1970年代のPROMチップの内部を見る：微細なヒューズにデータを保存する仕組み（2019年）

1970年代のPROMチップの内部を見る：微細なヒューズにデータを保存する仕組み MMI 5300は1970年代初頭のメモリチップで、小さなヒューズに1024ビットを保存していました。 通常のRAMチップとは異なり、これはPROM（Programmable Read-Only Memory）でした。一度だけヒューズを焼き切ることでプログラムされ、その後そのデータは永久に保持されました。 私が調べたチップは、当時としては70ドルという高価なもので、当時の主要なPROMメーカーであるMMI（Monolithic Memories Incorporated）によって製造されました。 下の高倍率写真は、チップのシリコンダイを示しています。シリコンの上にある金属層がこの写真で最もよく見えます。シリコンから作られたトランジスタや抵抗器は、その下にあります。 端の周りのワイヤーは、シリコンダイと外部ピン間の16本のボンドワイヤーです。 左上には、1024ビットのデータが33×33のアレイ状のダイオードとヒューズに保存されています。（余分な行と列については後で説明します。） このチップは、ほとんどの最新チップで使用されているMOSトランジスタとは異なり、NPNトランジスタから構築されています。 1024ビットの情報を保持するMMI 5300 PROMチップのダイ。画像をクリックすると拡大表示されます。 ダイの写真を作成するために、私は16ピンセラミックパッケージに入った以下のチップから始めました。5300と6300チップは基本的に同じです。 チップはセラミックパッケージに入っていたため、ノミで金属蓋を叩いてデキャップするだけで、シリコンダイを露出させることができました。 MMI 5300および6300 PROMチップはセラミックパッケージに入っています。 チップには1974年と1973年の製造年コードが付いています。 下の写真では、シリコンダイがパッケージ内で非常にオフセンターに取り付けられています。それが意図的なものか、ずさんな製造かは不明です。 小さなボンドワイヤーがダイとパッケージの金属接点を接続しています。 蓋を取り外したMMI 5300 PROM。ダイが露出しています。 チップ内部 以下の図は、チップの主要部分とピンのラベルを示しています。 チップは1024ビットを256個の4ビットワードとして保存します。 8つのアドレスラインA0-A7が256ワードのいずれかを選択し、ビットはOut1-Out4ピンから出力されます。 プログラムピンは、ヒューズを焼き切ることによってチップにデータを保存するために使用されます。 Vccとグラウンドピンがチップに電力を供給します。 コンポーネントがラベル付けされた5300 PROMのダイ。 1024ビットのデータは、33×33のアレイ状のダイオードとヒューズに保存されています。 データアレイはチップの約4分の1しか占めていないことに注意してください。残りのチップはサポート回路を保持しています。 データアレイの下にあるアドレスデコード回路は、アドレスラインを使用してアレイ内の32列のいずれかを選択します。 右側では、DTLマルチプレクサが32行の出力を4つの望ましい出力に削減しました。 出力ドライバはこれらの信号を増幅し、出力ピンに送信しました。 ヒューズ チップは小さなヒューズにデータを保存していました。 intact なヒューズは1を表し、焼き切れたヒューズは0を表しました。 したがって、チップはすべて1で出荷され、ユーザーは0ビットが必要な場所にヒューズを焼き切ることによってチップをプログラムしました。 ヒューズは、高電圧下で加熱されて溶ける、微細なニクロム金属領域から製造されました。（ニクロムは、典型的な金属よりもはるかに高い抵抗を持つニッケルクロム合金であり、加熱の原因となります。トースターなどの用途で一般的に使用されています。） データを保存するヒューズ（紫色）のクローズアップ。 inset の円は、焼き切れたヒューズを示す小さな水平の亀裂を示しています。 ヒューズは上記のダイ写真で見ることができます。それらは金属配線の間の紫色の領域です。 ヒューズは非常に小さく、長さは約8µmです。 焼き切れたヒューズは完全に蒸発すると思っていましたが、実際には約700nm幅の小さな亀裂を含んでいました。（これは赤色光の波長なので、顕微鏡下でかろうじて見える亀裂です。） アドレスデコーディング PROMは1024ビットを256ワード×4ビットとして保存しました。 しかし、ビットは物理的に33×33のグリッドに配置されています。なぜなら、正方形のメモリグリッドは、非常に長方形のグリッドよりも効率的だからです。 メモリにアクセスするために、アドレスビットA3-A7が32列のいずれかを選択します。 選択された列の32ビットは、右側のマルチプレクサを通過します。これは、アドレスビットA0-A2に基づいて、8つのグループから1ビットを選択します。 選択された4ビットが4つの出力になります。 したがって、アドレッシングには2つの部分があります。1つは列を選択するため、もう1つは4つの出力ビットを選択するためです。そして、それらは別々の回路を持っています。 列選択は、マルチエミッタトランジスタで実装された32個のNANDゲートを使用します。 （トランジスタのN型およびP型シリコン領域は、長方形のボックスとして表示され、上部の茶色の金属層が領域を接続しています。） 各NANDゲートは、アドレスビットA3-A7の異なる組み合わせ（反転または非反転）を持っており、それぞれのアドレスが異なるNANDゲートをアクティブにし、関連する列を選択します。 エミッタでのバイナリカウントが見えます。 A7'とA7ラインは、列ごとに交互に接続されます。 A6'/A6接続は2列ごとに交互になり、A5'/A5は4列ごとに交互になる、といった具合です。 列アドレスデコーダの一部。 各（垂直）トランジスタは、特定のアドレスをデコードしました。これは、どの Сアドレスラインがエミッタに接続されているかによって決まります。 合計で32列ありました。 データアレイは、各ビットのダイオードとヒューズで構成されています。（ダイオードがないと、ビットはすべてショートされてしまいます。） ヒューズが存在する場合、選択された列のロー信号は、ダイオードを介して対応する行をローにプルします（1を示します）。 ヒューズが焼き切れている場合、行はハイのままになります（0を示します）。 したがって、ヒューズを焼き切ることによって、ビットはメモリ配列にプログラムされます。 ダイオード自体は、下の金属層の下にほとんど隠れています。 列選択ラインは、金属層の下のシリコン内で垂直に実行されます。上の金属ストライプは抵抗を低減します。 メモリ配列内の12ビット。 各ビットは、列選択ラインと行ラインの間にダイオードとヒューズを持っています。 プログラミング PROMをプログラムするために、ユーザーは慎重に制御された高電圧パルスを使用して、必要なヒューズを1つずつ溶かしました。 目的のアドレスを選択した後、プログラミングピンに27ボルトが印加されました（通常の5V TTLレベルよりもはるかに高い電圧）。 慎重にタイミングを取った後、目的の出力はヒューズを焼き切るために数マイクロ秒間20ボルトに引き上げられました。（ヒューズがチップの他の部分を損傷することなく焼き切れるように、タイミングと電圧は正確である必要がありました。） このプロセスは、目的の0ビットごとに繰り返されました。 顧客は、以下に示すようなPROMプログラマを使用して、これらの操作を自動的に実行しました。 Data I/O PROMプログラマ。 さまざまなサイズのチップを保持するためのさまざまなサイズのソケット（ターコイズ色）がありました。 このプログラマは、約6000ドルでした。 写真：Michael Holley。 ほとんどの場合、ヒューズの読み取りとヒューズの焼き切りは同じ回路を使用しました。違いは出力ピン回路で、プログラミングモードに応じて、ビットを出力するか、ヒューズを焼き切るために大電流をシンクするかを選択できました。 プログラミングパスに沿ったトランジスタは、より大きな電流を処理するために、通常のトランジスタよりも大きかったです。 例えば、以下の図は、マルチプレクサのNPNトランジスタと、チップ上の典型的なNPNトランジスタを比較しています。 また、マルチプレクサ内の8つのトランジスタは単一のコレクタ（マルチプレクサ出力）を共有していることにも注意してください。 マルチプレクサ内の8つのトランジスタ（左）と典型的なNPNトランジスタ（右）の比較。 この写真では金属層が除去されています。 残った酸化膜がトランジスタに色付きの外観を与えています。 N型ドーピングされたシリコンは暗く見えます。 テスト このチップを調べる前に、メーカーがPROMをテストするのがどれほど難しいか考えていませんでした。 ほとんどのチップは出荷前に広範囲にテストできますが、不可逆的にチップをプログラムせずにPROMヒューズをテストすることはできません。 アドレスデコードロジックのテストさえ困難です。チップはすべて1で製造されているため、アドレス回路が壊れていても同じ結果を読み取ることになります。 チップには、テスト用の追加の行と列のヒューズが含まれていました。 テストをサポートするために、チップには追加の行と列のヒューズが含まれています。 その結果、ストレージグリッドは33×33になり、予想される32×32グリッドではありません。 テストヒューズの半分が欠落していたため、正しいパターンを読み取る...