芯片外围反熔丝预修调电路及其修调方法
阅读说明：本技术 芯片外围反熔丝预修调电路及其修调方法 (Chip peripheral anti-fuse pre-trimming circuit and trimming method thereof ) 是由 毛晓峰 黄朝刚 李剑 于 2021-03-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及芯片外围反熔丝预修调电路及其修调方法。修调方法包括：根据熔烧前测试的电参数初始值和电参数目标值用公式计算粗略预修调值,转换得粗略预修调的反熔丝组合；根据粗略预修调反熔丝组合对反熔丝进行粗略虚拟熔烧并测试出粗略电参数值；用设计的电参数的修调步长和粗略电参数值以及电参数目标值计算出预修调值偏差；根据预修调值偏差确定精准预修调范围,按精准预修调范围内的每个反熔丝修调组合对反熔丝进行虚拟熔烧并测试出对应的电参数预修调值,当在某个反熔丝组合下,测试到的电参数值和目标值最接近时,得到精准反熔丝组合；按照精准反熔丝组合对反熔丝进行熔烧,测试验证电参数最终值和目标值之间的误差是否满足要求。(The invention relates to a chip peripheral anti-fuse pre-trimming circuit and a trimming method thereof. The trimming method comprises the following steps: calculating a rough pre-trimming value by using a formula according to an electrical parameter initial value and an electrical parameter target value tested before sintering, and converting to obtain a rough pre-trimming anti-fuse combination; carrying out rough virtual fusing on the antifuse according to the rough pre-trimming antifuse combination and testing a rough electrical parameter value; calculating the deviation of the pre-trimming value by using the trimming step length of the designed electrical parameter, the rough electrical parameter value and the electrical parameter target value; determining a precise pre-trimming range according to the pre-trimming value deviation, virtually fusing the antifuses according to each antifuse trimming combination in the precise pre-trimming range, testing a corresponding electrical parameter pre-trimming value, and obtaining a precise antifuse combination when the tested electrical parameter value is closest to a target value under a certain antifuse combination; and (4) burning the anti-fuse according to the precise anti-fuse combination, and testing and verifying whether the error between the final value and the target value of the electrical parameter meets the requirement.)
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，特别涉及一种用CMOS低压工艺实现反熔丝的芯片外围反熔丝预修调电路及其修调方法。
背景技术
反熔丝通常是指通过一定电压或电流进行熔烧使其从原来的开路状态不可逆的转变到短路状态的这一类器件和电路，一般应用于调整电路中的某些电参数，比如：基准电压、频率等等。
而反熔丝修调电路就是对反熔丝进行熔烧和检测的电路，反熔丝修调电路除了要保证可靠稳定的对反熔丝进行熔烧之外，还必须保证熔烧时集成电路中其它器件和电路不会被损伤，同时还要能检测出反熔丝的开、短路状态。
图1所示是反熔丝修调电路的传统电路之一，图1中所示只是其中一位反熔丝及其修调电路，即第i(i=1,2,3,…,n)位，图1中，反熔丝AFi采用PMOS场效应管实现；INVi1和INVi2是反相器；NMi1～NMi3是NMOS场效应管；信号FSi是反熔丝位选择信号，在测试状态下，当需要熔烧某位反熔丝时，其对应的FSi被设置为低电平，使得NMi1导通、NMi2关断，而其它位的FSi被设置为高电平；在工作状态下，所有位的FSi信号都被设置为高电平；电压VB给NMi3提供偏置电压，使得当NMi3的漏极电压足够高时，NMi3流过恒定的电流。这样，在测试状态下，NMi1导通，AFi的栅极就连接到地，在Ti上加上合适的高电压并限流，该高电压大于PMOS反熔丝AFi的栅氧击穿电压，反熔丝AFi的栅氧被击穿，就会被安全的熔短路；在工作状态下，Ti被设置为正常的工作电压，所有位的NMi1关闭、NMi2导通，如果某位反熔丝AFi是开路的，则其对应的NMi3漏极被下拉到低电平，TSi(i=1,2,3,…,n)就会输出高电平，如果某位反熔丝AFi被熔短路了，则其对应的NMi2漏极电压等于Ti上的电压，NMi3漏极电压变高，TSi(i=1,2,3,…,n)就会输出低电平，然后各位反熔丝修调电路的TSi(i=1,2,3,…,n)信号经过逻辑运算，就可以去控制调整基准电压等电参数了。
图1所示的电路中，如果PMOS反熔丝AFi、NMOS场效应管NMi1～NMi3和反相器INVi1和INVi2都采用标准CMOS低压工艺的常规器件来实现，则PMOS反熔丝AFi的栅氧击穿电压就会远大于NMi1、NMi2等器件的漏-源耐压，那么当反熔丝AFi被熔短路时，NMi1、NMi2等器件就可能被损坏。图1电路既要可靠稳定的熔烧反熔丝，又要保证熔烧时集成电路中其它器件和电路不会被损伤，只有两种解决方案：第一种方案，反熔丝AFi采用特别设计的结构和电路或者增加额外的层次，使得反熔丝AFi的熔烧电压低于常规器件的耐压，但是，这种方案会增加集成电路的成本，并降低集成电路的工艺兼容性，有的还需要IP授权；第二种方案是采用高压工艺来实现，反熔丝AFi、NMOS场效应管NMi3、反相器INVi1和INVi2都采用低压器件，而NMOS场效应管NMi1、NMi2都采用高压器件，并且这些高压器件的耐压要远大于反熔丝AFi的熔烧电压。但是，这种方案同样会增加集成电路的成本，并降低集成电路的工艺兼容性。
现有的各种反熔丝修调电路都存在着工艺兼容性差或者电路成本高的缺点。
传统的反熔丝修调方法有两种：
第一种方法，首先推导出所调电参数的理论修调公式，然后在熔烧前测试出该电参数的初始值，再根据初始值和目标值用理论公式计算出修调值，对修调值进行四舍五入或者取整后进行转换（比如，转换为二进制数）就找到所需烧调的反熔丝组合了，然后按位对各位反熔丝进行熔烧，熔烧完成后，再测试验证电参数是否达到目标值。该修调方法的缺点是受器件匹配精度、运放或比较器失调电压和测试误差等随机因素影响，理论公式计算值和测试值存在较大误差，使得测试生产良率降低，电参数精度不高，从而降低了集成电路的产品品质。
第二种方法，增加预修调电路对所调电参数进行遍历预修调，预修调电路可以放在芯片内部，也可以在生产测试时放在芯片外部，通过程序控制使得所调电参数在最小值和最大值之间单调变化，并输出所有可能的电参数值，这些电参数值和各种可能的反熔丝组合一一对应，当在某个反熔丝组合下，测试到的电参数值和目标值最接近时，记下该反熔丝组合，然后按照该反熔丝组合对各位反熔丝进行熔烧，熔烧完成后，再测试验证电参数是否达到目标值。该修调方法的缺点是在预修调过程中，所有可能的反熔丝组合都要测试一次，当反熔丝位比较多时，生产测试时间长、效率低，如果反熔丝位有n位，则需要测试2n个值，比如，当反熔丝位有10位时，需要测试1024个值。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服上述现有技术中存在的不足而提供一种利用反熔丝熔烧前后的开、短路特性通过控制芯片外围开关，实现反熔丝的虚拟熔烧和电参数的预修调，通过预修调提高所调整电路参数的精度，粗略预修调和精准预修调相结合，极大地简化了预修调过程，缩短了预修调时间，提高修调效率并降低了生产测试成本的芯片外围反熔丝预修调电路及其修调方法。
本发明的技术解决方案是所述芯片外围反熔丝预修调电路的修调方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
⑴熔烧前测试出电参数TEP的初始值TEP_i；
⑵根据初始值TEP_i与目标值TEP_t，用理论公式计算并四舍五入或取整后得到粗略预修调值N_i，将粗略预修调值N_i进行转换得到粗略预修调的反熔丝组合；
⑶根据粗略预修调反熔丝组合按位对各位反熔丝进行粗略虚拟熔烧并测试出TEP的粗略电参数值TEP_r；
⑷假设理论上设计的电参数TEP的修调步长为PTS，计算粗略电参数值偏差TEP_d=TEP_t-TEP_r，计算TEP_d/PTS，取绝对值并四舍五入或取整后得到粗略预修调值的偏差N_d；
⑸根据所述偏差N_d确定N-amin至N-amax范围，从N-amin至N-amax范围进行遍历预修调，计算出N-amin到N-amax范围内的反熔丝修调组合，对每个反熔丝修调组合按位对各位反熔丝进行虚拟熔烧并测试出对应的TEP预修调值，所述TEP预修调值和各反熔丝组合一一对应，当在某个反熔丝组合下，测试到的电参数值和目标值最接近时，得到精准反熔丝组合和对应的精准预修调值N-a；
⑹按照精准预修调值N-a和对应的精准反熔丝组合对各位反熔丝按位进行熔烧，熔烧完成后，再测试验证电参数TEP的最终值TEP_f和目标值TEP_t之间的误差是否满足要求。
作为优选：步骤⑵所述的理论公式：
TEP=K1+K2*N (1)
式中：TEP是基准电压；K1是一个未知量，随温度、工艺和电源电压变化，但在相同测试条件下是一个常数；所述相同测试条件：温度相同，工艺角相同，电源电压相同，同一颗芯片；K2是一个预先设计的常数，是已知的；N是修调值，将N转换后得到反熔丝的修调组合，N的最大值是预先设计好的，也是已知的，N的最小值为零，也就是不修调；
不修调时，N=0，代入公式(1)得到电参数TEP的初始值TEP_i：
TEP_i=K1 (2)
而电参数TEP的目标值TEP_t也是已知的，代入公式(1)得：
TEP_t=K1+K2*N_i (3)
结合公式(2)、(3)得到粗略预修调值N_i：
N_i=(TEP_t-TEP_i)/K2 (4)。
作为优选：所述步骤⑶与所述步骤⑸进一步包括：芯片外围通过控制对应的开关Si(i=1,2,3,…,n)对相应位的反熔丝进行虚拟熔烧，即第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)通过对应的开关Si(i=1,2,3,…,n)连接到地时，模拟对应的反熔丝被熔短路连接到地后的状态，电参数TEP就会随之变化；而第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)悬空时，相对应的反熔丝位则无被虚拟熔烧。
作为优选：所述步骤⑷与所述步骤⑸进一步包括：
⑴假设N-amin是精准预修调范围的最小值，而N-amax是精准预修调范围的最大值，N-a是满足要求的精准预修调值；
⑵如果TEP_i是TEP数值中的最小值，
则当TEP_d>0时，N-amin=N_i，N-amax=N_i+N_d+1；
当TEP_d<0时，N-amin=N_i-N_d-1，N-amax=N_i；
当TEP_d=0时，N-a=N_i；
⑶如果TEP_i是TEP数值中的最大值，则
当TEP_d>0时，N-amin=N_i-N_d-1，N-amax=N_i；
当TEP_d<0时，N-amin=N_i，N-amax=N_i+N_d+1；
当TEP_d=0时，N-a=N_i。
本发明的另一技术解决方案是所述芯片外围反熔丝预修调电路，其特殊之处在于，根据芯片外围反熔丝预修调电路的修调方法进行反熔丝预修调，芯片外围反熔丝预修调电路，包括集成电路，所述集成电路内部有n位反熔丝修调电路与第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)一一对应，开关Si(i=1,2,3,…,n)分别连接到集成电路的第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)的引脚上；VDD是集成电路的电源电压脚；VSS是集成电路的接地脚；TEP是所修调电参数的输出脚。
所述第一熔烧电压是指集成电路各输入脚对应的熔烧电压。
作为优选：所述开关Si(i=1,2,3,…,n)各自独立控制，使得第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)的引脚分别悬空，或，分别连接到地，或，分别连接到第二熔烧电压VTi(i=1,2,3,…,n)上；
所述第二熔烧电压是指集成电路外围与集成电路各输入脚对应的熔烧电压。
作为优选：所述开关Si(i=1,2,3,…,n)选用MOSFET开关管、BJT开关管、继电器，或其组合。
作为优选：根据构成反熔丝的器件类型及修调电路的不同，第二熔烧电压VTi(i=1,2,3,…,n)分别独立，或者连接同一个电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
⑴本发明的芯片外围反熔丝预修调电路的修调方法利用反熔丝熔烧前后的开、短路特性通过控制芯片外围开关实现反熔丝的虚拟熔烧和电参数的预修调，为了缩短修调时间，先通过理论公式计算进行粗略预修调，再通过粗略预修调值和目标值之间的偏差缩小并锁定精准预修调的范围，在此小范围内进行遍历预修调就得到对应的精准反熔丝组合，再按此组合进行反熔丝的熔烧、修调就得到满足要求的电参数；粗略预修调和精准预修调相结合，极大地简化了预修调过程，缩短了预修调时间，提高了修调效率，降低了生产测试成本。
⑵本发明的反熔丝及其修调电路均可采用标准CMOS低压工艺的常规器件实现，工艺兼容性好；通过预修调减小了器件匹配精度、失调电压等随机因素的不利影响，极大地提高了所修调电参数的精度，从而提升了集成电路的产品品质。
⑶本发明对反熔丝进行熔烧时，电源电压VDD连接到不大于5V的电源电压上也可以接地，然后在第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)上加上合适的高电压对反熔丝进行熔烧，第一熔烧电压一般在8V～19V，因为电阻Ri放置在场氧上，而反熔丝的电介质厚度远小于场氧厚度，所以Ri的耐压远远大于反熔丝的第一熔烧电压，即Ri不会在熔烧时被损伤，同时，Ri的电阻值很大，经过Ri限流后，电流Iti很小，为uA级，这样就避免了大电流对检测电路和恒流源电路的冲击。
⑷本发明反熔丝修调电路在测试状态下，对反熔丝进行熔烧时，检测电压VSi被短路到地，检测电路和恒流源电路会更安全。
⑸本发明的反熔丝修调电路利用场氧上的高耐压高阻值的电阻Ri和一个低阻电路相串联，实现熔烧时的高压隔离和限流，避免高电压和大电流对芯片其它电路的冲击，既能可靠稳定的熔烧反熔丝，又能保证电阻Ri自身和集成电路中其它器件和电路在熔烧时不会被损伤，所以本发明的反熔丝和反熔丝修调电路均可采用标准CMOS低压工艺的常规器件来实现。
(6)本发明的反熔丝修调电路从恒流源电路PMi的寄生体二极管PDi到电源电压VDD再到地的路径，是一个低阻电路，该低阻电路和高阻Ri串联，而PDi上的压降一般为0.7V左右，所以检测电压VSi≈VDD+0.7V，这样就使得熔烧时的高电压绝大部分都落在高阻Ri的两端，从而避免了高电压对检测电路和恒流源电路的冲击，熔烧时只要保证(VDD+0.7V)小于检测电路和恒流源电路的最高耐压就是安全的。
附图说明
图1是传统的反熔丝修调电路图；
图2是本发明的反熔丝修调电路图；
图3是本发明的芯片外围预修调电路图；
图4是本发明第二个较佳实施例的反熔丝修调电路图。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
图3示出了本发明芯片外围预修调电路的实施例。
请参阅图3所示，所述芯片外围反熔丝预修调电路，包括集成电路，所述集成电路内部有n位反熔丝修调电路与第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)一一对应，开关Si(i=1,2,3,…,n)分别连接到集成电路的第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)的引脚上；其中，VDD是集成电路的电源电压脚；VSS是集成电路的接地脚；TEP是所修调电参数的输出脚。所述开关Si(i=1,2,3,…,n)可以是MOSFET开关管，也可以是BJT开关管，还可以是继电器等开关器件，或者是这些开关器件的组合，所述开关Si(i=1,2,3,…,n)可以被各自独立的控制，使得第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)等引脚可以分别悬空，也可以分别连接到地，还可以分别连接到第二熔烧电压VTi(i=1,2,3,…,n)上；根据构成反熔丝的器件类型及其修调电路的不同，第二熔烧电压VTi(i=1,2,3,…,n)可以是分别独立的，也可以是连接在一起的同一个电压。
下面结合图2、图3说明本发明芯片外围反熔丝预修调电路的修调方法，包括以下步骤：
⑴熔烧前测试出电参数TEP的初始值TEP_i；
⑵根据初始值TEP_i和目标值TEP_t用理论公式计算并进行四舍五入或者取整后得到粗略预修调值N_i，将粗略预修调值N_i进行转换（比如，转换为二进制数）得到粗略预修调的反熔丝组合；
⑶根据得到的粗略预修调反熔丝组合按位对各位反熔丝进行粗略虚拟熔烧并测试出TEP的粗略电参数值TEP_r。因为反熔丝在熔烧前是对地开路的，而熔烧后是短路到地的，所以在芯片外围通过控制对应的开关Si(i=1,2,3,…,n)就对相应位的反熔丝进行虚拟熔烧，即第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)通过对应的开关Si(i=1,2,3,…,n)连接到地时，就模拟了对应的反熔丝被熔短路连接到地后的状态，电参数TEP就会随之变化，而第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)悬空时，相对应的反熔丝位就没有被虚拟熔烧；
⑷假设理论上设计的电参数TEP的修调步长为PTS，计算粗略电参数值偏差TEP_d=TEP_t-TEP_r，然后计算TEP_d/PTS，取绝对值并进行四舍五入或者取整后得到粗略预修调值的偏差N_d。
本发明可以用于调整各种电参数，而不同的电参数的理论公式是不相同的，比较常见的电参数，比如基准电压，其理论公式的一般形式为：
TEP=K1+K2*N (1)
式中：TEP是基准电压；K1是一个未知量，随温度、工艺和电源电压变化，但在相同测试条件下（温度相同，工艺角相同，电源电压相同，同一颗芯片）是一个常数；K2是一个预先设计的常数，是已知的；N是修调值，将N转换后得到反熔丝的修调组合，N的最大值是预先设计好的，也是已知的，N的最小值为零，也就是不修调；
不修调时，N=0，代入公式(1)得到电参数TEP的初始值TEP_i：
TEP_i=K1 (2)
而电参数TEP的目标值TEP_t也是已知的，代入公式(1)得：
TEP_t=K1+K2*N_i (3)
结合公式(2)、(3)得到粗略预修调值N_i：
N_i=(TEP_t-TEP_i)/K2 (4)。
假设N-amin是精准预修调范围的最小值，而N-amax是精准预修调范围的最大值，N-a是满足要求的精准预修调值，因为电参数TEP是随反熔丝单调变化的，如果TEP_i是所有可能的TEP数值中的最小值，
则当TEP_d>0时，N-amin=N_i，N-amax=N_i+N_d+1，
当TEP_d<0时，N-amin=N_i-N_d-1，N-amax=N_i；
当TEP_d=0时，N-a=N_i；
如果TEP_i是所有可能的TEP数值中的最大值，则
当TEP_d>0时，N-amin=N_i-N_d-1，N-amax=N_i，
当TEP_d<0时，N-amin=N_i，N-amax=N_i+N_d+1；
当TEP_d=0时，N-a=N_i；
⑸根据所述偏差N_d确定N-amin至N-amax范围，从N-amin到N-amax进行小范围的遍历预修调，计算出N-amin到N-amax范围内所有可能的反熔丝修调组合，对每个反熔丝修调组合按位对各位反熔丝进行虚拟熔烧并测试出对应的TEP预修调值，这些TEP预修调值和各个反熔丝组合一一对应，当在某个反熔丝组合下，测试到的电参数值和目标值最接近时，就得到精准反熔丝组合和对应的精准预修调值N-a；
⑹按照精准预修调值N-a和对应的精准反熔丝组合对各位反熔丝按位进行熔烧，熔烧完成后，再测试验证电参数TEP的最终值TEP_f和目标值TEP_t之间的误差是否满足要求。
图2示出了本发明反熔丝修调电路的第一实施例。
请参阅图2所示，图2仅显示了其中一位反熔丝修调电路，即第i(i=1,2,3,…,n)位，图2中VDD是电源电压，偏置电压VB给PMOS场效应管PMi提供合适的偏置，当PMi漏极电压足够低时，它们组成一个恒流源电路，恒流源的电流Ii被设计得很小，比如100nA，以减小功耗，PDi是PMi的寄生体二极管；电阻Ri是位于场氧上的高阻多晶电阻，Ri的电阻值被设计得很大，比如1MΩ；反熔丝连接在第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)和地之间，反熔丝由常规器件所构成的电路来实现，这些器件可以是NMOS或者PMOS场效应管、也可以是POP等类型的电容、还可以是齐纳二极管等器件，反熔丝的电特性为：熔烧前在低压（小于5V）下表现为直流开路，熔烧后表现为短路；检测电路检测电压VSi，检测电路可以是反相器、施密特触发器、比较器等电路，也可以是这些电路的组合，检测电路的检测电压VSi没有电流流入或流出。
图4示出了本发明反熔丝修调电路的第二实施例。
图4电路与图2电路的区别在于：低阻电路不是由PMOS场效应管PMi的寄生体二极管PDi组成，而是在检测电压VSi和地之间增加了一个低阻电路，该低阻电路在信号WT的控制下对地开路或短路，低阻电路可以由一个NMOS场效应管构成，也可以由PMOS场效应管等构成；采用图4电路的集成电路有两种状态，在测试状态下，WT为高电平（或低电平），低阻电路对地短路，而在正常工作状态下，WT为低电平（或高电平），低阻电路对地开路；无论在测试状态，还是在正常工作状态下，电源电压VDD都连接正常的电源电压。
下面结合图2、图4说明本发明用CMOS低压工艺实现反熔丝修调电路的检测方法，包括以下步骤：
⑴当电源电压VDD连接正常的电源电压时，在反熔丝被熔烧前，第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)对地开路，并且第一熔烧电压Ti(i=1,2,3,…,n)不外接电压，恒流源的电流Ii使得检测电压VSi等于电源电压VDD；
⑵当检测电路检测到检测电压VSi大于设定的阈值电压VTH时，检测电路的输出信号TSi(i=1,2,3,…,n)为高电平；
⑶当反熔丝被熔烧短路到地后，检测电压VSi等于Ii*Ri，为mV级的低电压；
⑷当检测电路检测到检测电压VSi小于设定的阈值电压VTL时，检测电路的输出TSi(i=1,2,3,…,n)为低电平，这里VTL≤VTH；
⑸通过各位反熔丝修调电路的输出信号TSi(i=1,2,3,…,n)的高、低电平变化即可控制调整所修调电参数，使其满足设定要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。