OTP 们：PROM, eFuse, Antifuse

做IC 圆桌派DFT 第二场复盘时，对提及到的OTP 兴趣大增，于是搜索研读了一些。OTP, One time programmable, 是一种特殊类型的非易失性存储器 ( non-volatile memory ), 只允许『编程』一次，一旦被编程，数据『永久』有效。相较于MTP (multi-time programmable ) 如EEPROM, OTP 的面积更小而且不需要额外的制造步骤，因此广泛应用于low-cost 芯片中，OTP 常用于存储可靠且可重复读取的数据，如：启动程序、加密密钥、模拟器件配置参数等。

PROM

PROM, Programmable read-only memory, 是ROM 的一种，相较于传统ROM, 其数据不是在制造过程中写入的，而是在制造完成之后通过『 PROM programmer 』写入的。PROM 中的每个bit 由熔丝 ( fuse ) 或反熔丝 ( antifuse ) 锁定，根据采用的技术不同，可以在晶圆、测试或系统级进行编程。

PROM 是由美帝洲际弹道导弹相关的军事计划发展而来的，其发展历程大致为：

• 1956 年美籍华人西交校友周文俊发明PROM.
• 1969 年商用PROM 问世，通过击穿连线电容熔断反熔丝。
• 1979 年TI 开发了通过击穿MOS 管的栅氧熔断反熔丝技术。
• 1982 年推出了双栅氧双晶体管( 2T ) MOS 反熔丝技术。早期的氧化物击穿技术有各种缩放、编程、尺寸和制造问题，这些问题阻碍了其批量生产，而且不能用于CMOS.
• 2001 年Kilopass 公司发明了基于CMOS 工艺的1T, 2T, 3.5T 反熔丝技术专利，使得PROM 可集成到CMOS 芯片中，最早可集成PROM 的CMOS 工艺是0.18. 由于栅氧击穿小于结击穿，所以不需要额外的扩散制成来制造反熔丝编程单元。
• 2005 年Sidense 公司推出了一种分路反熔丝技术，该技术利用普通的多晶硅栅将IO 和Gate 的栅氧结合成了一个晶体管。

典型的PROM 出厂后所有比特的值都是"1", 所谓的编程就是熔断对应比特将其值改写成"0", 这样的改写只能做一次。熔断过程：通过在薄氧化物晶体管的栅极跟衬底之间施加一个高压脉冲，来熔断栅极跟衬底间的栅氧，如2nm 厚的栅氧需要大概6V 电压。晶体管栅极上的正向电压在栅极和衬底间形成一个反向通道，使隧穿电流通过栅氧，并在栅氧中产生更多电子陷阱，从而增加通过栅氧的电流，并最终使栅氧熔化并形成从栅极到衬底的导电沟道。形成导电通道所需的电流约为100 µA / 100 nm2，击穿发生的时间约为100 µs 或更短 。

eFuse

2004 年IBM 发明了eFuse, 不同于之前的可编程ROM, eFuse 不需要『体外编程器』，它利用EM ( electromigration ) 效应来实现『熔断』。eFuse 的发明可谓是革命性的，它不依赖于工艺，不需要新材料，不需要新工具，它结合了独特的软件算法和新的熔丝技术，根据条件的改变和系统需求动态调整和适应自身行为，在无需人工干预的情况下，可以监测并调整芯片的功能，以提高其质量、性能和功耗。最初因为『被编程』能力有限，eFuse 使用受限，但当与内建自测试 ( BIST ) 结合之后，它开始大放异彩。可以认真读一下当年IBM 的新闻稿。

eFuse 应用范围很广，从模拟器件的调整、校准、修复到系统软件的现场更新，且被广泛应用于安全领域，但由于eFuse 的『编程结点』可以通过电子显微镜看到，因此其存储的内容可以被轻易破解。

传统eFuse 的熔丝由多晶硅栅极层制成， 随着工艺几何尺寸的缩小和High-K 材料的使用，现在eFuse 的熔丝改由金属制成，随着时间的流逝，编程期间产生的『熔丝碎屑』会反向生长，这限制了eFuse 的可读次数。eFuse 的形状类似于领结，中心是一条窄金属条，较大的端头用作通孔和散热器的连接，受限于该形状，随着晶体管尺寸的减小，eFuse 的尺寸不能按比例减小，因此随着Macro 尺寸变大，eFuse 的密度并不能同比例增加，很少会超过4KB.

顺应安全性和密度的需求，Antifuse 诞生。

Antifuse

Antifuse 使用栅极氧化物击穿作为编程机制，编程后生成的连接高度可靠，没有反向生长问题，所以读取次数不受限。同时，Antifuse 由两个晶体管组成，一个是编程晶体管，另一个是读或选择晶体管，可随着工艺几何尺寸的缩小等比例缩小，因此随着Macro 尺寸变大，Antifuse 的密度可以同比例增加，其密度可以达到百兆比特级。

Antifuse 跟eFuse 的最大差别在编程机制、安全性、功耗：

• 编程机制：Antifuse, 在薄栅氧上施加高电压，通过雪崩击穿使晶体管的栅极和源极短路来编程。eFuse, 通过使用I/O 电压，向金属条或多晶硅条施加高密度电流来编程，eFuse 中的低电阻金属由于高密度电流通过窄金属或多晶硅而被电迁移熔断，在编程期间，eFuse 的两端宽大比中间较窄区域有更好的冷却效果，因此，eFuse 的熔断部分始终位于eFuse 中间的窄区域；此外，编程一比特，需要一对eFuse, 一个用于编程，另一个用做差分放大器读取参考电阻；eFuse 只能被编程一次，将对应比特的值编程为"1", 如果编程后读取的值不为"1", 则编程失败，这意味着良率下降。而Antifuse 可以被编程18次左右，如果初次编程失败，则可以反复对其编程，有助于良率提升。

• 安全性，Antifuse 比eFuse 的安全性更好，在显微镜下也无法区别编程位和未编程位，因此无法读取编程数据。在多晶硅栅CMOS 工艺中，多晶硅eFuse 应用广泛，EM 发生在硅化物层。然而在MOSFET 工艺中，用high-k 材料做金属栅极( HKMG ), 没有多晶硅层可用作eFuse, 因此改用金属层作eFuse。不论哪种eFuse 在显微镜下都可以区别出编程位和未编程位，而Antifuse 不仅在显微镜下无法窥探到编程信息，通过FIB 也检测不到电压热点，这使得未经授权的用户很难获得存储在Antifuse内存中的数据。

A programmed eFuse in the Westmere/Clarkdale processor produced by Intel. Source: Custom Analysis of the eFUSE Structures used in the Intel Westmere Clarkdale 32nm Processor, TechInsights

A programmed eFuse in TSMC eFuse 20 nm planar HKMG process. Source: Qualcomm Gobi MDM9235 Modem 20 nm HKMG Logic Detailed Structural Analysis, TechInsights.

Enlarged view of the programmed TSMC eFuse. Source: Qualcomm Gobi MDM9235 Modem 20 nm HKMG Logic Detailed Structural Analysis, TechInsights.

A programmed antifuse.

• 功耗，与eFuse 相比，Antifuse 在未编程状态下消耗的功耗更少。未编程eFuse 的典型电阻值约为50到100欧姆，而编程的eFuse 的典型电阻值约为10Kohms 到100Kohms, Antifuse 的阻值正好相反，在未编程状态下电阻较高，在编程状态下电阻较低。不论是eFuse 还是Antifuse 未编程位的默认值都是“0”, 使用时只需要将少数的对应比特编程为"1", 而在eFuse 中存储的“0” 越多功耗就越大，在Antifuse 中存储的“0” 越多，功耗就越小；此外，eFuse 的静态功耗要比Antifuse 高得多。

由上所述，目前来看Antifuse 是OTP 的未来。

驴说IC

参考文献：

https://en.wikipedia.org/wiki/Programmable_read-only_memory

https://semiengineering.com/knowledge_centers/memory/one-time-programmable-memory/

https://web.archive.org/web/20100724095358/

http://www-304.ibm.com/jct03001c/press/us/en/pressrelease/7246.wss

https://semiengineering.com/the-growing-need-for-otp/

https://semiengineering.com/the-benefits-of-antifuse-otp/

http://archive.eettaiwan.com/www.eettaiwan.com/emag/1302_15_DC.html