用于安全可靠的soc的防熔断OTP NVM的案例

非易失性存储器(NVM)用于汽车、军事航空、电源管理IC (PMIC)、移动和物联网(IoT)市场中广泛的电子系统中的持久数据和安全代码存储。NVM有不同的风格，包括多次可编程(MTP)、少量可编程(FTP)和一次性可编程(OTP)。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安全性、可伸缩性、可靠性、产品规格和可用性。其他一些考虑因素，如比特数、耐久度、访问时间、编程时间、温度和操作电压，在设计人员进行权衡以找到最适合他们需求的解决方案时也会发挥作用。

许多应用程序不需要现场的可重编程性，OTP由于其在标准CMOS工艺中的广泛可用性、可扩展性、高可靠性和安全性而迅速成为嵌入式NVM的首选。OTP NVM的目标是广泛的应用，从存储几位身份验证信息到产品配置，校准，甚至是当今SoC设计的固件。OTP NVM基于浮栅、eFuse或反熔丝技术。本文介绍了antifuse OTP NVM作为最安全可靠的嵌入式NVM解决方案的优点。

浮动门OTP NVM数据可以被操纵

传统的OTP nvm基于浮栅技术，该技术捕获浮栅上的电荷来编程设备，并消耗电荷来消除它。电荷捕获和电荷耗尽需要对器件施加高电压，而创建浮栅和绝缘氧化物则需要额外的掩模和标准CMOS工艺的制造步骤。浮栅OTP NVM在130纳米以下的成熟工艺节点中扩展良好，但需要额外的设计工作，并且在包括finfet在内的较小工艺技术中在面积和性能上没有竞争力。例如，目前浮栅NVM已采用40纳米工艺，并正在努力将其推向28纳米工艺市场，然而，额外的加工步骤和掩模影响了成本敏感应用的制造和测试成本。此外，暴露在紫外线或辐射下可以擦除浮动门OTP NVM中的数据，使黑客有机会通过对已编程的设备施加高压或高温来操纵存储的电荷，从而未经授权地进入电子系统。

eFuse OTP NVM的电迁移挑战

电熔丝(eFuse) OTP NVM在亚微米时代成为主流，因为它们比浮栅OTP NVM更好地扩展了代工工艺技术。eFuse OTP nvm最初是基于多晶硅的，但在较小的工艺技术中已被金属熔断器取代。它们基于电迁移原理，在制造时对保险丝进行编程。默认情况下，基于金属的eFuse OTP nvm是蚀刻在硅表面上的连续金属形状。对选定的熔断器金属线施加高压会引起电迁移，随后断开(打开)金属线。由于没有捕获电荷，因此不可能轻松地逆向工程eFuse的内容。先进和FinFET工艺技术中的efuse不能很好地扩展，当需要更大容量的OTP nvm时，该区域可能相当大。在待机模式下，电喷会受到高泄漏电流的影响，同时还会出现再生长问题，导致金属线路断开的相同电迁移也可能导致金属线路无意中再次连接，从而改变预期存储的数据。由于这些原因，晶圆代工厂和半导体IC设计人员都倾向于使用eFuse技术的替代方案。

防熔断OTP NVM:高安全性，高可靠性(和伟大的PPA)

抗熔丝OTP NVM的底层技术是氧化物击穿，已经使用了10多年，这与基于浮栅或熔丝的OTP有本质区别。制造NVM设备不需要特殊的掩模或工艺步骤。在标准CMOS工艺中，防熔断器OTP NVM使用与逻辑器件相同的规则进行电气和布局设计，在最先进的节点上提供可扩展性，低至7nm。从根本上说，抗熔断器技术依赖于使用标准CMOS工艺中较薄的核心氧化物和较厚的I/O氧化物，在编程时通过核心氧化物创建导电路径。编程是通过在栅极上施加高电压，使较薄的核心氧化物击穿来实现的。栅极上没有高电压会使设备无法编程。由于不需要改变制造工艺，防熔断器OTP获得了与标准CMOS工艺相同的良率和可靠性。因此，随着代工厂不断调整其制造工艺，抗熔断OTP nvm可以在最新的finFET工艺中实现，而没有任何可靠性问题。

一旦被氧化分解编程，就没有回头路了。反融合OTP nvm不受有时在efu中看到的再增长问题的影响。由于不涉及电荷，它不容易受到任何被动或侵入性的安全攻击试图改变电压或温度。氧化物击穿在扫描电子显微镜下也不可见，并且在抗熔断OTP NVM中，不可能直观地区分程序细胞和非程序细胞。由于其高可扩展性，Antifuse OTP NVM也进行了区域优化，并且在所有OTP NVM类型中提供了最低的泄漏功率。编程时间和读取访问时间也非常具有竞争力，可以满足当今设计中许多高性能、低功耗系统的需求。

防熔断OTP NVM应用

与浮动门或eFuse技术相比，NVM OTP具有较高的进程可扩展性、兆比特宏容量、低有源读取功率、高电压和耐温性以及高安全性。Antifuse OTP NVM取代了浮栅或eFuse技术，用于安全密钥存储、设备id、模拟/传感器修整和校准以及代码存储等任务，每种任务都需要从几比特到几兆位的不同比特数范围，如图1所示。

图1:Antifuse OTP NVM应用程序。

抗熔断器OTP NVM优点

当从边缘到云时，安全性是一个关键要求，因为设备暴露在来自全球各地的恶意攻击之下。其中一些设备在汽车、军事航空和医疗应用中作为安全关键系统，在这些应用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，以保持金融交易的完整性或提供有条件的访问。OTP NVM支持存储内存数据和读取或写入内存数据的最高安全选项。适当设计的反引信OTP NVM可以阻止反向工程的尝试，使其内容安全。

可靠性是另一个关键要求，特别是在汽车和工业应用的恶劣环境中。当在高达150°C甚至175°C的高工作温度下合格，并对早期寿命故障率进行测试时，防熔断器OTP NVM是产品寿命可靠运行的最佳选择。

电池寿命对于可穿戴设备和智能手机等设备非常重要，消费者希望电池能持续使用几天甚至几个月。由于antifuse OTP NVM支持非常低的读功率，因此它非常适合在活动(读操作)和待机模式下需要低功耗的电池供电设备。OTP NVM也是第一个随着电源供应增加而活跃起来的电路。用于电池供电设备的soc可以结合OTP NVM，该OTP NVM可扩展到广泛的代工工艺(包括finfet)，以利用工艺技术的功率、性能和面积优势。

OTP NVM IP解决方案

基于反引信技术，Synopsys DesignWareOtp NVM IP在标准CMOS中提供安全灵活的嵌入式内存解决方案，无需额外的工艺或掩码步骤。其专利的1T和2T防熔断比特元提供小的硅足迹，其内置的安全功能可防止主动和被动攻击，篡改，黑客和逆向工程。可定制的宏允许目标应用程序灵活设计，以执行代码存储、安全、调整、校准和配置功能。DesignWare OTP NVM IP符合汽车AEC-Q100 0级和1级温度，可用于包括台积电，中芯国际，UMC和GLOBALFOUNDRIES在内的多家代工厂，支持180纳米至7纳米FinFET工艺。由于容量目标是兆比特OTP需求，OTP NVM IP提供了ROM、嵌入式Flash和串行EEPROM或Flash的低成本替代方案。Synopsys的抗熔断OTP nvm已经在广泛的系统中量产，包括传感器、显示驱动器、电源管理ic、连接和无线设备、家庭娱乐系统、高端可穿戴设备、移动设备、汽车信息娱乐和高级驾驶辅助系统(ADAS)，以及高度安全的军事和航空航天应用。