[发明专利]适用于FPGA的栅氧击穿反熔丝配置单元结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于FPGA的栅氧击穿反熔丝配置单元结构，属于CMOS集成电路设计技术领域。

背景技术

栅氧击穿方式反熔丝不同于传统的反熔丝结构。传统的反熔丝结构主要有MTM反熔丝（Metal to Metal）和ONO反熔丝（Oxide-Nitride-Oxide）两种，这两种反熔丝结构需要特殊工艺，无法采用现有的商用普通CMOS工艺实现。

栅氧击穿方式反熔丝的最大的优点是利用普通CMOS工艺线就可实现，不需要特殊的工艺层次和步骤，其反熔丝电介质就是栅氧隔离层。在一般情况下，栅氧隔离层可表现出TΩ级的阻抗，可有效地隔离栅和栅级以下有源区。当在栅和有源区两端施加一个合适的编程电压和电流后，电介质会形成一个连接电极的传导通道（＜1kΩ），将两电极导通，利用反熔丝的导通与否来实现信息存储。栅氧击穿方式反熔丝作为一种新型的存储结构，与传统CMOS结构存储器相比，它可以提供一种高电路密度、低功耗，非易失性编程和高可靠性、高寿命的组合，因而广泛用于可编程存储器（PROM）中。

栅氧击穿方式反熔丝单元可靠性已在大规模可编程存储器中得到验证，但尚未应用于可编程逻辑阵列（如FPGA）中。由于栅氧击穿方式反熔丝编程电压等特性与传统反熔丝有所区别，必须基于该反熔丝编程特性设置合适的编程结构以满足应用需求。

发明内容

本发明的目的是将栅氧击穿反熔丝结构技术应用于可编程逻辑阵列中，提出了一种适用于FPGA电路的栅氧击穿反熔丝配置单元结构。

为实现上述目的，本发明所述的适用于FPGA的栅氧击穿反熔丝配置单元结构，包括一个基于栅氧击穿反熔丝存储单元、一个编程选择控制管、一个保护内部逻辑与编程高压隔离的编程隔离管，和一个控制FPGA布线通道的开关管；所述基于栅氧击穿反熔丝存储单元栅极连接编程选择控制管漏极和编程隔离管源极，基于栅氧击穿反熔丝存储单元的有源区接地；编程选择控制管栅极由外部配置信号控制，编程选择控制管源极与衬底接电源电压；编程隔离管栅极由外部控制信号控制开启与否，编程隔离管衬底接电源，编程隔离管漏极连接控制FPGA布线通道的开关管栅极，控制FPGA布线通道的开关管源极与漏极连接在外部信号通道中，控制FPGA布线通道的开关管衬底接地。

所述电源电压分为配置单元正常工作电压VDD和反熔丝存储单元编程电压VPP，且VPP>VDD。

本发明由所述外部配置信号的配置码点对单元进行配置，并输出配置存储信息。

具体为，编程选择控制管由FPGA配置软件产生的码流控制开启与否，当配置码点的数据为“1”时，编程选择控制管关闭，基于栅氧击穿反熔丝存储单元未被编程；当配置码点数据为“0”时，编程选择控制管打开，此时基于栅氧击穿反熔丝存储单元一端为电压VPP，另一端接地，当维持一段有效编程时间后，所述基于栅氧击穿反熔丝存储单元被编程，实现低阻连接。

在工作阶段，已编程的基于栅氧击穿反熔丝存储单元通过低阻连接使所述控制FPGA布线通道的开关管栅极连接至地，维持所述控制FPGA布线通道的开关管关闭；未编程的基于栅氧击穿反熔丝存储单元由于编程选择控制管的亚阈值漏电特性，使基于栅氧击穿反熔丝存储单元栅端充电至电压VDD，保持所述控制FPGA布线通道的开关管开启。

所述编程选择控制管和编程隔离管均为高压PMOS管，所述控制FPGA布线通道的开关管为NMOS管。

本发明的优点是：采用四管栅氧击穿反熔丝配置单元结构，可以在普通的CMOS工艺线上实现FPGA的反熔丝配置单元功能，具有电路密度高、低功耗、非易失性编程和高可靠性、高寿命的特点。

附图说明

图1为本发明栅氧击穿反熔丝配置单元结构的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明对栅氧击穿反熔丝配置单元结构设计方案考虑如下。

1.针对大规模FPGA集成度要求，尽量减少配置单元结构晶体管数目。

2.随着FPGA门数的增加，电路功耗问题成为电路规模增大的制约要点，本发明一方面利用MOS管亚阈值漏电特性对FPGA布线通道管进行开启控制，另一方面，利用已编程的反熔丝的低阻特性使FPGA布线通道管栅极短接至GND，使整体功耗大大降低。

3.本发明的观念较基于SRAM配置单元的FPGA结构有很大改进，基于SRAM配置单元的FPGA结构由双稳态锁存器控制，且至少为六管结构，内部存在电流通路，不可避免的导致电路功耗的增加。