采用OTP NVM实现可扩展性、安全性和可靠性

非易失性存储器 (NVM) 用于汽车、军用航空、电源管理 IC (PMIC)、移动和物联网 (IoT) 市场上各种电子系统的持久数据和安全代码存储。NVM 有各种版本，包括多次编程 (MTP)、几次编程 (FTP) 和一次编程 (OTP) 版本。在确定理想的 NVM 解决方案时，设计人员必须考虑目标半导体制造工艺的可扩展性、可靠性、产品规格和可用性。在设计人员需要权衡取舍以找到最符合需求的解决方案时，位数、耐用性、访问时间、编程时间、温度和工作电压等其他考虑因素也会发挥作用。

许多应用不需要现场的可重新编程功能，因而 OTP 凭借在标准互补金属氧化半导体 (CMOS) 工艺、可扩展性、高可靠性和安全性方面的广泛可用性而迅速成为嵌入式 NVM 的首选。OTP NVM 的目标应用范围很广，从存储位数较少的认证信息到产品配置、校准，甚至包括用于当今片上系统 (SoC) 设计的固件。OTP NVM 可以基于浮栅、电容丝或反熔丝技术，每种技术都有独特优势。本文介绍了基于反熔丝技术的 OTP NVM 作为应用程序中最安全可靠的嵌入式 NVM 解决方案的优势。 

浮栅 OTP NVM

传统的 OTP NVM 基于浮栅技术，该技术以捕获浮栅上的电荷以对器件进行编程并通过耗尽电荷来清除编程。需要向器件施加高电压才能捕获和耗尽电荷，并且需要额外的光罩和制造步骤来完成标准 CMOS 工艺才能产生浮栅和绝缘氧化层。浮栅 OTP NVM 在成熟工艺节点中可以充分扩展到 130nm，但需要额外的设计工作，并且如果用在 FinFET 等小型工艺技术，就会在面积和性能方面失去竞争力。例如，当今的浮栅 NVM 可用于 40-nm 工艺，而且企业都在不断努力将其推向 28-nm 工艺市场，然而对于注重成本的应用而言，额外的工艺步骤和光罩会影响制造和测试成本。此外，经过紫外线 (UV) 光照或辐射后可以擦除浮栅 OTP NVM 中的数据，使黑客有机会通过向已编程的设备施加高电压或高温来篡改存储的电荷，从而得以非法闯入电子系统。

电熔丝 OTP NVM

电熔丝 (eFuse) OTP NVM 已成为亚微米时代的主流，因为它们在晶圆代工厂工艺技术领域的扩展情况优于浮栅 OTP NVM。电熔丝 OTP NVM 最初是采用多晶硅制造的，但在小型工艺技术中已被金属熔丝取代。它们基于电迁移原理，在制造时对熔丝进行编程。默认情况下，基于金属的电熔丝 OTP NVM 是在硅表面上蚀刻连续金属形状。对选择的熔丝金属线施加高电压会引起电迁移，并随后断开金属线连接（开路）。由于没有捕获电荷，因此不可能轻易地对电熔丝的内容进行反向工程。高级和 FinFET 工艺技术中的电熔丝不能充分扩展，当需要使用更大容量的 OTP NVM 时，面积可能会相当大。电熔丝在待机模式下和发生再增长问题时就会产生较高的漏电流，此时导致金属线断开的电迁移也会导致金属线在无意间再次连接，从而改变要存储的数据。由于这些原因，晶圆代工厂和半导体 IC 设计人员都倾向于选择电熔丝技术。

反熔丝 OTP NVM

反熔丝 OTP NVM 大约 10 年前广泛投入商业生产。反熔丝 OTP NVM 的基础技术是氧化层击穿，这与浮栅或基于电熔丝的 OTP 截然不同。制造 NVM 器件不需要特殊的光罩和工艺步骤。在标准 CMOS 工艺中，反熔丝 OTP NVM 使用与逻辑器件相同的规则进行电气和布局设计，在最先进的节点（低至 7-nm）提供可扩展性。基本上，反熔丝技术依靠在标准 CMOS 工艺中使用的较薄芯核氧化层和较厚 I/O 氧化层，在编程时构建穿过核心氧化层的导电路径。通过在栅极上施加高电压来实现编程，而这会导致较薄的核心氧化层分解。如果栅极上没有高压，器件就无法编程。由于制造工艺不需要进行任何更改，因此反熔丝 OTP 可以获得与标准 CMOS 工艺相同的良率和可靠性。因此，随着晶圆代工厂不断调整制造工艺，反熔丝 OTP NVM 可以在最新的 finFET 工艺中实现而不存在任何可靠性问题。

一旦通过氧化物分解进行编程，便不可逆转。反熔丝 OTP NVM 不会像电熔丝那样，偶尔会受到再增长问题的影响。由于不涉及电荷，因此不容易受到试图通过改变电压或温度而发起的任何被动或侵入性安全攻击的影响。氧化层击穿即便使用扫描电子显微镜 (SEM) 也无法看清，并且还无法直观地辨明反熔丝 OTP NVM 中已编程和未编程单元之间的区别。反熔丝 OTP NVM 还凭借高度可靠性优化了面积，并且具有在所有类型 OTP NVM 中最低的漏电功耗。编程时间和读取访问时间也非常具有竞争力，可满足当今设计中许多高性能、低功耗系统的需求。

反熔丝 OTP NVM 应用

NVM OTP 依据反熔丝技术取代浮栅或电熔丝，带来高工艺可扩展性、兆位宏容量、低有效读取功耗、高电压和温度容差以及高安全性。反熔丝 OTP NVM 取代浮栅或电熔丝技术，用于安全密钥存储、设备 ID、模拟/传感器调整和校准以及代码存储等任务，而这些任务所需的位数范围都从几位到多兆位不等，如图 1 所示。 

反熔丝 OTP NVM 的优势

电池寿命对可穿戴设备和智能手机等设备非常重要，因为消费者希望电池可以连续待机几天，甚至几个月。由于反熔丝 OTP NVM 支持非常低的读取功耗，因此非常适合在活跃（读取操作）和待机模式下需要低功耗的电池供电设备。OTP NVM 也是第一个随着供电增加而变为活跃的电路。用于电池供电设备的 SoC 可以采用 OTP NVM 扩展 FinFET 等各种晶圆代工厂，以充分利用工艺技术的功耗、性能和面积优势。

无论对于边缘还是云，安全都是一项关键要求，因为设备会受到来自世界各地的恶意攻击。其中一些设备可用作汽车、军用航空和医疗应用领域的安全攸关系统。在这些系统中，有线和无线连接以及数据准确性至关重要。移动和家庭娱乐设备需要用户身份验证，以保证金融交易的完整性或提供有条件的访问。OTP NVM 支持存储内存数据以及读取或写入内存数据的最高安全性选项。设计合理的反熔丝 OTP NVM 可以轻松阻止反向工程企图，保证内容安全。

可靠性是另一个关键要求，尤其是在汽车和工业应用的恶劣环境中。反熔丝 OTP NVM 已经经过高温认证，证明能够在高达 150°C 甚至 175°C 的温度下正常运行，并且经过早期故障率测试，则会成为保障产品在使用寿命期间可靠运行的首选。  

DesignWare OTP NVM IP 解决方案

基于反熔丝技术构建的 Synopsys DesignWare OTP NVM IP 组合在标准 CMOS 中提供安全灵活的嵌入式存储器解决方案，无需额外工艺或光罩步骤。其中获得专利的 1T 和 2T 反熔丝位单元具有较小的硅片尺寸，而且内置的安全功能可防止主动和被动攻击、篡改、黑客攻击和反向工程。可定制的宏为目标应用程序带来设计灵活性，方便执行代码存储、安全保障、修整、校准和配置功能。DesignWare OTP NVM IP 符合汽车 AEC-Q100 0 级和 1 级温度标准，可加快 SoC 级开发。可用于多家晶圆代工厂，包括 TSMC、SMIC、UMC 和 GLOBALFOUNDRIES，支持从 180nm 到 7nm FinFET 的工艺。凭借针对 Megabit OTP 需求的容量，Synopsys 的 OTP NVM IP 提供了 ROM、嵌入式闪存和串行 EEPROM 或闪存更低成本的替代方案。Synopsys 的反熔丝 OTP NVM 已广泛应用于各种系统的量产之中，包括传感器、显示驱动器、电源管理 IC、连线和无线设备、家庭娱乐系统、高端可穿戴设备、移动设备、汽车信息娱乐系统和高级驾驶员辅助系统 (ADAS)，以及高度安全的军事和航空航天应用。