Speichertechnik MONOS-Flash ohne Wartezyklen

Was nützt einem Mikrocontroller die beste CPU, wenn diese vom integrierten Flash-Speicher ausgebremst wird? Benchmarks zeigen, dass MONOS-Flash ohne Wartezyklen die Ausführungszeiten gegenüber aktuellen Mikrocontrollern ohne diese Technologie glatt halbieren kann. Der folgende Beitrag stellt MONOS-Flash im Detail vor.

Das physikalische Prinzip der MONOS-Technologie (Metal- Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) ist keineswegs neu. Schon vor 20 Jahren wurde das Prinzip beschrieben und in EEPROM-Produkten wie z.B. der Smartcard-MCU genutzt. Der große Vorteil der MONOS-Technologie besteht darin, dass die Ladungsträger auf dem Floating-Gate im Falle einer Störung nicht alle abfließen, sondern nur an der Störstelle. Das erhöht die Zuverlässigkeit erheblich. Bei konventionellem Flash-Speicher mussten die Abmessungen teilweise vergrößert werden, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Bei MONOS ist dies nicht notwendig, sie können sogar verringert werden. Kleinere Zellen sind schneller. Im Ergebnis beträgt die echte Lesezugriffszeit nur 10 ns, bei gleichzeitig extrem hoher Zuverlässigkeit über den gesamten Temperaturbereich von –40 bis +125 °C hinweg. Dies gilt für alle Funktionen, also Lesen, Schreiben und Löschen. Die üblichen Kniffe wie breite Busse ermöglichen dann sogar effektive Zugriffszeiten von nur 5 ns bei nur geringen Einbußen an deterministischem Verhalten.

Bild 1 zeigt den Zellenaufbau von MONOS-Flash im Vergleich zu konventionellem NOR-Flash. Die Ladungsträger auf dem Floating-Gate bestimmen, ob eine logische Eins oder eine logische Null gespeichert ist. Bei herkömmlichem Flash ist das Floating- Gate leitend. Somit drohen bei Lecks in der Oxidschicht alle Ladungsträger abzufließen. Bei MONOSFlash ist das Floating-Gate eine Nitridschicht (Si3N4), welche nichtleitend ist. Das Problem ist also beseitigt und die Struktur hat die Eigenschaft einer eingebauten Ladungsträgerredundanz.

Ein entscheidender Technologieparameter sind die zum Lesen und Schreiben verwendeten Spannungen sowie die Schwellspannung (Uth) in der Zelle. Aufgrund der kleinen Abmessungen der MONOS-Zelle und ihres Aufbaus ist es möglich, mit geringen Spannungen zu schreiben und zu lesen. In Folge dessen reduziert sich der Aufwand für die Logik zum Ansteuern der Zellen. Zudem ist keine riesige Ladungspumpe zum Erzeugen hoher Spannungen nötig, was Platz und somit Kosten spart. Die niedrigen Spannungen und der Verzicht auf Ladungspumpen verringern ferner die Stromaufnahme.

MONOS-Flash verwendet eine »Split-Gate«-Struktur. Der Vorteil ist die Trennung des Lesepfads vom Schreibpfad, so dass im Lesepfad schnelle Transistoren mit geringen Spannungen verwendet werden können (Bild 2). Die Schwellspannung Uth wird durch die Anzahl der Ladungsträger auf dem Floating-Gate bestimmt. Sie entscheidet auch darüber, ob eine Null oder eine Eins gespeichert ist. Damit ist die Spannung Uth ebenfalls eine Representation von Null/Eins. Oder anders ausgedrückt: Die Spannung Uth drückt aus, ob eine Zelle gelöscht oder programmiert ist.

Bild 3 zeigt die Messergebnisse von 10 Mio. MONOS-Flash- Zellen in 50 SuperH-Mikrocontrollern. Eine schmale Verteilung der Schwellspannung Uth und ein weites Fenster zwischen den Zuständen »gelöscht« und »programmiert« sind wichtig für die zuverlässige Funktion. Abweichungen von der Verteilungskurve würden auf Ausreißerzellen hinweisen, also vereinzelte »schlechte Zellen«, die aus diversen Gründen Schwächen aufzeigen. Wie gut zu sehen ist, gab es unter den 10 Mio. MONOS-Flash-Zellen keine Ausreißer, ein Beweis für die engen Fertigungstoleranzen, die Renesas bei MONOS-Flash erzielt. Ferner liegen die beiden Kurven weit auseinander.

Bild 4 zeigt dieselben 50 Mikrocontroller nach 1000 Programmierzyklen und nach einem Betrieb bei 150 °C über die jeweils angegebene Anzahl Stunden hinweg. Ein typisches Charakteristikum von MONOS-Flash lässt sich hier gut erkennen: Uth für den programmierten Zustand fällt nach kurzer Zeit ab und bleibt dann konstant. Dieses Verhalten entsteht durch den Ladungsverlust. Bei NOR-Flash ist es umgekehrt. Der lange Auslauf von MONOS-Flash nach dem initialen Uth -Abfall ist ein charakteristisches Zuverlässigkeitsmerkmal. Durch dieses Verhalten von MONOS-Flash ist ein hochzuverlässiger Betrieb bei hohen Temperaturen zu erreichen, den beispielsweise Automotivzulieferer für Verbrennungsmotorsteuerungen benötigen.

Bild 4 zeigt weiterhin, dass der Abstand der Programmier/ Löschen-Kurven selbst nach 3000 Stunden Betrieb bei 150 °C groß ist und immer noch keine Ausreißer zeigt. Wie so oft gibt es Anforderungen der Anwender, die schwierig miteinander zu vereinbaren sind. Bei integrierten NVM-Technologien – insbesondere im Bereich der 32-bit-Mikrocontroller – möchten die Anwender vor allem Folgendes:

  • geringe Lesezugriffszeiten (d.h. schneller Flash-Speicher),
  • höchste Zuverlässigkeit,
  • viele Jahre Daten-Erhalt,
  • eine hohe Anzahl an Schreib/Lese- Zyklen, wenn außer dem Code auch Daten gespeichert werden sollen.

Neben dem Programm-Flash implementiert MONOS einen Daten-Flash zur EEPROM-Emulation. Die Zellen können über den gesamten Temperaturbereich bis zu 30 000 Mal programmiert und gelöscht werden. Durch geschickte Nutzung mehrerer Blöcke und abhängig von der zu speichernden Datengröße sind mehrere 100 000 Programmier/ Lösch-Zyklen möglich. Die Programmier- bzw. Löschzeit bleibt über den Spezifikationsbereich hinweg konstant und steigt darüber hinaus nur geringfügig an.

Ein weiteres technologisches Highlight des MONOS-Flash sind die hierarchisch angeordneten Leseverstärker, die beim Lesezugriff den Strom messen und somit zwischen Null und Eins entscheiden (der gemessene Strom hängt wiederum von den Ladungsträgern auf dem Floating-Gate ab). Der Strom wird zunächst von einem Sub-Leseverstärker vorgemessen. Diese ortsnahe Messung an der Zelle ist entsprechend schnell. Der gemessene Wert wird dann niederohmig an den Haupt-Leseverstärker weitergeleitet.

Diese Technologie leistet ebenfalls einen Beitrag zum Erreichen der 10 ns Lesezugriffszeit. Die in Bild 5 gezeigten Zeiten T1 bis T4 summieren sich zu diesen 10 ns auf – und zwar im schlechtesten Fall. Zudem kommen bei MONOS weitere technologische Methoden zum Einsatz, wie:

  • »Divided Bit Lines«, um die parasitären Kapazitäten niedrig zu halten,
  • »Metal Word Lines« sowie 4-Metall- Schichten, um die Leitungswiderstände zu verringern,
  • differenzielle Sense-Amplifier,
  • schnelle Low-Voltage-Transistoren innerhalb der Verwaltungslogik des Flash-Moduls.

Diese Methoden wurden z.T. auch schon bei NOR-Flash eingesetzt, kommen jedoch in Kombination mit den besonderen Eigenschaften von MONOS-Flash erst richtig zur Geltung.