英特尔高性能StrataFlash 90nm移动NOR闪存探密

关于移动电话市场是否会转向采用NAND闪存,目前情况还不甚明朗。但是即使真的这样,英特尔的M18也为用户提供了一种替代NAND的闪存方案。

被英特尔公司寄以厚望的90nm StrataFlash蜂窝存储器M18系列芯片已经面市,而且表现不俗。加拿大Semiconductor Insights(SI)公司对其中一款型号为28F512M18R的芯片进行评估后认为,裸片尺寸的高使用率及性能优势使其成为目前市场上最先进的NOR器件。

28F512M18R是一款512Mb的NOR闪存,工作电压1.8V,猝发频率108 MHz,裸片尺寸43.8 mm²。它采用了英特尔的多级单元(MLC)技术,能够在一个内存单元上存储2比特数据,从而使闪存密度增大了一倍。M18瞄准的是移动嵌入式闪存市场。其512Mb的容量正好满足了下一代手机对嵌入式存储器的要求。

M18在制造过程中采用了第九代Etox工艺,这种工艺的源头可以追溯至英特尔1983年首次展开闪存开发之时。上世纪80年代中期,英特尔推出的第一批闪存芯片容量为64Kb,采用1.5微米技术,单元面积为36μm²。与20年前的闪存相比,M18的存储容量翻了3翻,但单元尺寸却缩小了470多倍。

M18采用了与英特尔单比特W18器件相同的Etox IX 90nm工艺。如果不考虑工艺缩放的话,它与130nm技术也有很多相似的特性。M18及之前几代器件使用的基本浮动栅结构似乎至少可以升级到65nm。事实上, Etox IX单元的单元面积因子(F)仅为9.4,已经远远领先于国际半导体技术蓝图中对90nm NOR闪存所预计的11到14。显然,英特尔已经在器件的外围电路中小心构建起一种强大的存储阵列支持机制。

图1:NOR闪存竞争产品分析:英特尔依靠M18领先于Spansion

铜冶金(copper metallurgy)和低k电介质(氟化硅玻璃,FSG)是M18控制电路的基础,此外,首次在商用存储器件中出现的铜互连也为英特尔的设计师们提供了更大的灵活度,允许他们布出更长的信号线。但其最主要的好处还是使M18及其今后的修正版能够达到原有材料所无法达到的速度性能。

英特尔悠久的晶体管制造历史对M18有不可低估的影响。Etox IX采用的晶体管尺寸是130nm闪存器件中的一半,这非常有利于M18的设计师们缩小外围逻辑占用的空间,并尽可能增大存储阵列对硅的利用率。而驱动电流增大也使设计师又获得了一种提高时钟速度并增长信号走线的工具。

M18工艺中结合了从高速铜走线到高度微缩的逻辑晶体管以及高效闪存单元设计等先进技术,借助M18,英特尔已经为NOR建立了新的标准。

裸片细微差别影响器件性能

从表面来看,M18与SI过去评估过的几款英特尔的StrataFlash产品极为相似,但其本身存在的细微差别却对器件的表现与功能起着举足轻重的作用。其中一个差别就是裸片的纵横比—即长宽比。之前的StrataFlash器件长宽比通常很大,而M18的长度和宽度几乎相当。这只是一个很小的差别,但从设计和应用的角度来看,它却具有相当大的意义。

要想加宽裸片,就必需延伸位线,即那些通往存储单元的走线。只有这样,才能在裸片宽度增大之后使位线仍能横穿裸片。但是位线增长会相应使电容和阻抗增大,从而降低传感方案的速度和精度。存储器制造商可以采用诸如局部/全局位线排列等不同的位线架构,但是这样却会降低裸片效率。

英特尔采用了局部/全局位线架构,但同时也增大了其全局位线的长度。这种架构得以构建要归功于M18采用的铜工艺与FSG电介质,因为铜位线阻抗较低,而FSG电介质则降低了位线的电容。

英特尔采用这种新的纵横比,目的是实现M18的相互堆叠以及M18与其它元件的堆叠。要保证封装堆叠的可靠性,被堆叠的元件必需尺寸相近。这种堆叠封装的能力对移动存储器十分重要,因为因此而节约出来的电路板空间非常宝贵。

裸片效率

另外,M18裸片拥有不错的裸片效率等级,所谓裸片效率是指存储单元占据的裸片面积与总裸片面积之比。单纯看M18,其裸片效率为46%,但考虑到MLC技术后,其裸片效率就上升到92%。这显然优于Spansion在110nm工艺的35%和70%。

M18之所以能有这么高的裸片效率,是因为英特尔决定采用存储阵列架构,并极大减小了外围晶体管的尺寸。

M18不但裸片效率高,而且在其裸片尺寸上实现了高达11.6Mb/mm²的比例。这个数字比最接近其水平的竞争器件要高出一倍还多,因此也为器件的裸片尺寸利用率提供了一个更为通用的基准。11.6Mb/mm²的存储密度与美光、三星和Hynix等厂商生产的单级单元NAND闪存器件相当,而这些器件可能会在嵌入式领域与StrataFlash形成竞争。

M18所涉及的改动还包括重新设计了存储单元传感方案,改进了电路设计,并采用了一套更全面的冗余方案(redundancy scheme)。在这些改动中,存储单元传感方案的修改最为重要,因为这表示M18修改了在过去的StrataFlash器件中从未动过的核心电路单元。

过去,英特尔一直采用电流参考传感方案,即通过比较来自参考存储单元和读取存储单元的不同电流,确定读取单元中存储的数值。M18中没有采用这种方案,而是采用了一个步进参考电压发生器或一个参考电压来读取存储单元的内容。

这种参考电压传感方案改善了传感裕量,从而提高了传感操作的可靠性。这种新的传感方案受温度波动的影响更小,也不会受参考电流的变化影响。英特尔已经声称,这种新的传感结构将使其闪存技术能够很好地转移到更小的65nm和45nm工艺节点。所以,在从130nm向90nm转换的过程中重新设计这一部分,将有助于英特尔闪存技术向更先进的工艺尺寸转移。

在分析M18时,SI还发现它采用了一种更加先进的电路设计。数据通路分析说明,这种改进的电路设计减小了电路面积,并使电路能够以更高的速度工作。

此外,M18还拥有相当多的冗余电路,而且占据了大量裸片空间。冗余在存储器行业是一个热门话题,因为冗余电路会占据裸片面积,从而提高每个裸片的成本。但冗余电路也能增大产量,因为它们能够提高良品率。NOR闪存用户与NAND用户不同,他们不希望存储器中出现坏的扇区,所以冗余电路对NOR而言十分重要。

英特尔选择以增加裸片成本为代价提高产量,主要是为了提高裸片的利用率。

90nm StrataFlash系列针对的是移动存储市场,这个市场需要用NOR闪存进行代码执行和内存存储。根据SI的分析报告,在如今的手机中NOR闪存的最佳容量在128Mb到256Mb之间。我们预计,这一数字将随手机集成度和复杂度的增加而增大。

M18的特点包括可靠性更强、功耗更低,并且单位面积存储密度的指标可与1Gb/2Gb的单级单元NAND闪存相媲美。这一切都决定了512Mb的M18器件将能满足低端到中端手机市场的要求,并阻挡NAND闪存厂商获得设计胜出的势头。

M18拥有还有一种深度省电模式,并且能够达到108MHz的猝发速度。对于渴望延长电池使用时间的手机厂商而言,省电模式至关重要。而且M18的猝发速度也说明它在现有StrataFlash器件的基础上有了重大的改善,因为现有器件的猝发速度只能达到54MHz。

今后,英特尔的工作重点将转向65nm,而且很可能视Spansion90nm无线闪存的发布日期而扩大其技术领先优势。然后的问题就是看M18技术向65nm结点转移的情况如何。

作者简介:Geoff MacGillivray是Semiconductor Insights公司的存储器分析师,电子邮件为geoffrey@。

作者:Geoff MacGillivray

存储器分析师

Semiconductor Insights