Развитие автомобильной автоматизации, например, передовых систем помощи водителю (ADAS) и интеллектуального общества, объединенного Интернетом вещей (IoT), создало спрос на более совершенные микроконтроллеры, производимые с использованием более тонких технологических процессов. Для удовлетворения этого спроса компания Renesas разработала встроенную флэш-память на основе 16/14-нм технологии, которая успешно используется и в новейших 40/28-нм технологиях. В 16/14-нм логическом процессе широко используются FinFET (Fin Field Effect Transistors) — транзисторы с ребристой структурой, позволяющие улучшить производительность и снизить энергопотребление за счет преодоления масштабируемости обычных планарных транзисторов.
Однако использование ребристой структуры для встроенной флэш-памяти может быть довольно сложной задачей в зависимости от структуры самой флэш-памяти. Были предложены и реализованы два типа встроенной флэш-памяти: с плавающим затвором и с ловушкой заряда. По сравнению с памятью с плавающим затвором, флэш-память с ловушкой заряда, которую компания Renesas использует в последние годы, обладает превосходными характеристиками сохранения заряда и зарекомендовала себя в автомобильных микроконтроллерах, требующих высокого уровня надежности. Кроме того, поскольку функциональный запоминающий материал формируется на поверхности кремниевой подложки, его относительно легко расширить до трехмерной ребристой структуры. В отличие от этого, ячейки флэш-памяти с плавающим затвором имеют сложную структуру, что затрудняет их интеграцию в ребристую структуру.
Еще одно преимущество SG-MONOS по сравнению со структурой «с плавающей запятой» заключается в том, что структура ячейки памяти сохраняется после замены фиктивного поликремниевого затворного электрода на металлический затворный электрод, что является процессом, используемым при производстве современных логических КМОП-устройств с высокодиэлектрическими затворными изоляторами и металлическими затворными электродами.
Основные особенности новой технологии встроенной флэш-памяти:
1) Подтверждено улучшение характеристик памяти и транзисторов благодаря структуре ребер
Компания Renesas подтвердила, что изменение порогового напряжения во время программирования/стирания и скорость программирования/стирания новых ячеек памяти SG-MONOS с ребристой структурой находятся в пределах ожидаемых диапазонов. В транзисторах с ребристой структурой затвор охватывает канал, что позволяет поддерживать большой ток управления даже при существенном уменьшении площади активной области для повышения уровня интеграции. Кроме того, за счет улучшенного управления затвором было достигнуто значительное улучшение вариабельности порогового напряжения. Эти результаты показывают, что ячейки памяти SG-MONOS с ребристой структурой обладают многообещающими характеристиками, которые способствуют достижению высокоскоростного произвольного чтения на частотах, превышающих 200 МГц, необходимых для флэш-памяти следующего поколения, а также значительному увеличению емкости памяти на кристалле.
2) Разработка метода программирования, позволяющего снизить снижение производительности из-за особенностей конструкции ребер
При использовании ребристой структуры со временем может происходить некоторое ухудшение характеристик устройства из-за усиления электрического поля на кончиках ребер. Это усиление электрического поля наиболее заметно при запуске и сразу после операций программирования. Поэтому инженеры Renesas изучили возможность применения метода программирования «ступенчатым импульсом», при котором напряжение программирования постепенно увеличивается от более низкого уровня к более высокому. Эта технология уже была анонсирована как используемая для памяти с планарной структурой; однако в памяти с ребристой структурой она оказалась особенно эффективной в смягчении усиления электрического поля на кончиках ребер. Ее эффективность в снижении деградации со временем в ячейках памяти с ребристой структурой SG-MONOS была подтверждена, и в флэш-памяти для хранения данных было достигнуто 250 000 циклов программирования/стирания.
3) Сохранение эквивалентного срока хранения данных при высоких температурах:
структура ребер соответствует превосходным характеристикам сохранения заряда, которые являются отличительной чертой флэш-памяти MONOS с «ловушкой заряда». Срок хранения данных, что крайне важно в автомобильной промышленности, составляет десять лет и более после 250 000 циклов программирования/стирания. Это тот же уровень надежности, что и у предыдущих типов памяти.
Описанные выше результаты показывают, что флэш-память SG-MONOS может быть легко интегрирована с современным технологическим процессом логики с реберной структурой, в котором используются высокодиэлектрические затворные изоляторы и металлические затворные электроды на 16/14 нм и более поздних технологических узлах, что позволяет создавать массивные микросхемы памяти объемом до 100 МБ и обеспечивает возможность создания высоконадежных микроконтроллеров с производительностью, более чем в четыре раза превышающей производительность 28-нм устройств. Renesas продолжит подтверждать функциональность высокоемкой флэш-памяти на основе этой технологии и продолжит разработку с целью практического применения примерно в 2023 году.
