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瑞薩電子開發90奈米單電晶體MONOS快閃記憶體技術提升汽車控制系統智慧

本文作者：瑞薩電子點擊： 2016-02-25 18:17

前言：

於高溫環境達到一億次程式/抹除週期且重寫電力僅需0.07 mJ/8 KB，為業界首創

2016年2月25日--先進半導體解決方案之頂尖供應商瑞薩電子(TSE：6723)宣佈開發90奈米(nm)單電晶體MONOS (註1) (1T-MONOS)快閃記憶體技術，可結合各種製程如CMOS與雙極CMOS DMOS (BiCDMOS)，並提供高程式/抹除(P/E)耐受性及低重寫耗電量。瑞薩預期此全新快閃記憶體電路技術，將能使快閃記憶體加入至汽車類比裝置，並具備更高的效能與可靠性。此優異的電路技術在業界首創於高溫175°C接面溫度(Tj)下達成一億次以上的P/E耐受度(註2)，同時提供極低的重寫耗電量，僅有0.07 mJ/8 KB (毫焦耳，即千分之一焦耳)，達到低耗電功能。

近年來，市場除了要求汽車提升燃油效率之外，也希望汽車能提供更寬敞的車內空間與舒適感，因此每部汽車所使用的電子控制單元(ECU)亦隨之增加。隨著汽車控制系統愈趨精密且控制功能愈趨複雜，讓ECU更輕、更具能源效率及尺寸更小已成為重要的議題。尤其散熱器、水幫浦、汽車空調系統等裝置使用許多小型馬達，因此產生了整合ECU及機電元件一體化的需求(註3)。

由於目前尚無法在不改變基本製程的情況下，將快閃記憶體加入至小型馬達裡那些控制高電壓(HV)驅動器的汽車類比與電力元件中，因此通常藉由整合eFUSE (註4)技術或利用外部EEPROM晶片，因應記憶體儲存調校資料，以最佳化類比電路效能的需求。此全新開發的快閃記憶體技術可抑制額外的製程成本，同時以簡單的方式將快閃記憶體加入汽車類比與電力元件中。這表示用於連接感測器與馬達的類比電路，將可採用混合微控制器(MCU)邏輯與以此新技術為基礎的快閃記憶體。如此將可能大幅減少馬達控制系統所使用的晶片數量，同時有助於縮小尺寸、減輕重量並提升電源效率。此全新技術將協助促進ECU整合及機電元件一體化，並有助於實現高燃油效率的汽車，不僅燃油效率更高，車內空間也更寬敞舒適。

另外，此全新快閃記憶體技術可達超過一億次P/E週期，因此非常適合實際應用，例如利用高頻率取樣進行自動校準或記錄狀態。如此將可為汽車控制帶來更高的精確性，並有助於提升燃油經濟性。

新開發快閃記憶體技術的主要特色：
(1)記憶體架構開發結合FN隧道以提供P/E運作與高可靠性

僅需較少追加遮罩層即可混合製程的單電晶體記憶體單元，必須在讀取運作階段將正電壓施加於記憶體單元選擇閘極。同時，需要較薄的電荷設陷薄膜，才能在P/E運作時達到高能源效率的Fowler-Nordheim (FN)隧道。上述兩者在典型汽車應用的高溫情況下皆容易導致可靠性降低。為解決此問題，瑞薩結合單電晶體快閃記憶體技術與新開發的陣列架構技術，在讀取作業時無需提供正電壓，故可避免可靠性在高溫時降低，確保汽車產品最重視的品質。另外，新開發的單電晶體快閃記憶體技術可降低P/E運作的耗電量。

(2)開發可在P/E運作期間弱化電場的技術

由於汽車類比元件效能持續提升，單晶片與MCU趨向整合，應用範圍從類比電路調校擴展到自動裝配或資料記錄等功能，因此市場預期快閃記憶體應具備更高的P/E耐受性，此需求將持續增加。新開發的自適應坡度脈衝控制(ASPC)技術可產生更滑順的重寫脈衝，以弱化會導致記憶體單元特性劣化的電場，將P/E耐受度大幅提升至一億次以上。

(3)能源效率P/E電流技術的開發

新開發的技術在套用重寫脈衝時使用ASPC，並在套用脈衝時監測電流值，同時自動切換為最佳化的時脈頻率。如此可將P/E運作時的電流消耗量降低至僅98 μA (微安培，即百萬分之一安培)，換算成重寫耗電量為0.07 mJ/8 KB。

(4)有助於降低環保汽車系統的耗電量

當汽車的怠速熄火系統使引擎停止運轉時，新開發的怠速程式抹除管理單元(IPEMU)功能可讓快閃記憶體自行控制重寫動作。如此可使負責啟動快閃記憶體控制功能的CPU與SRAM停止運作，藉此降低怠速狀態時99%的耗電量。

藉由採用上述技術，瑞薩已開發128 KB快閃記憶體原型，採用90奈米1T-MONOS快閃記憶體，成功達成業界首創超過一億次的P/E耐受度，以及98μA的超低重寫電流。此重寫電流比過去的紀錄減少兩個數量級，因此可達到僅0.07 mJ/8 KB的重寫耗電量。輕鬆將快閃記憶體加入至採用各種製程的元件中的能力，加上低耗電量，預期將可擴大物聯網可能的應用範圍。

瑞薩於2016年1月31至2月4日在舊金山舉辦的國際固態電路研討會(ISSCC)中發表上述技術，發表日期為2月2日。

(註1)瑞薩超過20年持續使用MONOS (金屬氧化氮氧化矽)做為半導體材料，生產EEPROM產品與安全MCU，並將多年來累積的MONOS技術運用於該公司MCU的晶片內建快閃記憶體。瑞薩亦在MONOS快閃記憶體中採用獨家的電晶體組態配置。

(註2)縮寫字Tj是指晶片的接面溫度。

(註3)機電元件一體化包括將機械零組件與電子迴路整合為單一單元，使體積更小，能源效率更提升。

(註4) eFUSE為非揮發性記憶體類型(一次性可程式唯讀記憶體：OTP)，可利用CMOS製程進行生產。

關於瑞薩電子

瑞薩電子株式會社(TSE:6723)為全球第一的微控制器供應商，同時也是SoC系統晶片與各式類比及電源裝置等先進半導體解決方案的領導品牌之一。經由NEC電子(TSE:6723)與瑞薩科技的業務整合，瑞薩電子自2010年4月1日起正式營運，業務範圍則涵蓋了各種應用裝置的研發、設計與生產。總部位於日本的瑞薩電子，子公司遍及全球20個國家，如欲了解更多資訊，請造訪www.tw.renesas.com。

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