NOVÝ PŘÍSTUP V NÁVRHU JEDNORÁZOVĚ PROGRAMOVATELNÝCH PAMĚTÍ

Abstract

Jednu z hlavních oblastí polovodičového průmyslu představují paměťové obvody. Paměť téměř nelze vynechat nejen v digitálních nebo mix-signálových obvodech, ale také v čistě analogových součástkách. Dokonce i kompaktní, ale velmi přesné analogové obvody, jako jsou napěťové reference, operační zesilovače, LDO regulátory, senzory nebo AC/DC, DC/DC měniče, vyžadují paměti, které jsou schopny nastavovat jednotlivé parametry, konfigurovat funkce nebo modifikovat vlastnosti jednotlivých systémových bloků. Protože tyto součástky často fungují ve velmi širokém rozsahu vnějších podmínek prostředí, jako je teplota, napětí, výkon, šum atd., musí jejich paměti splňovat přísné požadavky na spolehlivost a životnost. Paměti, které jsou schopny splnit tyto požadavky, se nazývají jednorázově programovatelné paměti (OTP) a patří do typů nevolatilních pamětí (NVM). Takové jádro buněk paměti často využívá multifyzikálních principů založených na fyzických transformacích materiálu. Tato práce se zabývá speciálním typem paměti OTP nazývané křemíkové pojistky. Programovací postup těchto pojistek spočívá v přetváření počátečního polykrystalického křemíku na amorfní křemík při přechodu pevná-tekutápevná fáze pomocí elektromigrace. Tento typ paměti je velmi rozšířený v polovodičovém průmyslu. Nicméně tento konvenční postup přináší nezanedbatelné ztráty ve výtěžnosti během hromadné výroby. Proto se tato práce zaměřuje na analýzu konvenční praxe a pokouší se vyvinout novou vylepšenou programovací metodu, která tyto nevýhody minimalizuje nebo eliminuje. Druhá část práce se zabývá návrhem testovacího čipu v technologickém procesu 180 nm s komplexním paměťovým systémem zahrnujícím programovací a čtecí buňky, stejně jako všechny pomocné obvody obklopující systém celé paměti. V poslední kapitole práce jsou poskytnuty počáteční vstupy pro možné pokračování této práce budoucím zkoumání multifyzikálních jevů a jejich 3D modelování.

One of the semiconductor industry main domains is considered a memory circuit. A memory can be hardly omitted not only in digital or mixed signal devices but also in pure analog circuitries. Even compact but very precise analog devices, such as voltage references, operational amplifiers, low voltage dropout LDO regulators, sensors or AC/DC, DC/DC convertors, require embedded memories which are able to configurate, modify device functions, adjust parameters or setup features. Because these devices operate often in very wide range of external environment conditions, as for temperature, voltage, power, noise etc., their memories must comply the strict reliability and lifetime requirements. Memories which are able to meet such requirements are called One-time Programmable Memories (OTP) belonging to non-volatile memory types (NVM). Such memory bit cell cores use often multi-physics principles based on physical material transformations. This thesis deals with a special type of the OTP memory called silicon fuses. This programming method consists of forming initial polycrystalline silicon to amorphous silicon crossing solid-liquid-solid states using the electromigration phenomenon. This memory type is expanded very broadly in semiconductor industrial markets. Nevertheless, this conventional method brings no negligible reject and yield loss during a mass production. Therefore, the thesis focuses on analyzing the conventional practice and attempts to develop new enhanced programming method which fixes such disadvantages. As a second part of the thesis aims there is also designing a test chip frame in a 180 nm technology process flow with the complex memory system including all programming, reading bit cells as well as all auxiliary circuits around. The last part of the aims is to provide initial hints for pursuing the possible future scientific work of 3D modelling such a memory core structure.