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瑞萨电子为16/14纳米及以上工艺节点的MCU开发出全球首款鳍状MONOS闪存单元

瑞萨电子株式会社宣布成功开发出全球首款(注1)分离闸金属氧化氮氧化硅(SG-MONOS,注2)闪存单元,该单元采用鳍状晶体管,用于配有电路线宽为16至14纳米(nm)或更细的片上闪存的微控制器(MCU)。SG-MONOS技术能够可靠应用于汽车应用,瑞萨电子目前正在采用该技术量产40纳米的MCU,28纳米的MCU也正在研发过程中。这一成功开发表明SG-MONOS技术对16/14纳米及以上的制程节点具有优异的可扩展性。

随着高级辅助驾驶系统(ADAS)等汽车自动化方面的进步以及物联网(IoT)连接的智能社会的发展,产生了使用更精细制程技术装配先进MCU的需求。为满足这一需求,瑞萨电子开发了基于16/14纳米技术的嵌入式闪存,成功替代了目前最新的40/28纳米技术。在16/14纳米逻辑制程中,一种采用鳍状结构的晶体管——鳍式场效应晶体管(FinFET),被广泛用于提高性能和降低功耗,以克服传统平面晶体管的扩展限制。

然而,根据闪存结构不同,嵌入式闪存采用鳍状结构可能会面临一大挑战。目前提出和实现了两种类型的嵌入式闪存:浮栅和电荷撷取。与浮栅闪存相比,近年来瑞萨电子一直采用的电荷撷取闪存具有更好的电荷保持特性,且在对可靠性要求较高的汽车MCU中始终表现良好。此外,由于内存功能材料是在硅衬底表面形成的,因此相对而言容易延展形成三维鳍状结构。与之相比,浮栅闪存单元的结构复杂,因此很难将其整合到鳍状结构中。

相较于浮栅结构,SG-MONOS具有的另一项优势在于用金属栅电极替代伪多晶硅栅电极后,存储器单元结构仍然保持不变,该工艺还用于生产带有高介电栅极绝缘层和金属栅电极的先进逻辑CMOS设备。

瑞萨电子是全球首家成功开发出具有高扩展性鳍状结构SG-MONOS闪存的公司,该产品将用于16/14纳米及以上工艺节点的高性能和高可靠性MCU。

新开发的嵌入式闪存技术的关键特性:

(1) 鳍状结构使存储操作和晶体管特性得到显著提升

瑞萨电子证实,在编程/擦除过程中阈值电压的变化以及新开发的鳍状结构SG-MONOS存储单元的编程/清除速度均在预期范围以内。在采用鳍状结构的晶体管内,栅极会封闭通道,从而保持较大的驱动电流,即便为了增大集成度而显著缩小工作区的面积。此外,通过提高栅极的可控性,显著提高了阈值电压的可变性。以上结果表明,鳍状结构SG-MONOS存储单元具有优异的特性,能够以下一代闪存所要求的200MHz以上频率实现高速随机访问读取,同时还可以大幅提高片上存储容量。

(2) 开发出可缓解鳍状结构所致性能下降问题的编程方法

当使用鳍状结构时,由于电场在鳍尖有所增强,随着时间推移设备特性可能会出现一定退化或劣化。电场增强效果在编程操作开始时和完成后最为明显,因此瑞萨电子对“阶跃脉冲”编程法(将编程电压逐步升高)的可行性进行了研究。该技术过去被用于采用平面结构的内存,但目前证明,其在鳍状结构内存中对缓解鳍尖电场增强方面特别有效。经确认,对于长时间使用的鳍状结构SG-MONOS存储单元,该技术可以有效减少退化,而且在数据存储闪存中编程/擦除循环次数可以达到25万次。

(3) 提供相同的高温数据保持特性

鳍状结构非常适合电荷撷取MONOS闪存具有的优异电荷保持特性。对汽车应用非常重要的数据保持时间,经过25万次编程/擦除循环后仍可达到十年或更长时间。这一水平与早期内存达到的可靠性水平相同。

上述结果表明,通过使用16/14纳米节点和以上的高介电栅极绝缘层和金属栅电极,SG-MONOS闪存可以轻松集成到先进的鳍状结构逻辑制程中,从而在100兆字节(MB)范围内实现大容量芯片存储,同时还能带来高度可靠的MCU,其处理性能可以达到28纳米设备的四倍以上。瑞萨电子将继续确认基于该技术的大容量闪存的操作,并推进研发工作,力争在2023年左右投入实际使用。

瑞萨电子秉持对汽车行业不断创新和实现智能社会的承诺,计划继续开发用于28纳米节点、16/14纳米节点及以上嵌入式设备的高性能、高可靠性大容量闪存。

瑞萨电子将于12月6日在2016国际电子器件会议(IEDM 2016)上宣布新开发的嵌入式闪存技术的详细信息,该会议将于2016年12月5日至7日在美国旧金山召开。

(注1)截止至2016年12月7日。

(注2)MONOS表示金属氧化氮氧化硅。在其结构中,每个硅基上的晶体管(存储单元)都由氧化物、氮化物以及氧化物三层组成,且在顶部设有金属控制闸级。瑞萨电子在采用MONOS闪存技术制造智能卡芯片方面拥有二十多年经验。基于这一优异的成绩,瑞萨电子通过开发SG-MONOS分离闸(SG)结构成功扩展了这项技术。这种新型SG-MONOS闪存嵌入在瑞萨电子微控制器内,能够实现高可靠性、高速以及低功耗的功能。

责任编辑:陈炳欣


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