I progressi nell'automazione automobilistica, come i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e la società intelligente connessa tramite l'Internet delle cose (IoT), hanno creato una domanda di microcontrollori (MCU) più avanzati, realizzati con tecnologie di processo più precise. Per soddisfare questa esigenza, Renesas ha sviluppato memorie flash integrate basate sulla tecnologia a 16/14 nm, che si è dimostrata efficace anche con le più recenti tecnologie a 40/28 nm. Nel processo logico a 16/14 nm, i FinFET (Fin Field Effect Transistor), transistor con struttura a alette, sono comunemente utilizzati per ottenere prestazioni migliori e un consumo energetico ridotto, superando i limiti di miniaturizzazione dei transistor planari convenzionali.
Tuttavia, l'impiego di una struttura a alette per la memoria flash integrata può risultare piuttosto complesso a seconda della struttura stessa della memoria flash. Sono stati proposti e implementati due tipi di memoria flash integrata: a gate flottante e a trappola di carica. Rispetto alla memoria a gate flottante, la memoria flash a trappola di carica utilizzata da Renesas negli ultimi anni presenta caratteristiche di ritenzione di carica superiori e una comprovata affidabilità nei microcontrollori per il settore automobilistico, che richiedono un elevato livello di affidabilità. Inoltre, poiché il materiale funzionale della memoria è formato sulla superficie del substrato di silicio, è relativamente facile estenderlo in una struttura a alette tridimensionale. Al contrario, le celle di memoria flash a gate flottante hanno una struttura complessa, che ne rende difficile l'integrazione in una struttura a alette.
Un altro vantaggio di SG-MONOS rispetto alla struttura a "punto flottante" è che la struttura della cella di memoria viene mantenuta anche dopo la sostituzione dell'elettrodo di gate fittizio in polisilicio con l'elettrodo di gate metallico, processo utilizzato per la produzione di dispositivi CMOS logici avanzati con isolanti di gate ad alta costante dielettrica ed elettrodi di gate metallici.
Caratteristiche principali della nuova tecnologia di memoria flash integrata:
1) Miglioramento confermato delle prestazioni della memoria e delle caratteristiche del transistor grazie alla struttura a alette
Renesas ha confermato che la variazione della tensione di soglia durante la programmazione/cancellazione e la velocità di programmazione/cancellazione delle nuove celle di memoria a alette SG-MONOS rientrano nei limiti previsti. Nei transistor che utilizzano una struttura a alette, il gate racchiude il canale, consentendo di mantenere un'elevata corrente di pilotaggio anche quando l'ingombro dell'area attiva è sostanzialmente ridotto per aumentare l'integrazione. Inoltre, è stato ottenuto un significativo miglioramento nella variabilità della tensione di soglia grazie a un controllo del gate ottimizzato. Questi risultati indicano che le celle di memoria a alette SG-MONOS presentano caratteristiche promettenti che contribuiscono al raggiungimento delle elevate velocità di lettura ad accesso casuale a frequenze superiori a 200 MHz richieste per le memorie flash di prossima generazione, nonché a un notevole aumento della capacità di memoria on-chip.
2) Sviluppo di un metodo di programmazione che riduca il degrado delle prestazioni dovuto alla struttura delle alette
Quando si utilizza una struttura a alette, nel tempo possono verificarsi un certo degrado o deterioramento delle caratteristiche del dispositivo a causa dell'intensificazione del campo elettrico in corrispondenza delle punte delle alette. Tale intensificazione del campo elettrico è più evidente all'avvio e immediatamente dopo le operazioni di programmazione. Pertanto, gli ingegneri di Renesas hanno studiato la fattibilità di un metodo di programmazione a "impulso graduale", in cui la tensione di programmazione viene aumentata progressivamente da un livello inferiore a uno superiore. Questa tecnologia è già stata annunciata come adottata per le memorie con struttura planare; tuttavia, nelle memorie con struttura a alette, si è dimostrata particolarmente efficace nel mitigare l'intensificazione del campo elettrico in corrispondenza delle punte delle alette. La sua efficacia nel ridurre il degrado nel tempo nelle celle di memoria con struttura a alette SG-MONOS è stata confermata e sono stati raggiunti 250.000 cicli di programmazione/cancellazione nelle memorie flash per l'archiviazione dei dati.
3) Mantenimento di una ritenzione dei dati equivalente ad alte temperature:
la struttura a alette si adatta alle eccellenti caratteristiche di ritenzione della carica che contraddistinguono la memoria flash "a trappola di carica" MONOS. La durata di conservazione dei dati, essenziale nelle applicazioni automotive, è di dieci anni o più dopo 250.000 cicli di programmazione/cancellazione. Questo è lo stesso livello di affidabilità riscontrato nei precedenti tipi di memoria.
I risultati sopra descritti indicano che la memoria flash SG-MONOS può essere facilmente integrata con un processo logico a struttura a alette all'avanguardia, che utilizza isolanti di gate ad alta costante dielettrica ed elettrodi di gate metallici a nodi da 16/14 nm e oltre, consentendo enormi capacità di memoria on-chip nell'ordine dei 100 MB e rendendo possibili MCU altamente affidabili con prestazioni di elaborazione oltre quattro volte superiori rispetto ai dispositivi a 28 nm. Renesas continuerà a confermare la funzionalità della memoria flash ad alta capacità basata su questa tecnologia e proseguirà con il lavoro di sviluppo in vista di un'applicazione pratica intorno al 2023.
