可將高密度嵌入式閃存嵌入最先進(jìn)的高性能邏輯制程
2016年12月7日，日本東京訊——全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子株式會(huì)社（TSE：6723）今日宣布成功開發(fā)出全球首款（注1）分離閘金屬氧化氮氧化硅（SG-MONOS，注2）閃存單元，該單元采用鰭狀晶體管，用于配有電路線寬為16至14納米（nm）或更細(xì)的片上閃存的微控制器（MCU）。SG-MONOS技術(shù)能夠可靠應(yīng)用于汽車應(yīng)用，瑞薩電子目前正在采用該技術(shù)量產(chǎn)40納米的MCU，28納米的MCU也正在研發(fā)過(guò)程中。這一成功開發(fā)表明SG-MONOS技術(shù)對(duì)16/14納米及以上的制程節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)異的可擴(kuò)展性。
隨著高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）等汽車自動(dòng)化方面的進(jìn)步以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接的智能社會(huì)的發(fā)展，產(chǎn)生了使用更精細(xì)制程技術(shù)裝配先進(jìn)MCU的需求。為滿足這一需求，瑞薩電子開發(fā)了基于16/14納米技術(shù)的嵌入式閃存，成功替代了目前最新的40/28納米技術(shù)。在16/14納米邏輯制程中，一種采用鰭狀結(jié)構(gòu)的晶體管——鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET），被廣泛用于提高性能和降低功耗，以克服傳統(tǒng)平面晶體管的擴(kuò)展限制。
然而，根據(jù)閃存結(jié)構(gòu)不同，嵌入式閃存采用鰭狀結(jié)構(gòu)可能會(huì)面臨一大挑戰(zhàn)。目前提出和實(shí)現(xiàn)了兩種類型的嵌入式閃存：浮柵和電荷擷取。與浮柵閃存相比，近年來(lái)瑞薩電子一直采用的電荷擷取閃存具有更好的電荷保持特性，且在對(duì)可靠性要求較高的汽車MCU中始終表現(xiàn)良好。此外，由于內(nèi)存功能材料是在硅襯底表面形成的，因此相對(duì)而言容易延展形成三維鰭狀結(jié)構(gòu)。與之相比，浮柵閃存單元的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此很難將其整合到鰭狀結(jié)構(gòu)中。
相較于浮柵結(jié)構(gòu)，SG-MONOS具有的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于用金屬柵電極替代偽多晶硅柵電極后，存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)仍然保持不變，該工藝還用于生產(chǎn)帶有高介電柵極絕緣層和金屬柵電極的先進(jìn)邏輯CMOS設(shè)備。
瑞薩電子是全球首家成功開發(fā)出具有高擴(kuò)展性鰭狀結(jié)構(gòu)SG-MONOS閃存的公司，該產(chǎn)品將用于16/14納米及以上工藝節(jié)點(diǎn)的高性能和高可靠性MCU。
新開發(fā)的嵌入式閃存技術(shù)的關(guān)鍵特性：
(1)鰭狀結(jié)構(gòu)使存儲(chǔ)操作和晶體管特性得到顯著提升
瑞薩電子證實(shí)，在編程/擦除過(guò)程中閾值電壓的變化以及新開發(fā)的鰭狀結(jié)構(gòu)SG-MONOS存儲(chǔ)單元的編程/清除速度均在預(yù)期范圍以內(nèi)。在采用鰭狀結(jié)構(gòu)的晶體管內(nèi)，柵極會(huì)封閉通道，從而保持較大的驅(qū)動(dòng)電流，即便為了增大集成度而顯著縮小工作區(qū)的面積。此外，通過(guò)提高柵極的可控性，顯著提高了閾值電壓的可變性。以上結(jié)果表明，鰭狀結(jié)構(gòu)SG-MONOS存儲(chǔ)單元具有優(yōu)異的特性，能夠以下一代閃存所要求的200MHz以上頻率實(shí)現(xiàn)高速隨機(jī)訪問(wèn)讀取，同時(shí)還可以大幅提高片上存儲(chǔ)容量。
(2)開發(fā)出可緩解鰭狀結(jié)構(gòu)所致性能下降問(wèn)題的編程方法
當(dāng)使用鰭狀結(jié)構(gòu)時(shí)，由于電場(chǎng)在鰭尖有所增強(qiáng)，隨著時(shí)間推移設(shè)備特性可能會(huì)出現(xiàn)一定退化或劣化。電場(chǎng)增強(qiáng)效果在編程操作開始時(shí)和完成后最為明顯，因此瑞薩電子對(duì)“階躍脈沖”編程法（將編程電壓逐步升高）的可行性進(jìn)行了研究。該技術(shù)過(guò)去被用于采用平面結(jié)構(gòu)的內(nèi)存，但目前證明，其在鰭狀結(jié)構(gòu)內(nèi)存中對(duì)緩解鰭尖電場(chǎng)增強(qiáng)方面特別有效。經(jīng)確認(rèn)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間使用的鰭狀結(jié)構(gòu)SG-MONOS存儲(chǔ)單元，該技術(shù)可以有效減少退化，而且在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)閃存中編程/擦除循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到25萬(wàn)次。
(3)提供相同的高溫?cái)?shù)據(jù)保持特性？
鰭狀結(jié)構(gòu)非常適合電荷擷取MONOS閃存具有的優(yōu)異電荷保持特性。對(duì)汽車應(yīng)用非常重要的數(shù)據(jù)保持時(shí)間，經(jīng)過(guò)25萬(wàn)次編程/擦除循環(huán)后仍可達(dá)到十年或更長(zhǎng)時(shí)間。這一水平與早期內(nèi)存達(dá)到的可靠性水平相同。
上述結(jié)果表明，通過(guò)使用16/14納米節(jié)點(diǎn)和以上的高介電柵極絕緣層和金屬柵電極，SG-MONOS閃存可以輕松集成到先進(jìn)的鰭狀結(jié)構(gòu)邏輯制程過(guò)程中，從而在100兆字節(jié)（MB）范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大容量芯片存儲(chǔ)，同時(shí)還能帶來(lái)高度可靠的MCU，其處理性能可以達(dá)到28納米設(shè)備的四倍以上。瑞薩電子將繼續(xù)確認(rèn)基于該技術(shù)的大容量閃存的操作，并推進(jìn)研發(fā)工作，力爭(zhēng)在2023年左右投入實(shí)際使用。
瑞薩電子秉持對(duì)汽車行業(yè)不斷創(chuàng)新和實(shí)現(xiàn)智能社會(huì)的承諾，計(jì)劃繼續(xù)開發(fā)用于28納米節(jié)點(diǎn)、16/14納米節(jié)點(diǎn)及以上嵌入式設(shè)備的高性能、高可靠性大容量閃存。
瑞薩電子將于12月6日在2016國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM 2016）上宣布新開發(fā)的嵌入式閃存技術(shù)的詳細(xì)信息，該會(huì)議將于2016年12月5日至7日在美國(guó)舊金山召開。
（注1）截止至2016年12月7日。
（注2）MONOS表示金屬氧化氮氧化硅。在其結(jié)構(gòu)中，每個(gè)硅基上的晶體管（存儲(chǔ)單元）都由氧化物、氮化物以及氧化物三層組成，且在頂部設(shè)有金屬控制閘級(jí)。瑞薩電子在采用MONOS閃存技術(shù)制造智能卡芯片方面擁有二十多年經(jīng)驗(yàn)。基于這一優(yōu)異的成績(jī)，瑞薩電子通過(guò)開發(fā)SG-MONOS分離閘（SG）結(jié)構(gòu)成功擴(kuò)展了這項(xiàng)技術(shù)。這種新型SG-MONOS閃存嵌入在瑞薩電子微控制器內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性、高速以及低功耗的功能。