小的旁漏電路電流，閘極訊號會逐漸增加達到操作臨 限電壓，並且當電晶體接通時，電晶體反熔絲200的汲 極-源極電阻會降低，因而導致在讀出處呈現低狀態訊 號。若反熔絲200已經被熔斷，則在節點220上的閘極訊 號會因旁漏電路電流低於漏電流而繼續保持低電位； 於是，電晶體反熔絲200不會接通，終於導致在讀出期 間呈現高狀態訊號。 1

此外，也能夠藉由READ(讀取）訊號之時序（如圖3 B中 所顯示的）來調整：界定已熔斷熔絲與未熔斷熔絲之間 的分開之跳脫點。當稍後再施加讀取脈波（READ pulse) 時，已熔斷熔絲具有更多時間來放電閘極節點220。因 此，由於閘極220已經被放電以及反熔絲電晶體200是斷開 的，故而即使橫跨反熔絲200之閘極氧化層的相對高電阻 也會被指示為已溶斷反溶絲。然而，若提早施加讀取脈波， 則已熔斷熔絲具有較少時間來放電閘極220，因而轉換成 相對低跳脫點電阻。因此，能夠藉由修改讀取脈波之時序 來調整反熔絲電路之跳脫點。與稍早描述的輸入訊號 CURRENT CONTROL(電流控制訊號）相類似，這種行為 (behavior)是有益的，因為它容許調整反熔絲電路的跳脫點 而沒有改變其建構倒。 -15- 200301904 發明說明績頁 (ίο) 現在參考圖5，該圖圖解說明：根據本發明之一模範實 施例的一種替換性反熔絲評估電路之電路圖。照慣例，應 用反熔絲意謂著已熔斷熔絲是由低熔絲電阻所檢測。然 而，這種行為使它很難將反熔絲和正規熔絲（例如：雷射 熔絲，熔絲鏈接，或者使用在此技藝中的類似熔絲）相結 合，因為這些熔絲展現相反行為（即：己熔斷熔絲是由它的 高電阻所檢測）。根據本發明之一實施例，反熔絲之邏輯 是顛倒的。如本文中描述的，己熔斷熔絲是由高汲極-源 極電阻所表示，它意謂著：目前的反熔絲邏輯之行為表現 與正規熔絲完全相同（已熔斷=高電阻）。具備這種完全相 同的檢測邏輯，就能夠達成有利共享針對不同熔絲類型的 評估電路資產。如圖5中所顯示的，除了反熔絲200之外， 還將一正規熔絲（regular*-fuse)505以串聯方式連接到閘極氧 化層反熔絲200之源極240。此處，當反熔絲200和正規熔絲 5 05其中至少一個展現高電阻時，評估電路就會指示已熔 斷熔絲。

雖然已經將本發明的裝置，系統以及方法之一較佳實施 例圖解說明於諸多附圖中，並且加以描述於前面的詳細描 述中，但是要瞭解的是：本發明並不是受限於諸多已披露 實施例，而是在不背離由下列申請專利範圍所宣示和界定 的本發明之精神的前提下，能夠做出許多重新配置 (rearrangements)修改，以及替換。 圖式代表符號說明 200 (閘極氧化層）反熔絲 -16- 200301904 (ii) 202 讀出開關 203/205 節點 206/305 開關 204 熔絲閂鎖器 208 接地端 210 熔絲閘極控制器 220 閘極 230 汲極 240 源極 405 旁漏電路 410 MOS電晶體 505 正規熔絲 發明說明續頁

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Claims (1)

1. 200301904 拾、申請專利範圍 1. 一種用來評估由金氧半電晶體所提供之閘極氧化層反 絲的裝置，包括： 一輸出端，用來提供控制訊號到該金氧半電晶體之 極； 一輸入端，用來接收來自該金氧半電晶體的進一步 號（further signal)以回應該控制訊號，該進一步訊號會 TF存在於該金氧半電晶體的源極與沒極之間的電阻， 及 耦合到該輸入端之電路，該電路對指示著針對確定 反熔絲已熔斷之第一電阻的該進一步訊號作出回應， 且對指示著針對確定該反熔絲未熔斷之第二電阻的該 一步訊號作出回應，其中該第一電阻大於該第二電阻 2 .根據申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括電流源 其被耦合到該輸出端，並且可運作用來提供足以充 該金氧半電晶體達到操作臨限電壓之電流。 3 .根據申請專利範圍第2項之裝置，其中該進一步訊 對在一時段之後所施加的讀取訊號作出回應，該時 是接在施加該充電電流之後。 4.根據申請專利範圍第2項之裝置，其中該電流大於 受損金氧半電晶體之漏電流卻小於受損金氧半電晶 之漏電流。 5 .根據_請專利範圍第2項之裝置，其中該電流近似 氧半電晶體之次臨限汲極-源極電流。 熔 閘 訊 指 以 該 並 進 〇 j 電 號 段 未 體 金 200301904 _ 申請專利範圍續育 6. 根據申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括一開關， 其耦合該輸出端和電源電壓，並且可運作用來提供該 控制訊號作為金氧半電晶體之操作臨限電壓。 7. 根據申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括一開關， 其耦合該輸出端和電源電壓，並且可運作用來將充當 可變電流的控制訊號提供到該金氧半電晶體閘極。 8. —種反溶絲裝置，包括： 具有閘極，源極以及汲極的金氧半電晶體，其中該 金氧半電晶體提供一種閘極氧化層反熔絲； 耦合到該閘極的輸入端，用來接收來自反熔絲評估器 (evaluator)之針對該閘極的控制訊號；以及 1 耦合到該源極和該汲極其中之一的輸出端，用來提供 進一步訊號到該反熔絲評估器以回應該控制訊號，該進 一步訊號會指示存在於該源極與該汲極之間的電阻，其 中該進一步訊號會指示：若該反溶絲己溶斷則為第一電 阻，且若該反熔絲未熔斷則為第二電阻，且其中該第一 電阻大於該第二電阻。 9. 根據申請專利範圍第8項之裝置，其中該控制訊號是 足以充電該金氧半電晶體達到操作臨限電壓長達一段 時間的電流。 10. 根據申請專利範圍第9項之裝置，其中該電流大於未 受損金氧半電晶體之漏電流卻小於受損金氧半電晶體 之漏電流。 11. 根據申請專利範圍第9項之裝置，其中該電流近似金 200301904 申請專利範圍讀頁 氧半電晶體之次臨限汲極/源極電流。 12. 根據申請專利範圍第8項之裝置，其中該控制訊號是 金氧半電晶體之操作臨限電壓。 13. 根據申請專利範圍第8項之裝置，進一步包括與該汲 極和該源極串聯耦合的一種可程式規劃熔絲元件。 14. 根據申請專利範圍第8項之裝置，進一步包括讀取電 路，其被耦合到該輸出端，並且可運作在一時段之 後施加讀取訊號，該時段是接在接收該控制訊號之 後。 15. —種用來操作反熔絲的方法，包括： 使'用金氧半電晶體以提供一種閘極氧化層反熔絲； 施加控制訊號到該金氧半電晶體之閘極；以及 確定存在於該金氧半電晶體的源極與汲極之間的電阻 以回應施加該控制訊號，其中第一電阻指示該反溶絲已 熔斷，而第二電阻則指示該反熔絲未熔斷，且其中該第 一電阻大於該第二電阻。 16. 根據申請專利範圍第1 5項之方法，其中該控制訊號 是足以充電該金氧半電晶體達到操作臨限電壓的電流 〇 17. 根據申請專利範圍第1 6項之方法，其中該電流大於 未受損金氧半電晶體之漏電流卻小於受損金氧半電晶 體之漏電流。 18. 根據申請專利範圍第1 6項之方法，其中該電流近似 金氧半電晶體之次臨限汲極-源極電流。 200301904 申請專利範圍續:頁 19. 根據申請專利範圍第1 5項之方法，其中該控制訊號 是MOS電晶體之操作臨限電壓。 20. 根據申請專利範圍第1 5項之方法，其中該確定步驟 包括惟若與該汲極和該源極串聯耦合的可程式規劃 熔絲元件未熔斷，才會確定該電阻。