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瑞薩電子宣佈成功開發全球首創「鰭狀MONOS快閃記憶體單元」

2017/01/11 | 科技走廊 | 程鏡明

先進半導體解決方案之頂尖供應商瑞薩電子(TSE:6723)宣佈成功開發全球首創採用鰭狀電晶體的分離閘金屬氧氮氧矽(SG-MONOS,註2)快閃記憶體單元,適用於電路線寬僅16至14奈米(nm)或更精細的微控制器(MCU)製程,且其中晶片內建快閃記憶體。SG-MONOS技術為汽車應用提供高度可靠性,同時瑞薩目前也運用此技術來量產40奈米MCU,並且正在開發28奈米MCU。此次成功開發展現SG-MONOS技術擴展至16/14奈米及以上製程的可能性。

汽車自動化方面的進展,例如先進駕駛輔助系統(ADAS),以及透過物聯網(IoT)連結的智慧型社會,創造了更先進MCU的需求,並採用更精密製程技術生產。為滿足此需求,繼最新的40/28奈米產品之後,瑞薩已開發以16/14奈米技術為基礎的嵌入式快閃記憶體。在16/14奈米邏輯製程中,通常採用具有鰭狀結構的鰭式場效電晶體(FinFET),以實現更高的效能並降低功耗,克服傳統平面電晶體的擴充限制。

但是,依照快閃記憶體的結構,在嵌入式快閃記憶體中採用鰭狀結構可能會成為一大挑戰。目前已提出並實作的嵌入式快閃記憶體類型有兩種:浮閘式與電荷擷取式。相較於浮閘式記憶體,瑞薩近年來採用的電荷擷取式快閃記憶體具有優異的電荷保留特性,並且在需要高可靠性的汽車MCU中已有優良的使用記錄。另外,由於記憶體功能性材質形成於矽基板的表面,因此延展至三維鰭狀結構相對容易。相比之下,浮閘式快閃記憶體單元的結構複雜,因此不容易整合至鰭狀結構。

SG-MONOS優於浮閘式結構的另一項優勢是,以金屬閘電極替代多晶矽閘電極之後,仍可維持記憶體單元結構,此程序也用於製造搭載高介電閘極絕緣體及金屬閘電極的先進邏輯CMOS元件。

瑞薩開發出高擴充性的鰭狀結構SG-MONOS快閃記憶體,為全球首創,此產品適用於需要16/14奈米及以上製程節點的高效能、高可靠性MCU。

新開發嵌入式快閃記憶體技術的主要特色:
(1) 確認鰭狀結構可提升記憶體運作及電晶體特性
瑞薩已證實新開發的鰭狀結構SG-MONOS記憶體,在寫入/抹除期間的電壓閥值變化以及寫入/抹除的速度,皆維持在預期範圍內。採用鰭狀結構的電晶體中,由於閘極包圍通道,因此可維持較大的驅動電流,即便為了提高整合度而大幅減少活性區域,依然維持良好表現。此外,藉由提升閘極控制能力,閥值電壓變異性已顯著改善。上述結果顯示鰭狀結構SG-MONOS記憶體單元的優異特性,在200 MHz以上頻率中實現高速隨機存取的讀取性能,可滿足新一代快閃記憶體需求,同時大幅提升晶片內建記憶體容量。

(2) 藉由鰭狀結構,開發能夠減緩效能劣化的寫入方式
使用鰭結構時,由於鰭狀尖端 電場增強,元件的特性可能會隨著時間產生些許衰退或劣化。上述電場增強在程式操作開始與結束時最為顯著,因此瑞薩工程師研究了「步進脈衝」的寫入方法,使其電壓從較低層級逐步升高至較高層級。此項技術已宣佈用於平面結構的記憶體,而在鰭狀結構記憶體中,已證明此技術能夠減少鰭狀尖端電場的增強情況。目前已確認此技術能夠有效減緩鰭狀結構SG-MONOS記憶體單元隨時間的退化,並且用於儲存資料的快閃記憶體中,已達到25萬次寫入/抹除週期。

(3) 維持同等高溫資料保存特性
鰭狀結構可達到電荷擷取式MONOS快閃記憶體的優異電荷保留特性,資料保存期間可達到十年或超過25萬次寫入/抹除週期,此特性對於汽車應用而言十分重要,如此的可靠性與過去的記憶體類型相當。

上述結果顯示SG-MONOS快閃記憶體可輕易整合至16/14奈米及以上的先進鰭狀結構邏輯製程,採用高介電閘極絕緣體與金屬閘電極,可達到100MB等級的大容量晶片內建記憶體,並達成高可靠性MCU,其效能為28奈米裝置處理效能的四倍以上。瑞薩將繼續確認以此技術為基礎的大容量快閃記憶體運作情形,並將在2023年左右展開實際的開發工作。
 
瑞薩希望能開發嵌入式裝置所需的高效能、高可靠性大容量快閃記憶體,不僅包含28奈米製程,同時包括16/14奈米以上製程,持續致力於汽車領域的進展並實現智慧型社會。