反熔丝的研究与应用

综述了ONO(氧化物-氮化物-氧化物)反熔丝、非晶硅(a-Si)反熔丝和栅氧化层反熔丝的制作工艺、性能参数及其优缺点,介绍了反熔丝器件包括反熔丝可编程只读存储器(PROM)和反熔丝现场可编程门阵列(FPGA)在器件应用、存储容量、可用门数、工作电压和抗辐射性能等方面的研究进展,指出了反熔丝以及反熔丝器件的4个主要发展趋势,即工艺兼容、高密度、有机/柔性和新材料。

一种适用于反熔丝FPGA的高效电荷泵电路

基于Dickson电荷泵结构,提出了一种适用于反熔丝现场可编程门阵列(FPGA)的新型高效电荷泵电路,实现了电荷泵的快速启动。通过采用时钟信号升压电路,减少了电荷泵级数,并减小了电路总体面积和功耗。仿真结果显示,在2.5 V的工作电压和整体电路全负载的条件下,整体电路的启动时间约为20μs,可稳定输出电压5.46 V,工作电流约为618μA。采用0.18μm CMOS工艺流片并对其进行编程和测试,结果显示FPGA电路编程成功,功能正确,与仿真结果一致,表明了此电荷泵结构的可行性和实用性。

一种适用于反熔丝FPGA的电荷泵电路

提出了一种适用于反熔丝FPGA的快速启动低功耗的片上电荷泵电路.该电路基于Dickson电荷泵结构,通过高频时钟信号来启动电荷泵,提高启动速度;电荷泵输出稳定后,通过低频时钟信号来维持电荷泵输出,降低电路功耗.通过增加零伏电路实现了高电压与低电压之间的隔离,解决了反熔丝FPGA对电荷泵不同工作模式下的输出需求.Spectre结果显示,在2.5 V的工作电压下、整体电路全负载的条件下,启动时间13.5μs,稳定输出电压5.43 V,启动电流1.06mA,工作电流184μA.启动时间比参考文献快了36.5μs,相当于3.7倍,功耗仅仅增加了35%.用0.18μm CMOS工艺流片,电路编程成功并且功能正确,结果表明了此结构的可行性和实用性.

反熔丝FPGA可配置I/O端口可测性设计研究

反熔丝FPGA在生产阶段不能通过编程后测试对电路进行筛选,必须通过编程前测试来解决生产测试问题。在研究反熔丝FPGA多标准可配置I/O端口电路结构的基础上,提出了一种用于可配置I/O端口的可测性设计(DFT)方案,在可配置I/O端口中插入软配置电路和边界扫描链,实现对可配置端口的临时配置和扫描测试,覆盖所有支持的电平标准及各种可配置I/O功能。仿真及测试结果表明,该DFT能够满足反熔丝FPGA多标准可配置I/O端口的测试需求,能够解决可配置I/O在生产中的测试问题。

一种应用于反熔丝FPGA的电荷泵电路

电荷泵(Charge Pump)电路以其可成倍输出自身输入电压的特性而被广泛应用于各种芯片的驱动电路中。在反熔丝FPGA中,反熔丝为高压一次编程器件,在编程过程中需要通过高压隔离管将反熔丝与其它器件隔离开,而高压隔离管在工作时需要大于芯片电源VCCA的电压来驱动,如何提供高压保证隔离管能够无损传输数据是反熔丝FPGA研发时必须要考虑的问题。本文提出了一种应用于反熔丝FPGA的电荷泵电路,电路具有快速启动的特点,同时电路工作频率可调,通过在电路中增加冗余NMOS结构,提高了电路在工作中的安全性,该电路在工作时能保证熔丝编程过程中除了反熔丝以外的其他器件不受编程电压的影响,且在编程结束后通过电荷泵输出电压打开隔离管完成信号的无损传输,能够满足反熔丝FPGA对于电荷泵的需求。

基于CMOS工艺平台反熔丝FPGA实现

由于反熔丝FPGA具有低功耗、高密度、可靠性高、抗辐射能力强以及设计上具有灵活性等优势，在军事和卫星领域得到广泛的应用。但由于工艺的限制，目前国内未见相关研究的报道。根据目前现状，利用现有的工艺，开发出一种可以与普通CMOS．Y--艺兼容的反熔丝单元。经过测试，其熔断后的电阻约为330Ω～400Ω，同时给出了基于此种反熔丝单元的阵列设计，体现了低功耗、高密度、易实现等优势。此设计不但满足了目前的工作需要，并为以后反熔丝电路的设计提供了有用的参考，为航天和军事领域的应用提供了有力的支持和保障。

用于可编程器件的MTM反熔丝特性研究

基于ONO(Oxide-Nitride-Oxide)和MTM(Metal-to-Metal)反熔丝技术的可编程存储及逻辑器件已经广泛应用于空间技术中。MTM反熔丝以其单元面积小、集成度高、反熔丝电容小和编程后电阻小等优势,更加适合深亚微米集成电路。文章通过制备MTM反熔丝单元,对单元的击穿特性和漏电性能展开研究,给出了反熔丝单元漏电流与单元尺寸的关系,对单元的编程电流和编程后的电阻值关系进行了研究,与文献[1]给出的R on=V f/I p的关系基本一致。

反熔丝FPGA延时电路γ瞬时辐射效应

简要叙述了反熔丝FPGA的基本结构,介绍了一种FPGA延时电路的工作原理以及利用该电路在“强光一号”脉冲加速器上进行γ瞬时辐照试验的方法,给出了试验测量结果。分析表明:高剂量率γ瞬时电离辐射会破坏FPGA延时电路一个信号周期的工作状态,因此存在功能失效的可能性。但就整体而论,反熔丝FPGA抗瞬时辐射的性能要优于其它许多大规模CMOS集成电路。

MTM反熔丝FPGA总剂量及加固技术

以ONO和MTM反熔丝具有代表性的FPGA总剂量效应比较。实验得到ONO反熔丝0.6μm工艺A1280XL无偏置时FPGA失效阈最大为33.2Gy,而MTM(Metal-To-Metal)反熔丝0.6和0.25μm工艺RT54SX的总剂量效应,器件表现出好于1000 Gy的总剂量能力。从而比较得出MTM反熔丝工艺结构芯片具有很好的抗总剂量能力。

ONO反熔丝的研究

反熔丝器件广泛地应用在FPGA、DRAM、PROM、EPROM芯片中.介绍了多晶硅/ONO(氧化层-氮化物-氧化层)/多晶硅结构的反熔丝.描述了半导体技术制造反熔丝的工艺流程和工艺条件.未编程的反熔丝表现为电容特性,电阻即off-state电阻较大;经高电压编程的反熔丝即on-state电阻阻值较低.高压编程过的反熔丝的上下导电层短路(阻值在几十欧姆范围内),形成电流通路.研究中采用生长氧化层-氮化-生长氧化层的方法形成ONO结构.试验数据表明:ONO结构反熔丝介质漏电低于1×10-14A,稳定性高,在较大温度范围内on-state电阻变化小.反熔丝编程电压在15 V以下.

基于反熔丝的FPGA的测试方法

首先介绍了基于反熔丝的FPGA的典型结构,接着介绍了基于反熔丝的FPGA的可编程逻辑模块(PLM)、布局布线以及可编程互连资源,然后讨论了基于反熔丝的FPGA的测试模式,最后提出了一种ATE和实装板相结合的测试方法,实验结果表明,该测试方法在芯片未编程状态下,实现了对基于反熔丝的FPGA的测试.

反熔丝FPGA在多路数据采集存储系统中的应用

针对在空间环境半导体易发生单粒子翻转效应,分析了反熔丝FPGA在空间环境的优势,采用Actel公司的反熔丝FPGA作为多路数据采集存储系统的主控芯片,着重阐述了反熔丝FPGA在与传统FPGA在时序电路设计和时钟控制方面的不同,介绍了存储单元的电路组成及其启动、擦除接口设计,并介绍了高速数据传输接口的改进设计。

反熔丝FPGA电路瞬时电离辐射效应及加固设计

针对反熔丝FPGA电路,在"强光一号"加速器上进行了瞬时电离辐射试验,发现γ射线瞬时电离辐射会导致FPGA内部寄存器清零,使FPGA运行状态被初始化。为了解决该问题,设计了一种"FPGA+FRAM(铁电存储器)+特殊时序读写软件"的加固电路,通过γ射线瞬时电离辐射试验证明:该加固电路实现了瞬时电离辐射状态下FPGA内部重要数据的实时保存与恢复,成功规避了FPGA电路的瞬时电离辐射效应。

MTM非晶硅反熔丝导通电阻

分析了现场可编程门阵列(FPGA)和可编程存储器(PROM)中广泛使用的MTM(metal-to-metal)反熔丝结构,测量了决定FPGA和PROM传输延迟的反熔丝编程后导通电阻,给出了编程电流对导通电阻的决定规律.结合MTM非晶硅反熔丝的特征电压模型,确定了TiN/α-Si/TiN结构反熔丝的特征电压值.对大量样品的实际测量结果,并且对实验数据进行拟合,实验结果表明,实验特征电压值接近模型理论值,可通过控制编程电流对编程后电阻的进行调控.

ONO反熔丝器件制备工艺及其特性研究

基于1．0μmONO（SiO2-Si3N4-SiO2）反熔丝CMOS工艺，主要研究了反熔丝孔腐蚀掩蔽层对ONO反熔丝器件特性的影响。研究发现，采用非掺杂多晶硅作为反熔丝孔腐蚀的掩蔽层、低压氧化方式生长隧道氧化层、LPCVD制备富N的Si3N4层、高温热氧化方式生长顶层氧化层等工艺制备ONO反熔丝单元，其熔丝具有良好的开关态特性：半编程电压条件下漏电低（约1．0×10^-2A）、击穿电压离散性小（均匀性小于5％）、编程电阻低（编程电流大于2mA时，其熔丝编程电阻小于300Ω）等，同时，在常温25℃、工作电压5V条件下，该结构0．6～1．5μm孔径的反熔丝单元寿命均达10年以上。

ONO反熔丝结构的电离辐照性能研究

描述了ONO反熔丝的物理结构,采用ONO薄膜传导模型分析了ONO反熔丝结构在受到电离辐照时,其内部电子-空穴的运动规律。分别对ONO反熔丝FPGA A1460A和A40MX04进行了电离辐照实验,测试了电流与辐照剂量的关系以及FPGA功能失效阈值。理论分析和实验数据说明了该结构比单层SiO2具有更好的抗电离辐照性能。

用于反熔丝FPGA的内建测试电路

由于反熔丝器件的一次可编程特性,反熔丝现场可编程门阵列(FPGA)在生产阶段很难完成对电路的功能测试验证。针对反熔丝FPGA典型的结构及其内部可编程逻辑模块(PLM)结构,分析了在编程前对PLM进行全功能测试的方法。设计了内建测试电路结构,用于内部PLM逻辑功能的测试。给出了内建测试电路的寻址寄存器、赋值寄存器以及检测电路的结构设计,电路在1.0μm双层多晶双层金属(2P2M)氧化层-氮化物-氧化层(ONO)反熔丝工艺上成功流片。测试结果表明,电路设计正确,解决了在芯片编程前完成基于反熔丝的一次可编程FPGA的内部PLM逻辑功能测试的难题,为后期研究反熔丝电路奠定了基础。

反熔丝FPGA的电离总剂量效应与加固技术

简要叙述了商用 FPGA用于空间领域时面临的抗电离总剂量加固问题 ,对 Actel公司反熔丝 FPGA的电离总剂量效应进行了较为详细的分析 ,包括制造工艺、偏置条件、电泵对总剂量效应的影响。并特别指出 ,电泵的退化可能会对系统造成较为严重的后果 ,因此 ,必须重视加电后的瞬态变化。提出了可以采取的加固措施。

一种反熔丝FPGA应用设计故障

由于反熔丝FPGA架构和实现原理的特殊性,反熔丝FPGA应用设计在物理实现时,存在一种易于发生、故障现象不稳定且具有一定隐蔽性的时序逻辑故障.通过对故障现象、诱因、原理的深入剖析,发现该应用设计故障与反熔丝FPGA的散出能力限制(Fanout limit)关联,并有针对性地提出了根除故障因素的解决方案.通过实测验证表明,本解决方案能有效消除该类应用设计故障.

MTM反熔丝单元编程特性研究

主要研究了编程参数对MTM反熔丝单元编程特性的影响,包括编程电压、编程电流、编程次数等。结果表明在满足最低编程电压条件下,编程电压的增大对反熔丝编程电阻无显著影响。编程电流对编程电阻的影响较大,编程电流越大,反熔丝编程电阻越小。编程次数的增多可减小编程电阻,但离散性增大。