作者：莊建祥(Shine Chung) 上峰科技股份有限公司 董事长

1、摘要

       OTP代表“一次性可编程存储器”，一种只能编程一次的设备，用于永久存储数据，但理想情况下可以无限次读取。传统上，可测试性一直是OTP的一个问题。每个OTP位都应进行编程，以确保可编程性。然而，如果只编程了一个位元，则无法再使用OTP。

       由上峰科技取得专利权的创新熔丝（I-fuse™）是一种不熔断保险丝技术，可通过低于断点的热辅助电迁移进行可靠编程。如果初始保险丝电阻足够低（例如<400欧姆）以产生足够的热量进行编程，则任何单元都可以作为可编程单元进行测试。编程电压范围可以准确地预测编程良品率的方式进行测试和校准。在I-fuse™设计中，通过在读取期间应用低电压编程，可以创建伪编程状态，称为并行低电压读写（CLVWR）。通过将正常读取和伪编程读取相结合，可以生成类似静态随机存取存储器（SRAM）的复杂测试模式，从而以100%故障覆盖率对一个完整的I-fuse™一次性可编程的宏指令进行全面测试。

2、OTP简介

       OTP运用于许多应用中，例如，在制造后定制芯片，存储芯片ID、安全密钥或配置数据，解决缺陷/污染，修剪设备变化或启用/禁用某些功能。OTP是四个基础IP之一，还有输入输出（I/O）库、标准单元库和SRAM编译器，每个客户都需要将他们的芯片流片到铸造厂进行制造。

       传统的OTP编程概念是基于存储或破坏某些东西来创建“永久”的编程状态。这些机制都有不同程度的缺陷。在浮栅中存储电荷要求栅氧化层对于电荷注入来说不太厚，并且对于电荷保留来说不太薄。击穿栅氧化层需要高电压，高电压可能会吸引电荷进入栅氧化层并出现击穿，称为软击穿。这些电荷在烧入后可以恢复到其原来的状态，并且破裂的氧化物似乎可以自我修复。熔断电熔丝等同于爆炸。在爆炸过程中，会产生碎片，并且微桥会再次短路。这些类型的OTP具有严重的可靠性问题，需要实现冗余、纠错码（ECC）或双单元。

图1：不同的OTP技术的总结

       I-fuse™是一种基于OTP技术的革命性保险丝，它将编程电压限制在低于熔断电压的范围内，所以只有热辅助电迁移才能用于编程。在没有任何类型的冗余的情况下，可靠性缺陷率已被证明是小于十亿分之一。不同的OTP技术的总结如图1所示。

       传统eFuse与I-fuse™的比较可以进一步解释。图2描绘了用于编程保险丝的典型电流-电压（I-V）曲线。当外加电压较高时，电流相应地增加到某个点，称为断点。达到断点之后，即使电压稍微升高，电流也会下降。除非保险丝熔断，否则不会发生这种情况。有一种观点认为，熔断保险丝可以永远保持其编程状态。但实际上，图2所示的三个保险丝的I-V曲线在断点之外表现不同。编程非常混乱，以至于编程后保险丝电阻的范围从几千欧姆到1千兆欧姆不等。另一方面，如果保险丝编程高于电迁移阈值但低于断点，则其行为可以很好地预测。

       编程变得有序，使得编程后保险丝电阻呈现近似高斯分布。

图2：I-fuse™ 与eFuse的编程保险丝的I-V曲线对比

3、零缺陷

       在现场进行OTP编程替代使用测试系统进行编程，正变得越来越频繁和重要，称为现场编程。在这种情况下，任何OTP编程失败或良品率损失都可能付出高昂的代价。有一个10倍的规则，如图3所示。如果无法在晶圆测试中发现缺陷，而是在封装芯片上发现缺陷，那么成本可能会从0.1美元增加到1美元。如果无法在芯片上发现缺陷，而是在模块中发现缺陷，那么成本可能会高达10美元。如果无法在模块中发现缺陷，而是在印刷电路板中发现缺陷，那么成本可能会达到100美元。最终，如果在系统中发现缺陷，那么成本可能会飙升至1,000美元。这就是人们对“零缺陷”的要求越来越高的原因。零缺陷的真正含义是确保装运后不出现缺陷。

图3：在不同产品阶段识别缺陷的10倍成本

4、OTP的可测试性

       可测试性是OTP实现零缺陷的关键。在对任何OTP位进行编程之前，OTP读数都处于原始状态。如果没有对任何OTP位进行编程，则很难确保可以在现场对所有位进行编程。但如果只对一个OTP位进行编程，则不能再使用OTP宏指令。这就是OTP编程的困境，上峰科技已经能够解决此困境了。

        对于OTP而言，需要回答3个问题：

       1）如何确保已发货的OTP是完全可编程的？

       2）如何确保OTP编程的良品率接近100%？

       3）您能测试OTP的每个功能块以确保每个功能块都能按预期运行吗？

       以上三个问题的答案都与独特的I-fuse™编程机制有关。与电熔丝或反熔丝中的爆炸编程行为不同，I-fuse™编程是基于爆炸点（断点）以下的热辅助电迁移。如果初始I-fuse™电阻可以测试到足够低，以产生足够的热量，则I-fuse™肯定可以在现场进行编程。因此，典型的破坏性编程测试可以用无损电阻筛选代替。例如，当初始保险丝电阻低于400欧姆时，可以保证任何I-fuse™都是可编程的。这是I-fuse™所独有的，由于编程行为的混乱性和不可预测性，即使初始保险丝电阻足够低，传统的电子熔丝（eFuse）也不能保证可编程性。

       其他OTP技术，如浮栅、电熔丝或反熔丝，在现场编程时都会产生良品率损失。通常1-2%的良品率损失并不罕见，因为编程机制是基于施加高电压或高电流来破坏或捕获暴力。然而，I-fuse™编程有一个明确的编程窗口，该程序窗口高于电迁移阈值且低于爆炸点（断点）。如果任何I-fuse™在这个编程窗口中编程，则可以描述为编程行为，并且可以准确预测良品率。

       编程窗口可以以一种简单的方式来描述。通过从低编程电压开始并递增直到所有位可以成功编程来确定最小编程电压。递增编程电压直到至少一个未编程位进行编程或一个已编程位不进行编程，前一个编程电压即为最大编程电压。只要编程电压的最大值和最小值足够宽，并且在控制范围内，那么编程的良品率就可以保证为100%。GlobalFoundries的22nmFDX®中典型的编程缺陷与编程电压的关系如图4所示。基于测试数据，可以很好地描述编程缺陷率（称为误码率，BER）。

图4：GlobalFoundries的22nm FDX®中的I-fuse™ 编程窗口特征

5、并行低电压读写

       上面的最后一个问题是关于如何确保OTP的每个功能块都能按预期执行。除了OTP单元是否可以编程之外，如何确保感测放大器实际检测到编程状态？如何测试是否有任何字线（WL）或位线（BL）打开或短路？如何测试是否所有X和Y解码器都能正确识别唯一地址？如何测试是否控制逻辑能正常运行？最重要的问题是：如何确保编程电路在测试过程中不会意外地对任何位进行编程？

       上述问题对于存储器（例如SRAM或动态随机存取存储器（DRAM））来说容易解决，这些存储器可以通过使用复杂的测试模式（例如March模式）以及通过交替地读写相反的数据来重复地读写多次。任何固定故障或耦合故障都可以很容易地检测到。然而，OTP只能写入一次。即使在编程过程中可以测试OTP宏指令中的一些备用位，也不能保证主阵列中的OTP位元能按预期运行。

       非破坏性编程状态可以在I-fuse™中实践，因此，传统的存储器测试方案可以通过生成类似SRAM的测试模式来实现全故障覆盖。关于图5中的I-fuse™ OTP阵列结构说明有助于进一步解释这一点。

图5：I-fuse™ 阵列结构

       与其他存储器结构一样，OTP具有n行和m列的OTP单元，它们排列在二维阵列中。如果以1R1D（一个电阻器，一个二极管）单元为例，则二极管的所有阴极都作为字线棒（WLB）连接在一起。以及I-fuse™的所有自由端作为位线（BL）连接在一起。可以通过启用WLBs和BLs来访问任何用于编程或读取的OTP单元，WLBs和BLs分别充当X和Y选择。例如，如果同时选取了WLB和YWPG（Y写通门），则当向供电电压（VDDP）施加高电压时，相应的单元可以进行编程。同样地，如果同时选取了WLB和YRPG（Y读通门），则当打开感测放大器时，相应的单元电阻可以进行测量。如果在编程前I-fuse™电阻低，则位线电压也低，因此读取的数据为0。但是，如果在编程后I-fuse™电阻高，则位线电压也高，因此读取的数据为1。通常，编程和读取OTP是互斥的：当OTP单元正在编程时，不需要读取。相反，当OTP单元正在读取时，不需要编程。当“编程”电压足够低时，对同一个单元同时应用编程和读取时会发生什么？

       在这种情况下，位线电压将被拉得更高，以便作为数据1读取编程状态，即使对于未熔断的保险丝也是如此。由于施加的“编程”电压非常低，因此无法进行实际编程。因此，创建了伪编程状态，但单元并未进行实际编程。这种新颖的测试方案是由上峰科技开发的，称为并行低电压读写（CLVWR）。利用这一创新方案，任何OTP单元、单元阵列、WLB/BL打开/短路、X-/Y解码器、控制逻辑，甚至编程电路都可以进行彻底测试。

       除了目前许多应用（如汽车工业）所要求的完全可测试性之外，I-fuse™还提供其他多种好处，如更小的硅面积而无需电荷泵，在核心或I/O电压下可编程，超低能量读取0.4V/1W的射频识别（RFID）或能源收集，符合250oC甚至300oC的标准而无任何冗余，更高的温度，更快的编程和读取速度和更低的电流消耗。

6、总结

       一次性可编程（OTP）存储器通常被认为是非易失性存储器，需要爆炸或暴力才能永久编程。然而，上峰科技的I-fuse™OTP在非破坏编程机制下被证明具有更好的结果：无需电荷泵额外的面积、低编程电压/电流和低读取电压/电流、高可靠性和宽温度应用。此外，与其他逻辑电路一样，I-fuse™ 也被证明是完全可测试的。I-fuse™的可编程性可在初始I-fuse™电阻上进行测试。通过校准编程窗口，可以非常准确地预测编程良品率。最后，采用并行低电压读写（CLVWR）交替读写非编程状态和伪编程状态，对每个功能块进行全面测试。从各个方面来看，I-fuse™是真正的逻辑器件而不是非易失性存储器，因此I-fuse™可以不需要像非易失性存储器一样被确认。当逻辑编程符合标准时，I-fuse™就符合标准。

        I-fuse™已通过资格认证，目前正在批量生产，拥有多个铸造厂和从0.5µm到10nm以下的技术，包括BCD和SOI技术。

       因此，I-fuse™是最终极的OTP。