28nm HKMG非易失性存储器的反熔丝解决方案

作者:Andre Hassan

Kilopass Technology公司

随着2012年28nm高K值金属栅(HKMG)半导体生产的迅猛增长，系统级芯片(SoC)设计师将受到硅面积和经济刺激而在片上集成更多的功能。非易失性存储器(NVM)尽管有许多优势，但一直是片上集成面临的挑战之一。采用更小的工艺尺寸特别是28nm HKMG集成闪存、伪闪存和电熔丝(e-fuse)等NVM面临的挑战将被反熔丝解决方案有效解决。

替代性的嵌入式NVM解决方案

最常见的非易失性存储器(NVM)也许是可擦写的多次可编程(MTP)嵌入式闪存。第二种NVM是伪闪存，仅提供一次或少量几次可编程(OTP/FTP)的存储器。第三种提供OTP的NVM是电熔丝(电可编程嵌入式熔丝)。这种存储器可吹出一条金属或聚乙烯链路用于存储数据位。第四种同样具有OTP属性的NVM是反熔丝存储器，这种存储器在制造时是空的，可以通过使用栅极氧化物击穿技术创建一条低阻传导路径来编程为1。

将闪存集成到芯片上带来的好处是以增加将闪存合并到逻辑工艺所需的步骤为代价的。因此嵌入式闪存工艺通常要比目前先进的逻辑工艺落后三代。整合闪存和逻辑工艺开始于90nm，而标准逻辑工艺已经在28nm展开规模生产。作为一般经验，逻辑－闪存工艺的整合将给晶圆增加30%至40%的额外成本。因此，当集成的闪存超过总裸片面积的50%时，使用嵌入式闪存工艺才有意义。

MTP闪存的一种变化是少量几次可编程(FTP)和一次可编程的伪闪存，这种闪存使用浮动栅捕获电子。它的实现工艺步骤要比闪存少，但面临同样的缩放挑战。与合并工艺后的闪存一样，由于具有更高的先进工艺氧化物泄漏，这种伪闪存也无法采用先进的工艺技术节点。

另外一种OTP解决方案是电熔丝。电熔丝具有采用标准逻辑工艺实现的优势。代工厂向SoC设计师提供的电熔丝是有标称电荷的，这是代工厂增加的一个步骤，因为芯片必须重新设计才能使用另外一家代工厂的电熔丝。对于要求小容量NVM存储(4kbit或以下)的大批量应用而言，电熔丝提供了40nm和40nm以上工艺节点的优秀解决方案。如果应用需要较大的容量，增加额外例程所需的面积成本开始上升。在采用28nm HKMG工艺时，电熔丝不是最优解决方案，特别是当使用金属制造熔丝链路时。

反熔丝的好处

反熔丝是另外一种OTP形式的NVM存储技术，与闪存和伪闪存相比，它的优势在于完全兼容标准逻辑工艺，并且很容易随每代新工艺进行缩放。反熔丝技术具有独特的一些性能，是要求使用更小工艺尺寸的高增长应用的理想之选：

1 建立在标准逻辑工艺基础之上，使用ASIC操作流程

2 防篡改，支持安全数据存储

3 宽广泛的存储容量选项

4 扩展工作温度范围，非常适合汽车或工业应用

如图1所示，为了写入数据，有个提升了的电压施加到2T单元上，致使栅极氧化物被击穿，如图中的绿色圆圈中所示。这种击穿会将开路转换为低阻路径。这种氧化物击穿很难用传统的反向工程方法与技术检测，不要求任何特殊的工艺处理，并且能够随每一代新的标准CMOS工艺进行缩放。

图1：Kilopass 2T位单元横截面图显示了反熔丝技术的独特性。

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标准逻辑工艺与ASIC测试流程

因为反熔丝建立在标准逻辑工艺和ASIC操作流程基础之上，因此可以在包括28nm HKMG在内的大多数先进工艺节点上实现。反熔丝可以随每一代新工艺进行缩放。针对28nm HKMG的硅数据表明，现有反熔丝位单元可以缩放至20nm甚至更小。使用标准ASIC测试流程意味着在测试期间不需要特殊的擦除或烘烤。而内置自检(BIST)和维修功能提供了高度先进的现场编程良率，而这种情况下的故障成本要高很多。

高度安全性

随着智能手机和随身多媒体设备的普及，SoC设计师需要一种安全的嵌入式存储介质来保存密钥和其它安全信息，以确保安全的数字版权管理。反熔丝技术是保护这种数据安全的最佳方案。使用电流轮廓等无源篡改技术判断字图案对反熔丝器件来说是无法实现的，因为反熔丝的“0”和“1”位单元电流比检测所需的电流或者操作外部电路读取存储器内容的电流要小得多。

使用扫描电子显微镜(SEM)无源电压对比等入侵式篡改技术同样也难于隔离交叉点存储器阵列中的反熔丝位单元。另外，也很难用化学蚀刻或机械抛光方法定位反熔丝氧化物击穿。

多样的存储容量选项

由于其面积具有可扩展性，反熔丝技术可以提供从几kbit到几Mbit的广泛存储容量选项。对于需要超过4kbit存储容量的应用来说，反熔丝解决方案非常合适，因为这种方案只需增加存储位单元，没有与增加完整的位单元与控制模块有关的开销。典型的小容量存储模块受开销的影响很大。更新一代的反熔丝存储器架构可提供高达4Mbit的存储容量，足以安全地存储处理器启动代码，并且与外部NVM代码存储器相比还有存取速度更快的优势。另外，在存储内容不频繁改变的应用中，通过将新数据存储在过度配置(over-provisioned)的存储单元中，OTP存储器可以用作MTP存储器。

扩展温度范围

最后，具有宽工作温度范围的反熔丝技术可以提供工业应用设计所需的强健工作特性。反熔丝产品的工作温度范围在－40℃至125℃之间。反熔丝可以在如此极端温度范围内工作的能力为设计师创建消费电子设备提供了鲁棒性的NVM存储解决方案。

本文小结

每种已经商用化的嵌入式NVM技术都有自己合适的应用领域。在90nm以上的工艺尺寸时，嵌入式闪存可以为频繁改变数据的应用提供高密度存储解决方案。采用90nm和90nm以上工艺的伪闪存OTP/MTP适合那些要求有限写入次数的中小容量NVM应用。对于要求容量非常小的OTP存储器且工艺尺寸在40nm以上的应用而言，电熔丝是极具成本效益的单次代工解决方案。对于要求中小容量但必须能在90nm以下缩放以适应最新工艺尺寸的应用来说，反熔丝OTP是最佳解决方案。

本文来自《电子工程专辑》2011年12月刊，版权所有，谢绝转载。