片上系统(SOC，System on Chip)是一种基于IP(Intellectual Property)复用的芯片设计技术，通常包括逻辑核、嵌入式存储器核、模拟核。嵌入式存储器核可分为易失性和非易失性(NVM，Non-Volatile Memory)两种。由于非易失性存储器核访问速度越来越快、成本越来越低，目前已被广泛应用于RFID(Radio Frequency Identification)、模拟电路校准、数字固件与密钥信息存储、SRAM/DRAM(Static/Dynamic Random Access Memory)等存储器的冗余设计中。传统NVM单元基于两层多晶硅浮栅器件，制造工艺与标准CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺相比需要增加额外的掩膜板和工艺步骤，不仅工艺复杂、制造成本高，不利于系统芯片集成;而且工艺难以随着CMOS工艺节点的缩小而缩小，一般不适用于基于55 nm以下工艺的SOC芯片。　　本文主要研究了基于标准CMOS工艺的嵌入式非易失性逻辑存储器(LNVM，LogicNVM)IP核，包括反熔丝一次可编程(OTP, One-Time Programmable)存储器和逻辑多次可编程(LMTP, Logic Multi-Time Programmable)存储器。LNVM单元基于标准CMOS器件，制造工艺不需要增加额外的掩膜板和工艺步骤，能有效降低工艺成本和缩短产品上市时间;与基于复杂浮栅工艺的传统NVM相比，也可以获得更高的芯片良率。本文以实际工程项目为依托，对非易失性逻辑OTP/MTP存储器单元结构、外围电路设计、以及IP核在不同芯片中的应用进行了研究，并流片验证。主要工作包括:　　1.研究了反熔丝栅氧化层器件编程击穿特性与器件沟道宽度、击穿电压、编程时间和编程限制电流的关系。通过比较编程后读电流大小，并根据OTP存储器IP核的具体应用限制，确定了栅氧化层厚度26(A)、沟道宽度1 um的OTP存储单元的最佳编程条件。针对初始2NMOSs存储单元编程一致性导致的良率低和读操作数据跳变问题，在不增加存储单元面积的前提下，提出了基于叉指存储管的改进存储单元设计方案。基于Silterra0.13 umCMOS工艺流片，测试结果显示:改进之后存储单元1次编程成功率从92％提高到99.8％，1次编程失败的单元经过重复编程数据都能被写入，且经过250℃高温bake48小时后没有出现可靠性问题，编程之后读电流也不存在尾电流分布特性。　　2.提出了新2P1N(two PMOSs and one NMOS)型LMTP存储单元。与工业界使用的5P(five PMOSs)型单元相比，2P1N型单元将隧穿管和存储管合并成1个PMOS管，读选择PMOS管换成了NMOS管，版图布局时NMOS管可以放在不同PMOS管N阱之间，存储单元总面积缩小了21％。研究了新2P1N型存储单元阈值电压变化与编程/擦除电压大小和时间的关系，得出最佳编程/擦除条件。基于最佳条件编程/擦除后，提取的阈值电压窗口大于2V，大于其它多种LMTP存储单元的测试结果。　　3.研究了3种锁存器型灵敏放大器的设计。首先介绍了基于锁存器的NMOS型灵敏放大器，详细推导了其延时和良率的理论模型，依据理论模型给出具体设计参数并对比了仿真与测试结果。为解决电源电压降低导致读电流下降的问题，本文又提出了PMOS型灵敏放大器，并给出灵敏度测试结果。最后介绍了应用于LMTP存储器的低功耗灵敏放大器电路，放大器工作时没有静态电流，但是容易受周围寄生电容的影响，本文提出了以牺牲小段时间（20 ns左右）静态电流换取良率的折中解决方法。　　4.研究了2种电荷泵电路的设计。应用于OTP存储器的电荷泵电路为新CMOS型结构，与传统CMOS型电荷泵相比，仿真结果显示电压增益和功耗效率得到很大提升。为解决LMTP存储单元编程电压过高导致新CMOS型电荷泵中NMOS管结漏电的问题，本文又提出基于2VDD摆幅时钟的全PMOS型电荷泵结构，并设计了新的2VDD摆幅时钟产生电路，与传统的2VDD摆幅时钟产生电路相比，能应用于更低电源电压的条件。　　5.基于不同制造工艺以及应用，设计了多款OTP/LMTP存储器IP核，并流片验证。对于应用于高频RFID标签芯片的4 Kbits OTP存储器核，进行了读写功耗和时间的优化;对于应用于LCD Driver芯片的4款不同OTP IP核，验证了在较大电源电压和参考电流波动范围条件下读操作良率均为100％。此外，本文还基于反熔丝OTP存储阵列设计了可编程的译码器用于DRAM位冗余修复系统。相比于传统DRAM位冗余修复系统，基于本文提出的可编程译码器的位冗余修复系统访问延时被有效减小。最后介绍了应用于UHF(Ultra High Frequency)电子标签的256 bits LMTP存储器核的设计，重点论述了写操作流程和读验证设计思路。