内嵌式逻辑型非挥发性内存技术与应用

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之I/O组件来组成非挥发性内存之核心存储单元。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之解决方案。其可应用之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;NEOBIT;NEOFLASH;SONOS

Technology and Application o

f Embedded Logic Non-Volatile Memory

Steve Tung-Cheng Kuo, Rick Shih-Jye Shen, Charles Ching-Hsiang Hsu

(eMemory Technology Inc.)

Abstract:NVM IP can provide features of high production yield、precision SPEC and system parameters adjustable function for IC. The development of embedded NVM IP can be separated to traditional type and logical type. The process of traditional NVM IP (floating gate structure) is more complex than logical NVM IP, it needs extra 7~9 mask layers to produce NVM cell and peripheral circuit. Logical NVM IP uses normal I/O cell of general logical process to produce NVM cell and peripheral circuit. Based on the maturity of logical process and production cost, logical NVM IP is the most popular NVM IP solution for chip manufactured by normal logical process. It can be embedded in general digital, analog or mix mode IC. Logical NVM IP will become a standard IP solution for logical process, and embedded on the chips of each consumer electronics system in the future.

Key word:Embedded; Non-Volatile Memory; NEOBIT; NEOFLASH; SONOS

1简介

自半导体工业发展以来,扮演推进制程能力演进的终端应用产品已由消费性电子产品取代了个人计算机。消费性电子产品种类繁多,若以需求量大者定义,则泛指:

家用视讯产品:液晶电视,数字机顶盒,DVD 播放机, 家用游乐器;

个人化娱乐产品:MP3 播放机,MP4 播放机,手持式游乐器;

个人化通讯产品:手机, 手持式导航系统。

目前个人计算机之发展不再只单纯追求运算速度,亦趋向包含视讯/ 娱乐/ 通讯功能,换个角度来看,个人计算机亦属于消费性电子产品!观察消费性电子产品在销售市场的特色,其一贯的销售模式为“随着时间而降低价格”。最快速提品上市的厂商往往能赚取最高利润。因此,下列因素决定消费性电子产品的竞争力与获利率:开发时程、开发成本、生产良率、生产成本。

进一步对消费性电子产品进行分析,其中的关键零组件,如核心控制芯片、模拟输出或接收芯片与内存芯片等,需具备高良率、高精准度与配合系统做参数调效的特性,方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功能,可提供其所在芯片达到此目标。内嵌式非挥发性内存的主要功能可分为: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、信息保密设定、系统序号或个人身分设定。

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与其所需之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之I/O组件来组成非挥发性内存之核心存储单元,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,并提供相等之产品功能。逻辑型非挥发性内存可依读写次数区分为:

单次写入型(OTP):1次写入;

多次写入型(MTP):1 ~ 1000次写入;

闪存型(Flash):大于1000次写入。

逻辑型非挥发性内存之特点为(图1):

2基本组件架构

目前逻辑型非挥发性内存,依结构与供货商之不同大致上可分为(表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之功能。在制程方面则与一般逻辑IC完全相同。

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。

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。

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。

以下就其中具代表性结构进行探讨:

2.1 NEOBIT

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。

2.1.1 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。

2.1.2 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,使通过之热空穴碰撞原子,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。(如图3所示)

数据擦除时,需照射UV光(紫外光)。其目的为使浮栅中所储存的电子,能吸收UV光(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(如图4所示)。

2.1.3 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(< 1 pA)(图5)。

2.2 NEOFLASH

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(可提升读取正确率)。

2.2.1 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之功能。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(如图6所示)。

2.2.2 资料写入与擦除

数据写入时,外加写入电压状态于NEOFLASH之各端点。先将PMOS开启,并于其通到底端形成高电场,使通过之热空穴碰撞原子,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(如图7所示)。

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(如图8所示)。

2.2.3 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),如图9所示。

2.2.4 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。(如图10所示)

2.2.5制程优点

观察NEOFLASH结构,相较于传统型非挥发性内存(Floating Gate Flash)具有较低生产成本,且易于在不同代工厂与制程间进行转移。只需额外下列2层非关键光罩。(图11)

非存储单元区ONO 蚀刻: 为使ONO层能只在SONOS单元上形成;

存储单元区ONO 蚀刻: 移除在存储数组中不需使用之NON层,并进行LDD I/I以增强存储单元中之短信道效应。

3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之主要功能可分为: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。

3.1 微调集成电路模拟信号

在一般集成电路中,常具有内部传递或对外输出的模拟信号。但随终端产品复杂度的提升,此类信号的传输速度,消耗功率与精准度的规格要求也日趋严谨。此时,集成电路设计工作者需使用一可微调电路,以解决模拟信号精准度不足,或因制程漂移而造成的模拟信号失真问题。

传统型可微调电路为金属熔断式。在晶圆阶段测试时,由外部输入一大电流将预计熔断电之金属线烧断,以达微调之目的。此类方式最主要之缺点为需由外部输入一大电流,若内部其它电路安排不慎,则非常容易被波及,造成良率或可靠度问题。另一次要问题为某些模拟信号异常敏感,集成电路包装后所形成的新应力,亦会对此类信号造成指标漂移(图12)。金属熔断式微调电路,针对集成电路包装后所形成的应力干扰问题无法调整。

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(图13)。使用时输出相关信息于开关式微调电路(图14),利用不同开关点之开启与关闭,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。

3.2 集成电路功能设定

整合型集成电路规划时,常将未来所有可能之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,记录集成电路之功能选择信息。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。

3.3 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。以小尺寸液晶驱动集成电路为例(图15),小尺寸液晶面板通常使用于可携式电子产品,因其体积限制,所以必须将液晶面板所需要的各类集成电路功能整合为单一集成电路方案。此集成电路中包含了大尺寸面板系统中的许多功能,如液晶面板驱动集成电路/液晶面板控制集成电路/时序控制集成电路等。其最大特点为配合液晶面板特性,储存相关参数设定于内部存储器中,如 OD LUT,Gamma curve内部频率与时间参数。

3.4指令集或系统数据储存

一般微控制器内部之组成架构,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之储存,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,其所需之空间在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。

3.5 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(如图17所示)。

3.6 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。

4终端系统应用分析

消费型电子产品中,由许多不同集成电路搭配组合而成。逻辑型非挥发性内存在这些关键集成电路中,常同时提供数种功能。以下将以液晶电视、触控面板与小尺寸面板等三种系统应用为范例,分析逻辑型非挥发性内存在系统中所扮演的角色。

4.1 液晶电视应用

在液晶电视系统中使用一颗整合型核心控制集成电路,负责管理大部分液晶电视所需的功能,另有一颗电源管理集成电路作为液晶电视系统电源管理用。对于面板之管理方面则有时序控制集成电路(T-CON)、液晶面板管理集成电路、液晶面板驱动集成电路与LED光源驱动集成电路,在这些种类的集成电路中,逻辑型非挥发性内存的所扮演的功能为:

整合型核心控制芯片(DTV controller):

作为模拟信号接口的调整;

HDCP保密金钥与序号的设定。

电源管理芯片(PMIC):内部模拟信号与输出电压/电流调整。

液晶面板管理芯片: 与液晶面板相关的参数设定。

LED驱动芯片:内部模拟信号与输出电压/电流调整。

时序控制芯片(T-CON):内部频率与时间参数调整。

4.2 触控型面板之应用

在触控面板中,需一颗具微控制器功能的触控集成电路作为计算触摸点的坐标,因此在此触控集成电路中需要使用逻辑型非挥发性内存来达成以下功能:

储存内部微控制器指令集与坐标计算方式;

储存触控面板的环境参数,如触控点坐标校正值;

触控芯片内部模拟信号与电信/电阻/振荡频率之精确度微调。

4.3 小尺寸液晶面板之应用

在小尺寸液晶面板通常使用于可携式电子产品,因其体积限制,所以必须将液晶面板所需要的各类芯片功能整合为单一集成电路方案。如图所示,此单芯片中包含了大尺寸面板系统中许多集成电路的功能,如液晶面板驱动集成电路/液晶面板控制集成电路/时序控制集成电路等。分析逻辑型非挥发性内存在此功能为:模拟信号微调(集成电路内部)、液晶面板相关参数设定: OD LUT,Gamma curve、内部频率与时间参数调整等。

5制程平台

力旺电子(eMemory Technology Inc.)为服务许多集成电路设计界的客户,多年来努力开发本身逻辑型非挥发性内存的服务范围,将其产品推广至全世界各主要制程代工厂,并于每家代工厂中垂直推广于各世代不同的制程上。其最终目标为提供一最完善逻辑型非挥发性内存使用平台,使各种消费型电子产品中所需之芯片有最佳逻辑型非挥发性内存使用方案。

目前在客户端使用力旺电子(eMemory Technology Inc.)所提供之逻辑型非挥发性内存生产的集成电路,以晶圆(Wafer)方式计算,总量已超过150万片(如图18所示)。

6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为:

使用相同之CHE机制作为数据写入速度是否能满足系统需求?

使用相同之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:

与一般逻辑制程的兼容性;

制造成本相较于一般逻辑IC的增加幅度;

生产良率;

输出的信号/噪声比;

是否能跟随一般逻辑制程微缩。

需真正克服上述问题,新的非挥发性内存能扩展其应用范围。

7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。其可应用之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。

作者简介

徐清祥博士,董事长,力旺电子股份有限公司;1981年毕业于台湾新竹清华大学电机工程学系,旋后于美国伊利诺大学电机工程学系取得硕士与博士学位,于半导体领域已发表超过200篇专利与120篇论文。

成立力旺电子之前,徐清祥博士在美期间担任IBM T.J.Watson实验室研究员。1992年回到母校新竹清华大学电机系担任副教授一职,于1996年成为教授,1998担任清大电子所所长。其间并曾担任自强中心主任及创新育成中心主任。徐清祥博士于2000年起担任力旺电子总经理,带领团队从事嵌入式非挥发性内存之制裁及开发,现为力旺电子之董事长。

沈士杰,总经理,力旺电子股份有限公司;1998年于台湾新竹清华大学电机工程学系取得博士学位。曾负责内嵌式非挥发性内存之开发与先进规格制定,并领导组织营销,业务部门,建构完善之客户服务平台。

郭东政,营销副处长,力旺电子股份有限公司;1997年于台湾新竹清华大学电机工程学系取得硕士学位。曾于台湾新竹科学园区从事非挥发性内存先进制程开发,整合性集成电路设计与非挥发性内存市场营销与研究。