一种针对MTM反熔丝FPGA芯片的编程方法技术

本发明专利技术提出了一种针对MTM反熔丝FPGA芯片的编程方法，包括输入特定位流定位选定编程的反熔丝单元；编程前先对反熔丝单元进行预充电避免误编程其他反熔丝单元；编程完成后测量反熔丝单元的电阻值，判断是否形成导电通道；特定的阻值阶梯判断机制判定编程成功与否。本发明专利技术能够解决MTM反熔丝FPGA芯片编程速度较慢的问题，提升对于MTM反熔丝FPGA芯片的编程效率，并且避免了误编程，能够提高编程后反熔丝FPGA电路的可靠性。电路的可靠性。电路的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种针对MTM反熔丝FPGA芯片的编程方法


[0001]本专利技术涉及一种针对MTM(金属
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介质
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金属)反熔丝FPGA芯片的编程方法，属于反熔丝可编程逻辑器件


技术介绍

[0002]反熔丝是一种非常重要的可编程互联单元。反熔丝在编程之前是处于关断状态的，编程后反熔丝由关断状态转变为导通状态，形成低电阻连接。基于反熔丝的半导体器件具有非易失性、抗辐射性、高可靠性、保密性、百分百可测性等优越的性能，且体积小、速度快、功耗低。
[0003]MTM型反熔丝结构的顶层和底层都为金属，中间采用α
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Si(非晶硅)作为绝缘介质层，TiW或TiN作为阻挡层，由于阻挡层的高能带隙特性，可有效防止铝钉效应，有效抑制漏电流，提高编程击穿电压，使电阻特性更好。MTM反熔丝已被广泛地应用于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和可编程存储器(Programmable Read
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OnlyMemory,PROM)中。
[0004]国际上针对反熔丝的研究已有30多年的历史，有关反熔丝的专利、技术、成果等主要由美国掌握。由于MTM反熔丝的重要作用，国内也逐渐开展了对于MTM反熔丝器件制造、测试技术、编程平台设计等关键技术的研究。本专利技术给出了一种适用于MTM反熔丝FPGA 芯片的编程方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题在于：目前对反熔丝FPGA芯片的编程方法速度较慢，编程效率不够高效，本专利技术提供一种编程更高效，成功率更高的编程方法。
[0006]反熔丝在未编程时为类似电容的断路状态，编程后反熔丝电阻非常小，类似于通路状态。反熔丝状态的改变是不可逆的，并且改变后的编程状态可以永久的保存。反熔丝器件的编程本质上就是对器件中选定的反熔丝单元进行烧录，用反熔丝未编程和编程后的两种状态分别代表0和1。
[0007]本专利技术针对的MTM反熔丝FPGA芯片中用于进行测试及编程的结构包括控制电路和移位寄存器链。其中，控制电路包含计数器电路和模式寄存器电路，计数器电路用于控制移位寄存器的移位操作，模式寄存器用于控制芯片内与测试相关的电路工作状态。移位寄存器链由509个特殊的寄存器首尾相连组成，这些寄存器采用水平和垂直排列，组成定位坐标系，可以精确定位芯片内部的反熔丝单元。寄存器链中的寄存器不仅能将信号输入到芯片内部的逻辑模块，还能从芯片内部回读信息用于测试。图1为芯片内寄存器链的示意图。
[0008]本专利技术采用的技术方案为：编程器与FPGA芯片连接后，首先向芯片发送特定的编程位流，用于定位选定编程的反熔丝单元；位流发送完毕后，对所有反熔丝单元进行预充电；之后再向芯片发送编程高压，使得选定编程的反熔丝单元两端加上足以烧通的电压，而未被选定的反熔丝单元两端则达不到烧通反熔丝的电压，一定的烧录时长后，将电压复位
并检测烧录成功与否。
[0009]编程是否成功是通过检测反熔丝单元电阻来实现的。编程之后，若反熔丝单元电阻小于某设定阈值，则表明通过烧录形成了导电通道，使得电阻大幅降低。另外，由于半导体器件具有一定的随机性，为确保准确，应当多次检测成功后方判定为编程成功。因此对于某设定的电阻阈值，应设定对应的次数阈值，达到设定的次数则可认为形成了稳定的反熔丝状态，编程成功。
[0010]本专利技术具有以下优点：(1)在编程之前首先进行预充电，，并给予选定编程的反熔丝一定的驰豫时间，提高编程后反熔丝可靠性和稳定性，也能防止编程时过热烧断导电通路；(3)对于编程未成功的反熔丝单元，增加强化的编程阶段，有效提升编程成功率；(4)本专利技术的编程方法能有效地避免反熔丝单元被误编程，并且通过优化编程算法，以及基于大量的测试数据进行了修正改进，有效地提升了编程效率，提高编程后反熔丝FPGA 电路的可靠性。
附图说明
[0011]图1是本专利技术针对的MTM反熔丝FPGA芯片内部的移位寄存器链的示意图。
[0012]图2是本专利技术提供的针对MTM反熔丝FPGA芯片的编程方法的具体流程。
[0013]图3是针对MTM反熔丝FPGA芯片的编程器在进行编程时的产生的编程电压时序图；
[0014]图4是在检测反熔丝编程后电阻值时，设计的多组电阻阈值和对应的次数阈值的阶梯判断机制示意图。
具体实施方式
[0015]以下结合附图和具体实施例对本专利技术提出的一种MTM反熔丝FPGA芯片的编程方法作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚，但并不因此而限制本专利技术的保护范围。
[0016]本专利技术的编程方法具体流程如图2所示，首先，在芯片插上之前先进行烧录器自检，读出VPP、VKS、VSV的初始电压值来判断烧录器状态正常与否，确认正常后插入芯片，再进行一次自检。接着读取芯片ID，器件识别正确后，对FPGA电路进行查空测试，检查将要编程的FPGA芯片是否为空白未被编程过的。查空完成后开始向芯片发送编程位流。编程位流是FPGA芯片生产厂商给出的，是一组数据序列，用于定位被选定编程的反熔丝单元。
[0017]编程位流输入完后，加载编程高压进行编程，将通过SDI端口向芯片输入三个脉冲。首先在一个SDI脉冲处，将VSV拉升至12V，用于打开芯片内部的开关管，VPP与VKS都拉升至5.5V，对所有的反熔丝单元进行预充电；在第二个SDI脉冲处，将VPP由5.5V拉至 11V。被选定的反熔丝单元两端分别加上电压VPP和GND，未被选定的反熔丝单元两端电压则只有VPP的一半，不会被误编程；在第三个SDI脉冲处，VPP降为5.5V，此时反熔丝单元两端电压为5.5V，可以测量编程后反熔丝单元的电阻，据此判断是否编程成功。具体的电压时序如图3。
[0018]若检测到电阻未达到设定的阈值，将继续进行编程。施加强化编程脉冲，VPP将再提高0.5V
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1V，并加长编程脉冲宽度，完成后再次测量反熔丝单元的电阻。
[0019]由于MTM反熔丝单元的低阻状态原理是通过导电介质形成导电通路，单次的测量
具有一定随机性。为了确保编程的可靠性，应进行多次测量。本专利技术的编程方法设计了多组电阻阈值和对应的次数阈值的阶梯判断机制，如图4所示。在检测编程后的电阻值时，对于达到某一级阶梯的电阻阈值的反熔丝单元，测试达标次数达到相对应的次数阈值时方可判定编程成功。
[0020]具体实施例由以下几步阐述：
[0021]首先，进行编程前的准备工作。硬件连接和软件配置均完成后，进行烧录器自检，在上位机软件上读出VPP为5V，VKS为0V，VSV为5V，烧录器状态正常。插上反熔丝FPGA 芯片，再进行一次烧录器自检。然后读取芯片ID，通过上位机软件向烧录器输入读取ID相应的位流，并从SDI端口串行输入到芯片中，芯片回读的信息从SDO端口读出，传输到上位机软件上，解析出芯片ID为2F4C000，器件识别正确。接着进行芯片的查空测试，与读取芯片ID本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对MTM反熔丝FPGA芯片的编程方法，包括：编程器通过输入位流回读信息来验证芯片ID，进行查空测试；通过特定的编程位流定位芯片内部的反熔丝单元；通过上位机控制向芯片发送编程位流及编程电压；编程结束后测量反熔丝单元电阻值，通过设计的阶梯判断机制判定编程成功与否。2.如权利要求1所述的针对MTM反熔丝FPGA芯片的编程方法，其特征在于：通过SDI端口向芯片输入用于定位反熔丝单元的编程位流；通过SDI端口施加脉冲来控制向芯片施加编程电压，在通过SDI的三个脉冲阶段，分别进行对芯片预充电、施加编程高压、回退至预充电电压的操作。3.如权利要求1所述的针对MTM反熔丝FPGA芯片的编程方法，其特征在于：施加编程电压之前，首先进行预充电，避免误编程。预充电使得未被选定的反熔丝单元两侧都加上保护电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李炳男，谢小东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：