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内存最新技术之内嵌式非挥发内存技术

摘要
内嵌式非挥发性内存,具备高良率、高精准度与配合系统做参数调效的特性,能使整体系统具最短开发时程与生产成本。内嵌式非挥发性内存的发展可分为传统型与逻辑型。传统型内嵌式非挥发性内存的制造过程相当复杂,相对于一般逻辑制程来说,需额外增加7-9道光罩。逻辑型非挥发性存储器则不同于传统型,其利用一般逻辑制程中的I/O组件来组成非挥发性内存的核心存储单元。基于技术成熟度与生产成本因素,逻辑型非挥发性内存成为在逻辑制程中使用度最高的解决方案。其可应用的范围包含所有使用兼容于一般逻辑制程的数字/模拟芯片。未来逻辑型非挥发性内存解决方案会成为一标准化设计,并被广泛使用于各类消费型电子产品中。
关键词
内嵌式 非挥发性 内存
正文
一、简介
目前在半导体业界中,内嵌式非挥发性内存的发展可分为传统型与逻辑型。传统型内嵌式非挥发性内存的制造过程相当复杂,相对于一般逻辑制程来说,需额外增加7 ~ 9道光罩,以产生HV n/p MOS,NVM cell与其所需的VT I/I。逻辑型非挥发性存储器则不同于传统型,其利用一般逻辑制程中的I/O组件来组成非挥发性内存的核心存储单元,且其周边电路并不需使用高压组件(HV n/p MOS。相较于传统型内嵌式非挥发性内存,其可大幅降低IC的生产成本与生产良率,并提供相等的产品功能。逻辑型非挥发性内存可依读写次数区分为:1、单次写入型(OTP):1次写入;2、多次写入型(MTP):1 ~ 1000次写入;3、 闪存型(Flash):大于1000次写入。
二、基本组件架构
目前逻辑型非挥发性内存,依结构与供货商的不同大致上可分为：
1、 NEOBIT:利用单层浮栅架构,提供OTP与MTP功能。利用CHE机制达到数据写入目的,使用UV光照射以达到擦除数据的功能。在制程方面则与一般逻辑IC完全相同。NEOBIT的优点为在不同代工厂与制程间,非常容易移转。低操作电压与高的速度。高效率写入,低于100μs。
1）、组成结构：NEOBIT可作为OTP(单次写入),或MTP(多次写入)内嵌式逻辑型非挥发性内存使用,其结构特点为使用2T PMOS架构 (图2)。其中可分为SG(选择栅)与SL(源级线),用以组成选取存储单元功能。另有一FG(浮栅)与BL(位线),用以作为存储单元储存数据的功能。
2）、资料写入与擦除：数据写入时,外加写入电压状态于Neobit的各端点。先将PMOS开启,并于其通到底端形成高电场,使通过的热空穴碰撞原子,产生高能电子空穴对。此时,浮栅因感应基底电压,本身会呈现正电压状态。下方因碰撞而生的高能电子,受上方栅极正电压吸引,形成栅极电流穿越氧化绝缘层进入浮栅中。数据擦除时,需照射紫外光。其目的为使浮栅中所储存的电子,能吸收紫外光能量再度成为高能电子穿越出氧化绝缘层,以达到数据擦除动作
3）、数据读取：当存储单元中的浮栅储存电子时,则此单元为开启状态,对外输出一高读取电流(~50μA)。当存储单元中的浮栅未储存电子时,则此单元为关闭状态,对外几乎无输出电流(< 1pA)。
2、NEOFLASH:使用SONOS架构,提供大于1000次写入功能。利用CHE机制达到数据写入目的。以FN机制达到数据擦除。相较于一般逻辑制程只需额外增加2道光罩。NEOFLASH的优点为易于在不同代工厂与制程间进行转移,只需额外2层非关键光罩,具有低操作电压与高存取速度,以及低功耗与高均匀式数据擦除。
1）、组成结构：NEOBIT可作为OTP(单次写入),MTP(多次写入)或FLASH(大于1000次写入)的内嵌式逻辑型非挥发性内存使用,其结构特点为使用1 PMOS 1 PMOS(ONO层替代氧化层)的2T架构 。其中可分为SG(选择闸)与SL(源级线),用以组成选取存储单元的功能。另有一CG(控制闸)与BL(位线),用以作为存储单元储存数据的功能。
2）、资料写入与擦除：数据写入时,外加写入电压状态于NEOFLASH的各端点。先将PMOS开启,并于其通到底端形成高电场,使通过的热空穴碰撞原子,产生高能电子空穴对。此时,外加一写入电压于控制栅,下方因碰撞而生的高能电子,受上方栅极电压吸引,形成栅级电流穿越第一氧化绝缘层进入Nitride(氮化物)中。数据擦除时,需外加擦除电压状态于NEOFLASH的各端点。其目的为使储存于Nitride(氮化物)中的电子,利用FN tunneling机制,穿越出氧化绝缘层,以达到数据擦除动作。
3）、数据读取：当存储单元中的Nitride(氮化物)储存电子时,则此单元为开启状态,对外输出一高读取电流(~50μA)。当存储单元中的Nitride(氮化物)未储存电子时,则此单元为关闭状态,对外几乎无输出电流(< 1 pA)。
4）、 数据重复读写：观察NEOFLASH输出电流的变化,当数据重复读写达10,000次时,写入与非写入的存储单元输出电流差仍大于50μA。由此可知NEOFLASH操作可靠度,相较于传统型非挥发性内存(Floating Gate Flash)已相差无几。
3、AE FUSE:使用单层浮栅架构提供MTP功能。其利用CHE机制达到数据写入,FN机制达到数据擦除。
4、XPM:提供OTP功能,其较为特殊处为利用破坏栅级氧化层方式去侦测是否有栅电流达到写入目的。其架构无法达到数据擦除。
三、主要功能
消费性电子产品的发展日新月异,其中关键型集成电路的复杂度也日益提升。观察逻辑型内嵌式非挥发性内存在关键型集成电路的主要功能可分为:微调集成电路模拟信号、集成电路功能设定、系统参数设定、指令集或系统数据储存、信息存取保密设定、系统序号或个人身分设定。以下将就各主要功能详细说明。
1、微调集成电路模拟信号
逻辑型内嵌式非挥发性内存使用一小型内存数组,记录微调信息。使用时输出相关信息于开关式微调电路，利用不同开关点的开启与关闭,调正信号的精准度。相较于熔断式微调电路,其微调信息可于集成电路包装前或完成后进行微调,可使最终集成电路的模拟信号精准度不受各阶段制程或包装变量影响。
2、集成电路功能设定
整合型集成电路规划时,常将未来所有可能的规格纳入设计规范中。当产品进入量产后,此一集成电路需依不同的功能与规格需求,制定不同的营销策略与定价方式。为了在同一集成电路上产生不同的功能与规格需求,集成电路本身须对各项功能具有开启或关闭的选择能力。传统做法是在集成电路设计时,在周边保留额外的PAD,连接于内部功能选择电路。在进行集成电路包装时,将这些额外的PAD打线,连接于输入电压处或接地处,以完成集成电路的功能选择。逻辑型内嵌式非挥发性内存可使用一小型内存数组,记录集成电路的功能选择信息。其功能选择信息可于集成电路包装前或完成后进行记录,此弹性可将整合型集成电路的生产库存压力降至最低,有效帮助供货商降低成本。
3、系统参数设定
集成电路销售后,需先系统厂商端进行系统组装。单一系统中不同的关键零组件互相搭配组装时,若要最佳化系统性能需做系统参数的设定与调整。较复杂的系统,需在消费者使用时,周期性地记录系统随使用时间而变化的程度,如老化等。
4、指令集或系统数据储存
一般微控制器内部的组成架构,如图16所示,其中逻辑型非挥发性内存所扮演的角色为指令集的储存,简单型微控制器所需储存指令集的空间约为16k×8,高阶微控制器需更复杂的指令集,其所需的空间在32 k×32以上。假使微控制器在系统操作过程中需周期性侦测或记录系统状态的话,则需使用多次写入型的逻辑型非挥发性内存,亦需更大的储存空间以记录系统状态。
5、信息存取保密设定
关于使用于付费内容存取的集成电路,其内部需逻辑型内嵌式非挥发性内存,作为保密金钥的设定。如部份数字机顶盒系统具有付费功能,以达到接收付费视讯内容的功能。因此其内部的主要控制集成电路会使用逻辑型非挥发性内存,记录付费内容供货商所特有的序号或保密金钥,以达到保护付费内容的目的。
6、系统序号或个人身分设定
关于具有系统序号或身分识别功能的集成电路,其内部需逻辑型内嵌式非挥发性内存,作为系统序号或身分识别功能的设定。如以太网络卡中的MAC address(网络识别码)、手机IMEI code (手机身分识别码)或者是智能卡集成电路的识别码。
四、未来挑战
随着制程持续微缩,逻辑型非挥发性内存必须面临超低电压操作的环境,此时在电路设计与组件操作特性上会直接产生的可能问题有:
1、 使用相同的CHE机制作为数据写入速度是否能满足系统需求?
2、 使用相同的FN机制作为数据擦除方式是否效率不足?
在半导体工业/学术界,亦有许多单位尝试去开发不同架构的非挥发性内存,使用新材料作为非挥发性内存单元,如MRAM,PCRAM,PRAM。其共同特色是可低电压操作,但需大电流。此类新式非挥发性内存架构在进入真正大量量产前势必会遭遇下列主要问题:
1、 与一般逻辑制程的兼容性;
2、 制造成本相较于一般逻辑IC的增加幅度;
3、 生产良率;
4、 输出的信号/噪声比;
5、 是否能跟随一般逻辑制程微缩。
五、 总结
基于技术成熟度与生产成本因素,逻辑型非挥发性内存成为在逻辑制程中使用度最高的解决方案。其可应用的范围包含所有使用兼容于一般逻辑制程的数字/模拟芯片。未来逻辑型非挥发性内存解决方案会成为一标准化设计,并被广泛使用于各类消费型电子产品中。