瑞萨电子宣布开发出全球首款鳍状MONOS闪存单元
全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社今日宣布成功开发出全球首款(注1)分离闸金属氧化氮氧化硅(SG-MONOS，注2)闪存单元，该单元采用鳍状晶体管，用于配有电路线宽为16至14纳米(nm)或更细的片上闪存的微控制器(MCU)。SG-MONOS技术能够可靠应用于汽车应用，瑞萨电子目前正在采用该技术量产40纳米的MCU，28纳米的MCU也正在研发过程中。这一成功开发表明SG-MONOS技术对16/14纳米及以上的制程节点具有优异的可扩展性。
随着高级辅助驾驶系统(ADAS)等汽车自动化方面的进步以及物联网(IoT)连接的智能社会的发展，产生了使用更精细制程技术装配先进MCU的需求。为满足这一需求，瑞萨电子开发了基于16/14纳米技术的嵌入式闪存，成功替代了目前最新的40/28纳米技术。在16/14纳米逻辑制程中，一种采用鳍状结构的晶体管——鳍式场效应晶体管(FinFET)，被广泛用于提高性能和降低功耗，以克服传统平面晶体管的扩展限制。
然而，根据闪存结构不同，嵌入式闪存采用鳍状结构可能会面临一大挑战。目前提出和实现了两种类型的嵌入式闪存：浮栅和电荷撷取。与浮栅闪存相比，近年来瑞萨电子一直采用的电荷撷取闪存具有更好的电荷保持特性，且在对可靠性要求较高的汽车MCU中始终表现良好。此外，由于内存功能材料是在硅衬底表面形成的，因此相对而言容易延展形成三维鳍状结构。与之相比，浮栅闪存单元的结构复杂，因此很难将其整合到鳍状结构中。
相较于浮栅结构，SG-MONOS具有的另一项优势在于用金属栅电极替代伪多晶硅栅电极后，存储器单元结构仍然保持不变，该工艺还用于生产带有高介电栅极绝缘层和金属栅电极的先进逻辑CMOS设备。
瑞萨电子是全球首家成功开发出具有高扩展性鳍状结构SG-MONOS闪存的公司，该产品将用于16/14纳米及以上工艺节点的高性能和高可靠性MCU。
新开发的嵌入式闪存技术的关键特性：
(1) 鳍状结构使存储操作和晶体管特性得到显著提升
瑞萨电子证实，在编程/擦除过程中阈值电压的变化以及新开发的鳍状结构SG-MONOS存储单元的编程/清除速度均在预期范围以内。在采用鳍状结构的晶体管内，栅极会封闭通道，从而保持较大的驱动电流，即便为了增大集成度而显著缩小工作区的面积。此外，通过提高栅极的可控性，显著提高了阈值电压的可变性。以上结果表明，鳍状结构SG-MONOS存储单元具有优异的特性，能够以下一代闪存所要求的200MHz以上频率实现高速随机访问读取，同时还可以大幅提高片上存储容量。
(2) 开发出可缓解鳍状结构所致性能下降问题的编程方法
当使用鳍状结构时，由于电场在鳍尖有所增强，随着时间推移设备特性可能会出现一定退化或劣化。电场增强效果在编程操作开始时和完成后最为明显，因此瑞萨电子对“阶跃脉冲”编程法(将编程电压逐步升高)的可行性进行了研究。该技术过去被用于采用平面结构的内存，但目前证明，其在鳍状结构内存中对缓解鳍尖电场增强方面特别有效。经确认，对于长时间使用的鳍状结构SG-MONOS存储单元，该技术可以有效减少退化，而且在数据存储闪存中编程/擦除循环次数可以达到25万次。
(3) 提供相同的高温数据保持特性
鳍状结构非常适合电荷撷取MONOS闪存具有的优异电荷保持特性。对汽车应用非常重要的数据保持时间，经过25万次编程/擦除循环后仍可达到十年或更长时间。这一水平与早期内存达到的可靠性水平相同。
上述结果表明，通过使用16/14纳米节点和以上的高介电栅极绝缘层和金属栅电极，SG-MONOS闪存可以轻松集成到先进的鳍状结构逻辑制程中，从而在100兆字节(MB)范围内实现大容量芯片存储，同时还能带来高度可靠的MCU，其处理性能可以达到28纳米设备的四倍以上。瑞萨电子将继续确认基于该技术的大容量闪存的操作，并推进研发工作，力争在2023年左右投入实际使用。
瑞萨电子秉持对汽车行业不断创新和实现智能社会的承诺，计划继续开发用于28纳米节点、16/14纳米节点及以上嵌入式设备的高性能、高可靠性大容量闪存。
瑞萨电子将于12月6日在2016国际电子器件会议(IEDM 2016)上宣布新开发的嵌入式闪存技术的详细信息，该会议将于2016年12月5日至7日在美国旧金山召开。
(注1)截止至2016年12月7日。
(注2)MONOS表示金属氧化氮氧化硅。在其结构中，每个硅基上的晶体管(存储单元)都由氧化物、氮化物以及氧化物三层组成，且在顶部设有金属控制闸级。瑞萨电子在采用MONOS闪存技术制造智能卡芯片方面拥有二十多年经验。基于这一优异的成绩，瑞萨电子通过开发SG-MONOS分离闸(SG)结构成功扩展了这项技术。这种新型SG-MONOS闪存嵌入在瑞萨电子微控制器内，能够实现高可靠性、高速以及低功耗的功能。
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