2012集成设计方法学-张其笑

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1、苏州大学研究生考试答卷封面考试科目：系统集成设计方法学得分：________________院别：电子信息学院专业：集成电路工程学生姓名：张其笑学号：20114528034授课教师：李文石考试日期：2013年1月15日本次课程，主要以老师讲述的形式进行。李老师主要就设计方法学、最优化战术、可靠性分析、折中设计等等方面给我们做了详细的讲述，深入浅出，让我们受益匪浅。学生通过自己的听讲，并且由各自的兴趣专长以及研究方向，和李老师一起用一种全新的思路来看待自己所学习设计研究的知识，让我们师生都获得了很大的进步。通过这种形式，学生对

2、自己关注内容更加深刻，还可以吸收其他学生的研究理论。能够互相学习，互相帮助，并对方法学有更深刻地理解。下面就我的研究内容，结合李老师所讲授的知识，来谈谈设计方法学的应用。项目目标：设计一个基于标准CMOS工艺的嵌入式OTPIP。所用工艺是180nm，所用器件模型采用5V的模型，电压电压要求可以在一定的范围内浮动（2~5V）。存储单元选择：对于一个存储器IP设计来说，我们首要需要考虑的是存储单元。因为要求兼容标准CMOS工艺，所以我们的选择范围被大大缩小，因为大部分的非易失性存储器都是采用类似EEPROM和Flash的浮栅技术

3、，他们的存储单元相对于标准的CMOS管多了一层多晶和氧化层，这样在工艺上就需要更多的掩膜层。兼容标准CMOS的逻辑工艺主要有：1.kilopass公司的XPM2001年Kilopass公司公布了其发明XPM（SuperPermanentMemory，超级永久性存储器），这种存储器利用氧化层击穿机理之后形成低阻的原理来制作。这种存储单元结构如图2-1所示，因为XPM是基于栅氧化层击穿机理来实现，所以这种存储器的最大特点就是数据写入之后就不可更改。这种机理使这种存储器具有非常高的可靠性和数据保存时间，而且这种结构相对EEPROM

4、容易受外界环境比如微波和紫外光等因素的干扰而使数据丢失的特点，XPM这种基于栅氧化层击穿的存储机理特别适用于信息安全领域，如RFID（射频识别），密钥保存等领域。由于这种结构仅仅需要使用标准CMOS工艺而不需要任何的特殊工艺，所以这种结构的扩展性非常好，很容易与芯片的其他系统进行集成。这些特点使XPM相对EEPROM存储器的成本低得多。XPM经常用作代码存储器。2.ememory公司的单层多晶EEPROM该结构采用两个PMOS串联，其中一个为控制管，一个为读取管，读取管的栅极浮空，是通过对浮栅电荷的注入，到达改变读取管的阈值

5、电压进而改变其开启关断状态的目的。该架构采用的结构简单，输出稳定，要求的工作条件也易实现。3.2T和3T的基于反熔丝的EEPROM基于antifuse的logicNVM设计多采用氧化层、ONO（氧化层-硅化物-氧化物）、MOM（金属-氧化物-金属）以及H-K材料来实现反熔丝。Antifuse编程和efuse正好相反，反熔丝在编程前有非常高的电阻，约在几百兆欧，编程时被高电压击穿，电阻减小到千欧级别甚至更低，以此来实现存储目的。而ONO和MOM结构都需要额外的掩膜工艺，不适合用标准CMOS逻辑工艺实现，High-K新材料的应用

6、也还有很多的挑战，目前反熔丝的NVM设计还是集中在利用MOS晶体管击穿，特别是薄栅氧化层击穿方面。目前比较成熟的设计有两种，一种是三管存储单元，一种是两管存储单元，他们都用一个MOS作为反熔丝。4.synopsys的NOVeA架构该架构主要就是在中间的浮栅上连接两个电容，利用电容的存储特性来实现对浮栅的电荷注入和释放，实现存储。此外，我们还考虑了注入AEONNVM等架构，最终鉴于技术的成熟性和可靠性，以及设计的简单原则，我们采用了可靠性很高的ememory架构作为本次设计的存储单元。条件选择：对于ememory的架构，通常的

7、设计中采用一个高压产生电路来产生编程高压，平时的电源电压用作读取电压。但是我们的device模型是5V的模型，而且电源电压浮动在2V到5V之间，这样的电源电压已经不能用作稳定的读取或者编程作用。这样我们就必须确定新的工作条件。开始时我们预想把2V到5V的电压分成两个部分，低于3.3v的VCC基本上不能使得器件进行编程操作，这样我们只需要把3.3V以上的电压通过一系列的电路拉低到3.3V以下，编程的高压就从3.3V之下的电压电压来通过BOOST电路产生一个低电压。但是实际的设计流程中，我们发现仅仅是2V到3.3V的电压浮动，还

8、是会带来诸多的问题，特别是串扰disturb和寄生参数loading，这些的变动无疑给设计带来了很多的难题。所以我们通过实验分析，决定尽量对整体的电压进行减低，减低到2V左右最佳。我们采用5Vdevice的最小尺寸，在各个端口加载电压，分析其编程情况。设计中的限制条件是最差的编程情况，编程