IEDM 2016 Renesas zeigt MONOS-Flash mit FinFETs bis 14 nm

Auf der IEDM hat Renesas Split-Gate-MONOS-Flash-Speicherzellen mit Transistoren in FinFET-Form für den Einsatz in Mikrocontrollern mit On-Chip-Flash-Speicher vorgestellt. Diese lassen sich laut Renesas mindestens bis auf Strukturbreiten von 14/16 nm herunterskalieren.

Durch die Fin-Shaped-MONOS-Flash-Speicherzellen (Metalloxid-Nitridoxid-Silizium) soll laut Renesas Electronics die Performance von Prozessoren mit Embedded-Flash signifikant steigen und die Skalierungsgrenze herkömmlicher planaren Transistoren überwinden. Renesas erwartet, dass dieser Prozess etwa im Jahr 2023 in die Serie gehen wird.

Jedoch kann abhängig von der Struktur des Flash-Speichers die Verwendung einer FinFET-Struktur eine große Herausforderung mit sich bringen. Zwei Arten von Embedded-Flash wurden vorgeschlagen und umgesetzt: Floating-Gate und »Charge Trap«. Im Vergleich zum Floating-Gate-Speicher kann ein Charge-Trap-Speicher, den Renesas in den letzten Jahren eingesetzt hat, Ladung sehr gut halten (Charge Retention) und ist in Automobil-MCUs erfolgreich im Einsatz. Da außerdem das Speicherfunktionsmaterial auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats gebildet wird, lässt es sich vergleichsweise einfach auf eine dreidimensionale Rippenstruktur übertragen. Im Gegensatz dazu haben Floating-Gate-Flash-Speicherzellen eine komplexe Struktur. Daher ist es schwierig, sie in eine FinFET-Struktur zu übertragen.

Ein weiterer Vorteil von SG-MONOS gegenüber der Floating-Gate-Struktur besteht darin, dass die Speicherzellenstruktur nach dem Ersetzen der Pseudo-Polysilizium-Gate-Elektrode mit der Metall-Gate-Elektrode beibehalten wird. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem CMOS-Bauteilen mit einer Gate-Isolierung mit hoher Dielektrizitätskonstante und Metall-Gate-hergestellt werden.

Renesas hat bestätigt, dass die Änderung der Schwellenspannung für das Programmieren bzw. Löschen und die Geschwindigkeit des Programmierens bzw. Löschens bei den SG-MONOS-Speicherzellen innerhalb der erwarteten Bereiche liegt. In Transistoren mit FinFET-Struktur umschließt das Gate den Kanal, wodurch ein großer Treiberstrom aufrechterhalten werden kann, selbst wenn der Footprint des aktiven Bereichs wesentlich verringert ist, um die Integration zu erhöhen. Zusätzlich wurde eine die Variabilität der Schwellenspannung durch die verbesserte Gate-Steuerbarkeit laut Renesas bemerkenswert verbessert. SG-MONOS-Speicherzellen sollen Zugriffe mit bis zu 200 MHz realisieren sowie die On-Chip-Speicherkapazität drastisch erhöhen können.

Programmierspannung schrittweise erhöhen

Beim Einsatz von FinFETs kann es dazu kommen, dass sich an deren Spitzen durch ein verstärktes elektrisches Feld im Laufe der Zeit die Bauteileigenschaften etwas verschlechtern. Das elektrische Feld verstärkt sich zu Beginn und unmittelbar nach Programmiervorgängen bemerkenswert. Daher haben die Ingenieure von Renesas die Machbarkeit eines Programmierverfahrens mit Schrittimpulsen untersucht, bei dem die Programmierspannung schrittweise erhöht wird. Diese Technik wurde bereits für den planare Speicher angewendet, hat sich jedoch für Speicher mit FinFET-Struktur als besonders wirksam erwiesen. Tests haben gezeigt, dass sich SG-MONOS-Speicherzellen mindesten 250.000 Mal programmieren und löschen lassen.

Die FinFET-Struktur kann Ladung ausgezeichnet halten, ein Merkmal von Charge-Trap-MONOS-Flash-Speicher. Die Datenhaltedauer, die besonders für Automobilanwendungen wichtig ist, beträgt zehn Jahre bzw. 250.000 Programmier/ Löschzyklen oder mehr. Dies ist das gleiche Maß an Zuverlässigkeit wie bei früheren Speichertypen. So lassen sich On-Chip-Speicherkapazitäten im Bereich von 100 MB integrieren. Dies ermöglicht hochverfügbare MCUs mit über vierfacher Verarbeitungsleistung bei 28-nm-Strukturen.

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