低成本控制器需要能在更低电压下工作的存储器

在两股推动力的共同作用下,普通的低端微控制器市场正激发着研发人员进行器件和工艺设计创新。他们要解决的问题是如何获得可以在非常低的电压下工作的非易失性片上存储器。其结果是: 闪存存储器与磁阻RAM和铁电RAM等新兴的竞争者将第一次面对面地直接交锋。

第一股推动力就是在终端产品中嵌入8位和16位微控制器以缩减成本预算。苛刻的成本限制把昂贵的电池排除在BOM清单之外,甚至连为了从直流电源获得更多电流所需的元件也被省却。这种趋势驱使低端控制器的工作电压必须不断下降。

第二股推动力是全球低成本电子产品供应链的经济现状。终端产品制造商面临上市时间日益缩短的强大压力,而且必须对用户报告的错误迅速做出响应,还必须通过从单个硬件设计中衍生出许多功能的方式来缩短零售产品的生命周期,这一切都使得他们更偏爱片上闪存,而不是传统的掩膜ROM或一次性可编程ROM。在这些推动力的共同作用下,一个巨大的市场浮出水面,即业界迫切需要能够工作在非常低的电压下、具有极低成本且带片上闪存程序存储器的8位和16位MCU。闪存开发商表示,这使他们在多个方面面临进退两难的选择。

问题的核心在于闪存存储器单元。今天的闪存单元是依靠在一个浮动栅上存储电荷来保存数据,这个浮动栅反过来又控制一个MOS晶体管的沟道。浮动栅是由一些隧道电流和热电子电流来控制充电或放电。这两种电流类型都需要相对较高的电压,在某些情况下甚至高达18V。在MCU中,这些电压通常是由片上的电荷泵产生的。

即使是在大多数MCU采用的0.5和0.35微米等成熟工艺中,在裸片上增加闪存也不是一件容易的事。微控制器巨头Renesas Technology公司系统LSI业务部的副总裁Ali Sebt表示,在产品中集成大量片上闪存的能力是该公司8位和16位MCU系列的一个优势。“我们使用具有更快存取时间的闪存,并针对整个软件负载配备足够大的闪存,这些举措在对成本敏感的市场非常具有价值。”他说。

几个技术难题使得在逻辑芯片上集成闪存成为一项冒险的主张。闪存的制造一般在工艺流程中需要第二个多晶硅层,以形成浮动栅。在浮动栅与可编程线路之间形成一个隧道屏障也是一个关键步骤。因为屏障电介质非常薄,所以这个步骤很棘手。这些额外增加的工艺步骤会给已经相当复杂的CMOS工艺添加多达十几层掩膜,从而对产品成本和成品率造成负面影响。

积极转向领先的CMOS工艺

当增加在低电压下工作的要求后,事情真的变得更复杂。对低功耗的需求驱使供应商更积极地转向领先的CMOS工艺,如果不强调低功耗,这一步对MCU而言是不必要的,因为即使在0.25微米工艺下MCU的焊盘也是受限的。更小的几何尺寸提供了在比1.8伏更低的电压下运行逻辑电路的能力,而且还可以利用带节电技术的单元库和设计流程。

但是从哪里得到闪存编程和擦除操作所需的高电压呢？“现在,工业界出现了一些非常好的高级电荷泵设计。”美国大学校际微电子中心(IMEC)闪存研究项目主管Jan vanVSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图1:IMEC的研究小组正致力于缩小几年前由Houdts提出的一种闪存器件结构。"> Houdts介绍道,“它们已经能够将电压提升10倍。但这仍不足以从1伏左右的电压获得传统闪存单元所需的高电压。”

所以,关键的问题是如何缩小现有闪存结构的尺寸。“今天的闪存单元似乎已经无法在现有尺寸的基础上再进一步缩小。”Houdts指出,“因为隧道或热电子迁移所需的电压是固定的,这导致电介质厚度和沟道长度等物理尺寸在0.18微米工艺以下也不能再缩减多少。”

独立闪存芯片的供应商正在努力攻克这个难题,但是他们的解决方案可能无法给MCU制造商带来好处。所以,微控制器供应商正在寻求自己的解决方案。他们的研究工作大致分为三类:新型器件、新型材料或非闪存的替代方案。

IMEC的两个项目分别属于其中的前两类。在第一个项目中,研究小组正在致力于缩小几年前由Houdts提出的一种闪存器件结构,即高注入型MOS(HI-MOS)晶体管单元。这种结构虽然采用隧道,但可以工作在更低的电压下,因为它是一种分离的三极架构。在编程期间,HI-MOS晶体管单元只需要3.3V的漏电压和9V的门电压,在擦除期间则分别需要+5V和-5V电压。Houdts表示,这种结构还更易于制造,仅需在常规CMOS工艺上增加2至5个掩膜层。

IMEC正在把HI-MOS工艺的0.35微米版本转移给比利时AMI半导体公司的晶圆厂。研究小组仍在继续缩小单元尺寸,并已经获得0.13微米的功能样片,90纳米版本则正在开发之中。

与此同时,IMEC的研究小组正在探索能够用于90纳米及更小尺寸工艺的新型材料。“我们正在考虑用氧化铪设计隧道屏障。”Houdts透露。这样的屏障似乎允许在低至5伏的电压下实现可用的隧道电流。

他们还正在研究一项更激进的举措:放弃浮动栅,依靠在氮化物材料上的电荷陷阱作为存储机制。

为MRAM铺路

其他供应商对嵌入式闪存单元则没有那么乐观。IBM和英飞凌科技已经组建一家合资公司来开发磁阻RAM(MRAM)技术,而MCU可能成为它的一个应用领域。英飞凌也是IMEC屏障工程项目的研究伙伴之一。

MRAM在微处理器中的第一次应用可能来自摩托罗拉公司。“摩托罗拉一直积极地致力于降低基于闪存的MCU对供电电压的需求,并计划在不久的将来发布工作电压低于1.8V的器件。”该公司战略行销经理Kevin Kilbane表示。与此同时,摩托罗拉还有一个激进的MRAM项目,并预计在年底前发布MCU产品的发展规划。

“MRAM仍然需要在低功耗应用中得到验证,”Houdts坚持道,“它的确能工作在低电压下。但它的基础存储机制是属于电流驱动型；在工作期间,它会产生非常高的电流。对于低功耗应用来说,这是个潜在问题。”

另一种可能的替代方案是铁电RAM,它使用双稳态铁电聚合体作为存储介质。铁电RAM提供与MRAM相同的非易失性,并具备缩小尺寸的潜能,但它可以满足更低的电流需求。

这两种技术都需要在CMOS工艺中引入可能不兼容的新材料。对MCU来说,这意味着要在不破坏现有成熟工艺的条件下引入存储器技术、重新装备MCU赖以维持其成本点的旧有晶圆厂或者对成品率产生负面影响。

这是个很苛刻的要求。不过,业界迫切需要片上可重编程的非易失性存储器能够在低电压下工作。能设法供应这种产品的制造商将抓住这次机遇。

作者:张国勇