瑞薩電子成功開發「鰭狀MONOS快閃記憶體單元」，適用於16/14奈米以上製程節點的高效能、高可靠性微控制器
前言：
實現高密度嵌入式快閃記憶體，可嵌入先進高效能邏輯製程
2017年1月5日--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(註1)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。
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。
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。
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。
(註1) 截至2016年12月7日。
(註2) MONOS為Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon(金屬-氧-氮-氧-矽)的縮寫，它是一種結構，其中的每個電晶體(記憶體單元)皆以矽為基礎，並由氧、氮、氧三層組成，頂端有一個金屬控制閘極。瑞薩過去供應智慧卡的晶片，已累積超過20年的經驗，瞭解MONOS快閃記憶體技術的運用方式。瑞薩以這些使用經驗為基礎，藉由開發稱為SG-MONOS的分離閘(SG)結構，成功地擴大了這項技術的應用範圍。嵌入至瑞薩微控制器的全新SG-MONOS快閃記憶體，將兼具高可靠性、高速、低功耗等特性
(註2) MONOS為Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon(金屬-氧-氮-氧-矽)的縮寫，它是一種結構，其中的每個電晶體(記憶體單元)皆以矽為基礎，並由氧、氮、氧三層組成，頂端有一個金屬控制閘極。瑞薩過去供應智慧卡的晶片，已累積超過20年的經驗，瞭解MONOS快閃記憶體技術的運用方式。瑞薩以這些使用經驗為基礎，藉由開發稱為SG-MONOS的分離閘(SG)結構，成功地擴大了這項技術的應用範圍。嵌入至瑞薩微控制器的全新SG-MONOS快閃記憶體，將兼具高可靠性、高速、低功耗等特性
關於台灣瑞薩電子
台灣瑞薩電子為瑞薩電子株式會社(TSE:6723)在台子公司，經由授權的代理商為台灣客戶提供銷售服務與FAE支援。瑞薩以完整的半導體解決方案提供可信賴的嵌入式設計創新，使數以億萬計的智慧型裝置得以相互連結，讓人們得以安全、安心地工作與生活。身為全球第一的微控制器供應商，同時也是類比、電源及SoC等產品的領導者，瑞薩為汽車、工業、家用電子、辦公室自動化以及資訊通信科技…等廣泛的應用範圍提供先進的專業知識、品質與全面性的解決方案，協助人們實現大無限的未來。欲了解更多資訊，請造訪renesas.com。
台灣瑞薩電子為瑞薩電子株式會社(TSE:6723)在台子公司，經由授權的代理商為台灣客戶提供銷售服務與FAE支援。瑞薩以完整的半導體解決方案提供可信賴的嵌入式設計創新，使數以億萬計的智慧型裝置得以相互連結，讓人們得以安全、安心地工作與生活。身為全球第一的微控制器供應商，同時也是類比、電源及SoC等產品的領導者，瑞薩為汽車、工業、家用電子、辦公室自動化以及資訊通信科技…等廣泛的應用範圍提供先進的專業知識、品質與全面性的解決方案，協助人們實現大無限的未來。欲了解更多資訊，請造訪renesas.com。
