熔丝单元及其编程方法

xiaoxiao2020-8-1  1

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专利名称:熔丝单元及其编程方法
技术领域
本发明通常涉及在集成电路(IC)里的可编程无源器件,特别涉及熔丝。
背景技术
在许多精密模拟电路的应用里,如变换器或精密电压基准(precision voltage reference),电路器件如电阻的绝对值容限(absolute-value tolerance) 是很重要的。但是,由于在制造过程步骤里不可预测的变化,很难保证半 导体或薄膜电阻器相关的绝对值容服。在其制作之后,必须采用额外的步 骤来调整晶片上(on-chip)电阻网,以满足一个给定的绝对值容限。 一个 普遍的调整方法是使用熔丝连接(fosiblelink)。
熔丝可以简单地是连接在两个焊点(bond pad)之间的一小段最小宽 度的金属或多晶硅(polysilicon)。通过在焊点之间传递一个大电流,它可 以被编程或被烧断(blown),使熔丝材料蒸发。在编程之后,熔丝成为一 个断路(open circuit)。
一些组合的熔丝可以提供额外的微调解析度(trimming resolution)。 在一个典型的电阻器电压微调里,电阻器被串联在一起进行二进制加权 (binary-weighted)调整。它们最初短路连接所有的接点(tap),但它们可 以通过烧断被选择性地断路。
一个典型的电压微调(trimming)应用是低压差稳压器(LDOR)的 输出电压调整。输出精度是LDOR的一个严格要求,而输出电压Vout通 常与基准电压Vref成正比。因此,必须最小化Vref上的误差以保持Vout 的精度。Vref通常是一个带隙(band-gap)基准电压,且可以通过电阻器 微调获得更好的Vout精度。
图1显示一个微调电路100,其应用传统的熔丝结构来进行带隙基准程产生的设备参数变化。Vref通过以 下等式控制-
随+
ln(iV)x Fif
其中,Vebl是pnp 109的基极发射极电压(base emitter voltage); Vt是热电压,其等于kT/q; k=波尔兹曼常数(Boltzmann,s constant); T=绝对温度;和 q=电荷(electronic charge); 所以, 一个可以在晶片上变化以改变Vref值的参数是电阻Rl。
当在晶圆片级(wafer level)上测量的Vref不同于期望值时,通过施 加电压穿过它们并有选择性地烧断熔丝,从而调整总电阻以调整Vref精 度。
在图1里,最初所有的熔丝都是导电的,且电阻网络的总电阻接近Rl。
假设电阻网络需要微调到另外一个电阻RMSB,与电阻器RMSB并联的熔丝
102必须被烧断。通过施加一个高压源101在熔丝102两端的焊点,从而 流经熔丝102的高电流能够烧断熔丝。
现有结构和方法的主要缺点是由于晶片上有源设备(on-chip active device)的压力导致产量损失(yield loss)。由于过程步骤的变化,制作的 熔丝的电阻可能刚好比期望的更高,而传统方法也许不能提供足够的电力 以烧断熔丝。甚至要使用更高的电压来确保烧断熔丝。但是,与熔丝连接 的晶片上电路也遭受这种格外高的电压,其可能导致电路损坏,特别是有 源设备。
在前述例子里,施加穿过熔丝102的高电压经过电阻器103传到节点 104,导致连接到节点104的所有设备上的过电压(over-voltage)压力, 包括电阻器105和比较器106。另外,如果电阻不足够大,高电压还通过 电阻器107传到节点108。相应地,连接到节点108的设备109、 110也可
能对高电压是脆弱而易损坏的。电压可能没有足够高到能够烧断熔丝,或者电压太高以至于损坏晶片上器件,这两种情况最终导致在大规模生产上 的可观的产量损失。
因此,需要一种改进的熔丝单元和编程方法,其能够通过编程电压避 免熔丝保持完好无损和电路损坏。

发明内容
本发明的主要目的是克服已知现有熔丝结构和微调方法的不足,并提
供改进的熔丝结构及其编程方法,其能够减少由于熔丝完好无损和IC内其 它晶片上器件过电压压力所产生的IC产量损耗。
本发明涉及半导体集成电路熔丝结构和一个有关改善生产产量损失的 微调方法。以前在编程熔丝微调电路时,直接施加一个高编程电压经过熔
丝焊盘以烧断熔丝结构。编程电压可以从3V变化到高达20V的范围,取 决于熔丝材料和要求烧断熔丝的电流。但是,连接到这种烙丝焊盘的晶片 上器件也要遭受这种高编程电压。结果, 一些晶片上器件,特别是有源器 件如电阻器、比较、器或运算放大器,被过电压压力损坏。过电压压力问题 的现有解决方案是使用尽可能低的编程电压烧断熔丝。可惜,它会产生另 一个问题,即一些熔丝结构仍然保持完好无损,结果集成电路不能被正确 地调整。这是由于制造过程变化或设备故障,其导致这些熔丝结构的电阻 格外高。 一个临界编程电压经常不足够高到能够烧断这些熔丝结构。结果, 错误地微调的集成电路导致大规模生产的产量损失,从而提高了生产成本。
为了解决过电压压力问题和诸如制作熔丝的电阻可能比预期高以及传 统方法可能不能提供足够电力来烧断熔丝的情况,本发明旨在通过一个新 颖构造和有关应用方法来解决这些和其它问题,以避免发生先前已知的传 统方法有关的大规H生产的产量损失。
本发明的熔丝单元结构采用一个多熔丝结构构造而不是一个单熔丝结 构。这样,在施加编程电压到熔丝焊盘过程中,这些与其它晶片上器件连 接的熔丝结构终端总是在接地电势(groundpotential)、或一个低于编程电 压的电势上,使得编程电压不会损坏晶片上器件。这种方法克服了先前单熔丝问题,因为这样的事实施加一个足够高的编程电压来烧断格外高电 阻的熔丝结构,而不会损坏附近的晶片上器件。此外,即使一个熔丝结构 有一个格外高的电阻,其在通常条件下将不会被烧断,但由于烧断了熔丝 单元里的其它熔丝结构,仍然能够获得期望的电路微调结果。.
通过上述方案,改进的集成电路熔丝单元结构在大规模生产上提供更 高的生产产量是可以实现的。
在此也披露了本发明的其它方面。


以下参考附图描述本发明的实施例,其中
图1显示一个LDOR带隙电路微调的传统熔丝结构;
图2a是依照本发明一个实施例的一个熔丝单元的示意图2b是描述图2a内熔丝单元编程步骤的流程图3a是串联图2内的熔丝单元而形成的一个熔丝链;
图3b是描述图3a内熔丝链编程步骤的流程图4是依照本发明另一个实施例的一个熔丝单元的示意图5是串联图4内熔丝单元而形成的一个熔丝链;
图6是图5内的熔丝链用于电路微调的示意图7是依照本发明又一个实施例的一个熔丝单元的示意图8是串联图7内熔丝单元而形成的一个熔丝链;和图9是依照本发明又一个实施例的一个反熔丝单元的示意图。 发明详述
依照本发明的特定优选实施例,在此详细描述本发明。为了充分且清 晰地描述本发明的细节,某些描述名词将被赋予给各种部件。本领域技术 人员应该理解,这些描述术语仅是作为一种在说明时容易识别器件的方式, 并不是将本发明限制在特定描述里。
图2a是依照本发明实施例描述一个熔丝单元200的示意图。与具有单 熔丝结构的传统构造不同,熔丝单元200是由两个串联的熔丝结构201、 202组成。 一个编程节点211,通常是熔丝焊盘的形式,位于熔丝结构201、 202的公共端,以便能够施加外部编程电压。另外,编程电压是由晶片上 电路产生,且编程节点211被连接到电压产生电路的输出。依照熔丝材料 和要求烧断熔丝的电流,编程电压通常是在3V到20V之间选择。
熔丝结构201、 202的相反端形成熔丝单元200的终端,并各自被连接 到开关221、 222。通过确定终端231和232上控制信号,可以接通和断开 每个开关。开关22K 222还被连接到节点241、 242,其提供一个基准电 势,通常是接地电势。通过对应的开关221、 222,熔丝结构201、 202可 以与终端241、 242的基准电势连接断开。
图2b是描述图2a内熔丝单元编程步骤的流程图。处理过程在步骤291 上开始,其中熔丝单元的开关被闭合接通,熔丝结构的相反端放电到基准 电势。
在步骤292,编程电压, 一个编程熔丝单元的高电压,被施加到熔丝 焊盘。在编程电压和基准电势之间的电压差产生一个电流,导电经过此两 个熔丝结构。当这个电流足够大时,将加热熔丝结构并烧断它。
在步骤293,从熔丝焊盘撤走或移开编程电压。随后在步骤294,断开 开关将熔丝结构与基准电势断开。步骤顺序很重要,从而在整个编程过程中熔丝结构的相反端或熔丝结 构的终端要么是流向要么接近基准电势。
图3a是一个基于图2a内熔丝单元的熔丝链300,其中一些熔丝单元 以串联结构连接在一起,用来微调一个二进制加权的电阻器。用于微调的 相应二进制加权电阻值的每个电阻器361、 362与一个熔丝单元371、 372 并行连接,器件终端分别连接到相应熔丝单元的终端。每个熔丝单元有一 个如图2a内所述的相似构造,包括一对熔丝结构301和302、 303和304, 公共端连接到相应熔丝焊盘311、 312。熔丝结构301、 302、 303、 304的 另一端通过开关321、 322、 323被有选择性地连接到基准电势终端341、 342、 343。这些开关321、 322是由路径331、 332上从熔丝解码器(fUse decoder)输出的信号控制,并由邻近熔丝单元共用。解码器350是以这样 的方式运作,即当任何期望的熔丝单元371; 372要求进行编程,确定到熔 丝解码器350的相应输入信号351、 352。然后,然后熔丝解码器350输出 控制信号在路径331、 332、 333上以接通相应熔丝单元371、 372的开关 321、 322、 323。
图3b是描述在图3内熔丝链编程步骤的流程图。在步骤391上开始处 理过程,确定将被编程的期望熔丝。这可能取决于一个电阻网络的期望值 或期望选择设置。在步骤392,确定相应被编程熔丝的熔丝解码器输入。 输入信号的确定可以由穿过I/O焊盘的外部电压驱动、或由基于数据处理 的控制编程的内部电路驱动。
在步骤35 3,解码器发送控制信号以接通有关熔丝单元的开关。这样, 这些熔丝单元终端被连接到基准电势,以准备进行熔丝烧断。在步骤394,
编程电压被施加到熔丝悍盘,产生电流流经熔丝结构并蒸发。编程电压应 该足够大于电压基准,以便能够产生一个足够大的电流来烧断熔丝结构。
在步骤395,编程电压从熔丝焊盘撤回。其后,在步骤396,开关被断 开以便将熔丝结构与基准电势断开。在整个熔丝单元编程期间,熔丝单元 终端总是被连接到基准电势,直到断开那时。类似于在图2a内所述的流程,在图3b内的步骤顺序也是很重要的, 从而从步骤393到395,熔丝结构的相反端或熔丝单^l的终端要么是流动 的要么是被连接到基准电势。
依照本发明,熔丝单元内的开关可以是晶体管器件如双极型结型晶体 管(BJT)、场效应晶体管(FET)、面结型FET (JFET)、绝缘栅极FET (IGFET)、金属氧化物半导体FET (MOSFET),或是执行开关并提供低 接通电阻的电路。通常是根据集成电路制作过程、导通电阻、切换速度和 布局大小来选择开关。图4是一个描述熔丝单元电路400的示意图,其是 图2内熔丝单元使用n-通道MOSFET(NMOS)421、 422作为开关的例子。 当相应栅压431、 432高于阈值电压时,NMOS421、 422被接通,从而连 接熔丝结构到地441、 442。
图5显'示一个微调电路500,其是图3内熔丝链使用图4内熔丝单元
的例子。例如,当需要微调电阻网络以显示一个电阻RMSB时,与电阻RMSB
561并联的熔丝单元571将被编程。编程过程与图3内所述的相同。具体 而言,NMOS晶体管的开关动作是由进入熔丝解码器550的微调控制信号 确定。
为了编程RMSB的熔丝单元,在解码器输入551上的微调控制信号被提 供一个高电压,而解码器的其它输入是低电压。熔丝解码器550使用由OR-门组成的解码逻辑,处理微调控制信号,在路径531和532里的信号上缓 冲并输出一个高电压,路径531和532分别与NMOS晶体管521、 522的 门终端连接,然后接通晶体管521、 522。同时,在熔丝链上的其它NMOS 晶体管处于断开(switch-off)状态。然后,编程电压被施加到熔丝焊盘511, 产生电流流经熔丝结构501、 502到接地节点541、 542。
在烧掉熔丝结构501、 502和撤回熔丝焊盘511上的编程电压之后,微 调控制信号551被提供一个低压。结果,路径531、 532上的信号变成低的, 断开NMOS晶体管521、 522。
图6是一个微调电路600的示意图,其显示应用图5内的熔丝链来微调图1内LDOR上的带隙基准。在熔丝结构501和502需要烧断的情况下, NMOS晶体管521总是被接通,和编程电压被施加到熔丝焊皋511的时间 一样长。所以,仅有熔丝焊盘511遭受高的编程电压,而节点601保持接 近基准电势。所以,在微调电路周围的有源设备如604、 605和606、 607
可以避免出现过电压危险。
另外,可以施加一个更高的编程电压以确保期望的熔丝结构被烧断, 而集成电路的其它部分不会有过电压压力。
图7显示依照本发明另一个实施例的熔丝单元700结构。此结构是从 图2修改得来,通过在熔丝焊盘711和熔丝结构701和702的公共端之间 加入一个额外开关723。熔丝单元首先被编程闭合开关721、 722、 723, 4 着在熔丝焊盘711上施加编程电压。除非开关723是专为高压运作设计的, 其必须在施加编程电压到熔丝焊盘711之前闭合。否则,在高编程电压下 的开关动作可能损坏开关723。
在熔丝结构701和702被烧断之后,编程电压从熔丝焊盘711撤回。 随后,开关721、 722、 723被断开而完成编程过程。
图8显示图7的熔丝单元结构应用到一个熔丝链800。熔丝链800是 通过串联熔丝单元如871和872而成。经过每个单熔丝单元的电流流动, 如871,是由相应开关821、 822和823的开/关(on/off)状态控制。熔丝 链编程的实行是首先选择熔丝解码器850的输入引脚(inputpin),如851, 以至闭合期望熔丝单元871的开关821、 822、 823。然后,编程电压被施 加到一个单熔丝焊盘811,即使不止一个熔丝单元将被编程。 一旦期望的 熔丝结构801、 802被烧断,编程电压从熔丝焊盘811移开。其后,释放熔 丝解码器850的输入851,断开烙丝单元开关821、 822、 823。此实施例的 熔丝单元871结构提供如下优势,即一个单熔丝焊盘811可以服务整个熔 丝链。因此,可以大幅减小熔丝链微调电路需要的芯片面积(die size)和 引脚数目。 依照本发明的又一个实施例,可以对熔丝单元结构作出一些改变以适合反熔丝(antifuse)应用。和熔丝不同,反熔丝在制作时提供一个高电阻, 并在编程之后永久建立一个导电路径。传统反熔丝的例子是在两个金属导 体制成的反熔丝焊盘之间的不导电非晶硅(amorphous silicon)的薄阻隔层 (thinbarrier)。由于非晶硅,反熔丝最初提供一个高电阻。
为了编程反熔丝,施加一个编程电压在非晶硅上,电压足够高以至能 够将非晶硅变成一个多晶硅金属合金(polycrystalline silicon-metal alloy), 而形成一个几百欧姆的导电路径。如在编程传统熔丝时一样,在编程前述 反熔丝构造的过程期间,会出现一些类似问题。靠近编程焊盘的晶片上器 件(on-chip device),由于受到高编程电压,容易损坏。如果编程使用临界 编程电压,流经一些非常高电阻的反熔丝的电流可能不足够大,从而不能 将非晶硅阻隔层转换成一个多晶硅金属合金。晶片上器件的损坏或者反熔 丝编程失败都会导致低生产产量。
依照本发明的又一个实施例,图9显示一个反熔丝单元900。在图2 熔丝单元里的熔丝结构现在被反熔丝结构901、 902代替。反熔丝单元900 的编程方法与图2内编程熔丝单元的方法一样。当编程电压被施加在反熔 丝焊盘905上时,开关903、 904总闭合的。这样,连接到其它晶片上器件 的反熔丝单元终端906、 907在整个遍程过程期间总是保持在基准电压。
所以,以上描述的各个实施例的熔丝单元结构里的所有熔丝结构可以 由反熔丝结构代替。
以上描述的熔丝单元结构及其编程方法能够避免熔丝网络周围的电路 在编程过程中有高电压压力。这样提供一个优势以允许使用更高的编程电 压而避免熔丝结构保持完整。因此,可以提高烧断熔丝结构的成功比率。 前述的优势可以达到一个比传统熔丝微调技术更高的生产产量。当要求一 个低成本圆晶微调解决方法时,本发明是特别有用的。
工业应用
所述方案可以被应用于集成电路工业,特别是用于要求模拟或数字参 数微调的电路,包括带隙基准电路、环形振荡器(ringoscillator)、存储器设备、 一次可编程设备(OTP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列 逻辑(PAL)、可编程逻辑设备(PLD)。
上文仅仅描述了本发明的一些实施例,在不偏移本发明的范围和精神 上可以作出一些修改和/或变化,实施例是用作说明而不是限制。
权利要求
1.一个集成电路里的熔丝单元,包括串联的第一熔丝结构和第二熔丝结构;一个编程节点,被连接到所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结构的公共端;和第一开关和第二开关,分别连接所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结构的另一端到一个电压基准;通过闭合所述第一开关和所述第二开关,并随后施加一个编程电压到所述编程节点,所述熔丝单元是可运作被烧断的。
2. 根据权利要求1所述的熔丝单元,其中所述编程节点被连接到熔丝 焊盘以便施加外部编程电压。
3. 根据权利要求2所述的熔丝单元,还包括第三开关,用来连接所述 编程节点到所述熔丝焊盘。
4. 依照权力要求3所述的多个熔丝单元的熔丝链,其中所述第三开关 连接每个所述熔丝单元的相应编程节点到一个或多个熔丝焊盘。
5. 根据权利要求1所述的熔丝单元,其中所述编程节点被连接到产生 编程电压的晶片上电路(on-chip circuit)的输出。
6. 依照权利要求1所述的多个熔丝单元的熔丝链,还包括一个或多个 逻辑电路以控制所述第一开关和所述第二开关,用来选择将被烧断的期望 熔丝单元。
7. 根据权利要求1所述的熔丝单元,其中所述第一熔丝结构和所述第 二熔丝结构选自多晶硅熔丝、单金属熔丝和熔透型(fiision-type)金属熔丝。
8. 根据权利要求1所述的熔丝单元,其中所述第一开关和所述第二开关是开关电路,其包括电子器件选自双极型结型晶体管(BJT)、场效应 晶体管(FET)、面结型FET (JFET)、绝缘栅极FET (IGFET)、金属氧化 物半导体FET (MOSFET)。
9. 根据权利要求1所述的熔丝单元,其中所述电压基准是所述集成电 路的基础。
10. —个用于电路参数微调的集成电路,包括:. 串联的第一熔丝结构和第二熔丝结构;一个编程节点,被连接到所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结构的公 共端;和第一开关和第'二开关,分别连接所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结 构的另一端到一个电压基准;至少一个电路部件,与所述串联的第一熔丝结构和所述第二熔丝结构 并联;其中在使用时,通过闭合所述第一开关和所述第二开关,并随后施加 一个编程电压到所述编程节点,所述第一和第二熔丝结构被烧断,使得所 述集成电路实质上显示所述电路部件的电特征。
11. 在集成电路里编程一个或多个熔丝单元的方法,包括以下步骤提供一个或多个熔丝单元,每个单元都有串联的第一熔丝结构和第二 熔丝结构;连接所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结构的相反端到一个电压基准;施加一个编程电压到所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结构的公共 端,并使电流流经所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结构到所述电压基准;将所述编程电压从所述公共端移开;和将所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结构的所述相反端与所述电压基 准断开。
12. 根据权利要求11所述的编程熔丝单元的方法,其中所述施加编程 电压的步骤另外包括施加一个外部编程电压经过熔丝焊盘。
13. 根据权利要求11所述的编程熔丝单元的方法,其中所述施加一个 编程电压的步骤另外包括施加一个由晶片上电路产生的内部编程电压。
14. 根据权利要求11所述的编程熔丝单元的方法,其中所述提供一个或多个熔丝单元的步骤还包括步骤对应每个所述熔丝单元提供至少一个电路部件,其中每个所述的电路部件是与所述对应熔丝单元并联,用来进 行电路参数微调。
15. 根据权利要求11所述的编程熔丝单元的方法,还包括步骤将微 调信号解码成控审M言号,用于控制所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结构 与所述一个或多个熔丝单元到电压基准的所述连接和断开。
16. 根据权利要求ll所述的编程熔丝单元的方法,其中通过连接所述第一熔丝结构和所述第二熔丝结构的所述相反端到接地电势的方式,所述 连结第一熔丝结构和所述第二熔丝结构的相反端到一个电压基准的步骤得 以发生。
17. 根据权利要求11所述的编程熔丝单元的方法,其中通过施加一个 从3V到20V电压的方式,所述施加编程电压的歩骤得以发生。
18. —个在集成电路里的反熔丝单元,包括串联的第-一反熔丝结构和第二反熔丝结构; 一个编程节点,被连接到所述第一反熔丝结构和所述第二反熔丝结构的公共端;和第一开关和第二开关,分别连接所述第一反熔丝结构和第二反熔丝结 构的另一端到一个电压基准;通过闭合所述第一开关和所述第二开关,并随后施加一个编程电压到 所述编程节点,所述反熔丝单元是可运作被编程的。
19.在集成电路里编程一个或多个反熔丝单元的方法,包括以下步骤:提供一个或多个反熔丝单元,每个单元有串联的第一反熔丝结构和第 二反熔丝结构;连接所述第一反熔丝结构和所述第二反熔丝结构的相反端到一个电压 基准;施加一个编程电压到所述第一反熔丝结构和所述第二反熔丝结构的公 共端,并使电流流经所述第一反熔丝结构和所述第二反熔丝结构到所述电 压基准;将编 程电压从所述公共端移开;和将所述第一反熔丝结构和所述第二反熔丝结构的所述相反端与所述电 压基准断开。
全文摘要
本发明的熔丝单元结构371采用一个多熔丝结构301、302构造而不是一个单熔丝结构。这样,在施加编程电压到熔丝焊盘311过程中,这些连接到其它晶片上器件的熔丝结构终端,总是在接地电势上。这种方法能够克服先前的单熔丝问题,因为施加一个足够高的编程电压来烧断格外高电阻的熔丝结构,而不会损坏附近的晶片上器件。此外,即使熔丝结构301、302中的一个熔丝结构有一个格外高的电阻,其在通常条件下不会被烧断,但是由于烧断了在熔丝单元371内的其它熔丝结构,仍然可以获得期望的电路微调结果。
文档编号G11C17/16GK101611455SQ200880000002
公开日2009年12月23日 申请日期2008年1月18日 优先权日2007年8月13日
发明者吴植伟, 温皓明, 温锦泉, 邝国权 申请人:香港应用科技研究院有限公司

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