內(nèi)嵌式邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存技術(shù)與應(yīng)用

1、內(nèi)嵌式邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存技術(shù)與應(yīng)用    關(guān)鍵詞:內(nèi)嵌式;非揮發(fā)性內(nèi)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、p

2、recision 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 79 mask layers to produce NVM cell

3、 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

4、 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簡介 自半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展以來,扮演推進制程能力演進的終端應(yīng)用產(chǎn)品

5、已由消費性電子產(chǎn)品取代了個人計算機。消費性電子產(chǎn)品種類繁多,若以需求量大者定義,則泛指: 家用視訊產(chǎn)品:液晶電視,數(shù)字機頂盒,DVD 播放機, 家用游樂器; 個人化娛樂產(chǎn)品:MP3 播放機,MP4 播放機,手持式游樂器; 個人化通訊產(chǎn)品:手機, 手持式導(dǎo)航系統(tǒng)。 目前個人計算機之發(fā)展不再只單純追求運算速度,亦趨向包含視訊/ 娛樂/ 通訊功能,換個角度來看,個人計算機亦屬于消費性電子產(chǎn)品!觀察消費性電子產(chǎn)品在銷售市場的特色,其一貫的銷售模式為“隨著時間而降低價格”。最快速提供產(chǎn)品上市的廠商往往能賺取最高利潤。因此,下列因素決定消費性電子產(chǎn)品的競爭力與獲利率:開發(fā)時程、開發(fā)成本、生產(chǎn)良率、生產(chǎn)成本

6、。 進一步對消費性電子產(chǎn)品進行分析,其中的關(guān)鍵零組件,如核心控制芯片、模擬輸出或接收芯片與內(nèi)存芯片等,需具備高良率、高精準度與配合系統(tǒng)做參數(shù)調(diào)效的特性,方能使整體系統(tǒng)具最短開發(fā)時程與生產(chǎn)成本。內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存的功能,可提供其所在芯片達到此目標。內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存的主要功能可分為:微調(diào)集成電路模擬信號、集成電路功能設(shè)定、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、指令集或系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲存、信息保密設(shè)定、系統(tǒng)序號或個人身分設(shè)定。 目前在半導(dǎo)體業(yè)界中,內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存的發(fā)展可分為傳統(tǒng)型與邏輯型。傳統(tǒng)型內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存的制造過程相當復(fù)雜,相對于一般邏輯制程來說,需額外增加7 9道光罩,以產(chǎn)生HV n/p MOS,NVM cell

7、與其所需之VT I/I。邏輯型非揮發(fā)性存儲器則不同于傳統(tǒng)型,其利用一般邏輯制程中之I/O組件來組成非揮發(fā)性內(nèi)存之核心存儲單元,且其周邊電路并不需使用高壓組件(HV n/p MOS。相較于傳統(tǒng)型內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存,其可大幅降低IC的生產(chǎn)成本與生產(chǎn)良率,并提供相等之產(chǎn)品功能。邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存可依讀寫次數(shù)區(qū)分為: 單次寫入型(OTP):1次寫入; 多次寫入型(MTP):1 1000次寫入; 閃存型(Flash):大于1000次寫入。 邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存之特點為(圖1): 2基本組件架構(gòu) 目前邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存,依結(jié)構(gòu)與供貨商之不同大致上可分為(表1) NEOBIT:利用單層浮柵架構(gòu),提供OTP與M

8、TP功能。利用CHE機制達到數(shù)據(jù)寫入目的,使用UV光照射以達到擦除數(shù)據(jù)之功能。在制程方面則與一般邏輯IC完全相同。 NEOFLASH:使用SONOS架構(gòu),提供大于1000次寫入功能。利用CHE機制達到數(shù)據(jù)寫入目的。以FN機制達到數(shù)據(jù)擦除。相較于一般邏輯制程只需額外增加2道光罩。 AE Fuse:使用單層浮柵架構(gòu)提供MTP功能。其利用CHE機制達到數(shù)據(jù)寫入,FN機制達到數(shù)據(jù)擦除。 XPM:提供OTP功能,其較為特殊處為利用破壞柵級氧化層方式去偵測是否有柵電流達到寫入目的。其架構(gòu)無法達到數(shù)據(jù)擦除。 以下就其中具代表性結(jié)構(gòu)進行探討:     

9、0;  2.1 NEOBIT NEOBIT的優(yōu)點為在不同代工廠與制程間,非常容易移轉(zhuǎn)。低操作電壓與高的速度。高效率寫入,低于100s。 2.1.1 組成結(jié)構(gòu) NEOBIT可作為OTP(單次寫入),或MTP(多次寫入)內(nèi)嵌式邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存使用,其結(jié)構(gòu)特點為使用2T PMOS架構(gòu) (圖2)。其中可分為SG(選擇柵)與SL(源級線),用以組成選取存儲單元功能。另有一FG(浮柵)與BL(位線),用以作為存儲單元儲存數(shù)據(jù)的功能。 2.1.2 資料寫入與擦除 數(shù)據(jù)寫入時,外加寫入電壓狀態(tài)于Neobit的各端點。先將PMOS開啟,并于其通到底端形成高電場,使通過之熱空穴碰撞原子,產(chǎn)生

10、高能電子空穴對。此時,浮柵因感應(yīng)基底電壓,本身會呈現(xiàn)正電壓狀態(tài)。下方因碰撞而生的高能電子,受上方柵極正電壓吸引,形成柵極電流穿越氧化絕緣層進入浮柵中。(如圖3所示) 數(shù)據(jù)擦除時,需照射UV光(紫外光)。其目的為使浮柵中所儲存的電子,能吸收UV光(紫外光)能量再度成為高能電子穿越出氧化絕緣層,以達到數(shù)據(jù)擦除動作(如圖4所示)。 2.1.3 數(shù)據(jù)讀取 當存儲單元中的浮柵儲存電子時,則此單元為開啟狀態(tài),對外輸出一高讀取電流(50A)。當存儲單元中的浮柵未儲存電子時,則此單元為關(guān)閉狀態(tài),對外幾乎無輸出電流(< 1 pA)(圖5)。 2.2 NEOFLASH NEOFLASH的優(yōu)點為易于在不同代工

11、廠與制程間進行轉(zhuǎn)移,只需額外2層非關(guān)鍵光罩,具有低操作電壓與高存取速度,以及低功耗與高均勻式數(shù)據(jù)擦除(可提升讀取正確率)。 2.2.1 組成結(jié)構(gòu) NEOBIT可作為OTP(單次寫入),MTP(多次寫入)或FLASH(大于1000次寫入)的內(nèi)嵌式邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存使用,其結(jié)構(gòu)特點為使用1 PMOS 1 PMOS(ONO層替代氧化層)的2T架構(gòu) 。其中可分為SG(選擇閘)與SL(源級線),用以組成選取存儲單元之功能。另有一CG(控制閘)與BL(位線),用以作為存儲單元儲存數(shù)據(jù)的功能(如圖6所示)。 2.2.2 資料寫入與擦除 數(shù)據(jù)寫入時,外加寫入電壓狀態(tài)于NEOFLASH之各端點。先將PMOS開啟

12、,并于其通到底端形成高電場,使通過之熱空穴碰撞原子,產(chǎn)生高能電子空穴對。此時,外加一寫入電壓于控制柵,下方因碰撞而生的高能電子,受上方柵極電壓吸引,形成柵級電流穿越第一氧化絕緣層進入Nitride(氮化物)中(如圖7所示)。 數(shù)據(jù)擦除時,需外加擦除電壓狀態(tài)于NEOFLASH的各端點。其目的為使儲存于Nitride(氮化物)中的電子,利用FN tunneling機制,穿越出氧化絕緣層,以達到數(shù)據(jù)擦除動作(如圖8所示)。 2.2.3 數(shù)據(jù)讀取 當存儲單元中的Nitride(氮化物)儲存電子時,則此單元為開啟狀態(tài),對外輸出一高讀取電流(50A)。當存儲單元中的Nitride(氮化物)未儲存電子時,則

13、此單元為關(guān)閉狀態(tài),對外幾乎無輸出電流(< 1 pA),如圖9所示。 2.2.4 數(shù)據(jù)重復(fù)讀寫 觀察NEOFLASH輸出電流的變化,當數(shù)據(jù)重復(fù)讀寫達10,000次時,寫入與非寫入的存儲單元輸出電流差仍大于50A。由此可知NEOFLASH操作可靠度,相較于傳統(tǒng)型非揮發(fā)性內(nèi)存(Floating Gate Flash)已相差無幾。(如圖10所示) 2.2.5制程優(yōu)點 觀察NEOFLASH結(jié)構(gòu),相較于傳統(tǒng)型非揮發(fā)性內(nèi)存(Floating Gate Flash)具有較低生產(chǎn)成本,且易于在不同代工廠與制程間進行轉(zhuǎn)移。只需額外下列2層非關(guān)鍵光罩。(圖11) 非存儲單元區(qū)ONO 蝕刻: 為使ONO層能只在

14、SONOS單元上形成; 存儲單元區(qū)ONO 蝕刻: 移除在存儲數(shù)組中不需使用之NON層,并進行LDD I/I以增強存儲單元中之短信道效應(yīng)。 3主要功能 消費性電子產(chǎn)品的發(fā)展日新月異,其中關(guān)鍵型集成電路的復(fù)雜度也日益提升。觀察邏輯型內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存在關(guān)鍵型集成電路之主要功能可分為:微調(diào)集成電路模擬信號、集成電路功能設(shè)定、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、指令集或系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲存、信息存取保密設(shè)定、系統(tǒng)序號或個人身分設(shè)定。以下將就各主要功能詳細說明。 3.1 微調(diào)集成電路模擬信號 在一般集成電路中,常具有內(nèi)部傳遞或?qū)ν廨敵龅哪M信號。但隨終端產(chǎn)品復(fù)雜度的提升,此類信號的傳輸速度,消耗功率與精準度的規(guī)格要求也日趨嚴謹。此時

15、,集成電路設(shè)計工作者需使用一可微調(diào)電路,以解決模擬信號精準度不足,或因制程漂移而造成的模擬信號失真問題。 傳統(tǒng)型可微調(diào)電路為金屬熔斷式。在晶圓階段測試時,由外部輸入一大電流將預(yù)計熔斷電之金屬線燒斷,以達微調(diào)之目的。此類方式最主要之缺點為需由外部輸入一大電流,若內(nèi)部其它電路安排不慎,則非常容易被波及,造成良率或可靠度問題。另一次要問題為某些模擬信號異常敏感,集成電路包裝后所形成的新應(yīng)力,亦會對此類信號造成指標漂移(圖12)。金屬熔斷式微調(diào)電路,針對集成電路包裝后所形成的應(yīng)力干擾問題無法調(diào)整。 邏輯型內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存使用一小型內(nèi)存數(shù)組,記錄微調(diào)信息(圖13)。使用時輸出相關(guān)信息于開關(guān)式微調(diào)電路(

16、圖14),利用不同開關(guān)點之開啟與關(guān)閉,調(diào)正信號的精準度。相較于熔斷式微調(diào)電路,其微調(diào)信息可于集成電路包裝前或完成后進行微調(diào),可使最終集成電路的模擬信號精準度不受各階段制程或包裝變量影響。 3.2 集成電路功能設(shè)定 整合型集成電路規(guī)劃時,常將未來所有可能之規(guī)格納入設(shè)計規(guī)范中。當產(chǎn)品進入量產(chǎn)后,此一集成電路需依不同的功能與規(guī)格需求,制定不同的營銷策略與定價方式。為了在同一集成電路上產(chǎn)生不同的功能與規(guī)格需求,集成電路本身須對各項功能具有開啟或關(guān)閉的選擇能力。傳統(tǒng)做法是在集成電路設(shè)計時,在周邊保留額外的PAD,連接于內(nèi)部功能選擇電路。在進行集成電路包裝時,將這些額外的PAD打線,連接于輸入電壓處或接地

17、處,以完成集成電路的功能選擇。邏輯型內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存可使用一小型內(nèi)存數(shù)組,記錄集成電路之功能選擇信息。其功能選擇信息可于集成電路包裝前或完成后進行記錄,此彈性可將整合型集成電路的生產(chǎn)庫存壓力降至最低,有效幫助供貨商降低成本。        3.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定 集成電路銷售后,需先系統(tǒng)廠商端進行系統(tǒng)組裝。單一系統(tǒng)中不同的關(guān)鍵零組件互相搭配組裝時,若要最佳化系統(tǒng)性能需做系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整。較復(fù)雜的系統(tǒng),需在消費者使用時,周期性地記錄系統(tǒng)隨使用時間而變化的程度,如老化等。以小尺寸液晶驅(qū)動集成電路為例(圖15),小尺

18、寸液晶面板通常使用于可攜式電子產(chǎn)品,因其體積限制,所以必須將液晶面板所需要的各類集成電路功能整合為單一集成電路方案。此集成電路中包含了大尺寸面板系統(tǒng)中的許多功能,如液晶面板驅(qū)動集成電路/液晶面板控制集成電路/時序控制集成電路等。其最大特點為配合液晶面板特性,儲存相關(guān)參數(shù)設(shè)定于內(nèi)部存儲器中,如 OD LUT,Gamma curve內(nèi)部頻率與時間參數(shù)。 3.4指令集或系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲存 一般微控制器內(nèi)部之組成架構(gòu),如圖16所示,其中邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存所扮演的角色為指令集之儲存,簡單型微控制器所需儲存指令集的空間約為16k×8,高階微控制器需更復(fù)雜的指令集,其所需之空間在32 k×32

19、以上。假使微控制器在系統(tǒng)操作過程中需周期性偵測或記錄系統(tǒng)狀態(tài)的話,則需使用多次寫入型的邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存,亦需更大的儲存空間以記錄系統(tǒng)狀態(tài)。 3.5 信息存取保密設(shè)定 關(guān)于使用于付費內(nèi)容存取的集成電路,其內(nèi)部需邏輯型內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存,作為保密金鑰的設(shè)定。如部份數(shù)字機頂盒系統(tǒng)具有付費功能,以達到接收付費視訊內(nèi)容的功能。因此其內(nèi)部的主要控制集成電路會使用邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存,記錄付費內(nèi)容供貨商所特有的序號或保密金鑰,以達到保護付費內(nèi)容的目的(如圖17所示)。 3.6 系統(tǒng)序號或個人身分設(shè)定 關(guān)于具有系統(tǒng)序號或身分識別功能的集成電路,其內(nèi)部需邏輯型內(nèi)嵌式非揮發(fā)性內(nèi)存,作為系統(tǒng)序號或身分識別功能的設(shè)定

20、。如以太網(wǎng)絡(luò)卡中的MAC address(網(wǎng)絡(luò)識別碼)、手機IMEI code (手機身分識別碼)或者是智能卡集成電路的識別碼。 4終端系統(tǒng)應(yīng)用分析 消費型電子產(chǎn)品中,由許多不同集成電路搭配組合而成。邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存在這些關(guān)鍵集成電路中,常同時提供數(shù)種功能。以下將以液晶電視、觸控面板與小尺寸面板等三種系統(tǒng)應(yīng)用為范例,分析邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存在系統(tǒng)中所扮演的角色。 4.1 液晶電視應(yīng)用 在液晶電視系統(tǒng)中使用一顆整合型核心控制集成電路,負責(zé)管理大部分液晶電視所需的功能,另有一顆電源管理集成電路作為液晶電視系統(tǒng)電源管理用。對于面板之管理方面則有時序控制集成電路(T-CON)、液晶面板管理集成電路、液

21、晶面板驅(qū)動集成電路與LED光源驅(qū)動集成電路,在這些種類的集成電路中,邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存的所扮演的功能為: 整合型核心控制芯片(DTV controller): 作為模擬信號接口的調(diào)整; HDCP保密金鑰與序號的設(shè)定。 電源管理芯片(PMIC):內(nèi)部模擬信號與輸出電壓/電流調(diào)整。 液晶面板管理芯片: 與液晶面板相關(guān)的參數(shù)設(shè)定。 LED驅(qū)動芯片:內(nèi)部模擬信號與輸出電壓/電流調(diào)整。 時序控制芯片(T-CON):內(nèi)部頻率與時間參數(shù)調(diào)整。 4.2 觸控型面板之應(yīng)用 在觸控面板中,需一顆具微控制器功能的觸控集成電路作為計算觸摸點的坐標,因此在此觸控集成電路中需要使用邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存來達成以下功能: 儲存

22、內(nèi)部微控制器指令集與坐標計算方式; 儲存觸控面板的環(huán)境參數(shù),如觸控點坐標校正值; 觸控芯片內(nèi)部模擬信號與電信/電阻/振蕩頻率之精確度微調(diào)。 4.3 小尺寸液晶面板之應(yīng)用 在小尺寸液晶面板通常使用于可攜式電子產(chǎn)品,因其體積限制,所以必須將液晶面板所需要的各類芯片功能整合為單一集成電路方案。如圖所示,此單芯片中包含了大尺寸面板系統(tǒng)中許多集成電路的功能,如液晶面板驅(qū)動集成電路/液晶面板控制集成電路/時序控制集成電路等。分析邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存在此功能為:模擬信號微調(diào)(集成電路內(nèi)部)、液晶面板相關(guān)參數(shù)設(shè)定: OD LUT,Gamma curve、內(nèi)部頻率與時間參數(shù)調(diào)整等。 5制程平臺 力旺電子(eMem

23、ory Technology Inc.)為服務(wù)許多集成電路設(shè)計界的客戶,多年來努力開發(fā)本身邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存的服務(wù)范圍,將其產(chǎn)品推廣至全世界各主要制程代工廠,并于每家代工廠中垂直推廣于各世代不同的制程上。其最終目標為提供一最完善邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存使用平臺,使各種消費型電子產(chǎn)品中所需之芯片有最佳邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存使用方案。 目前在客戶端使用力旺電子(eMemory Technology Inc.)所提供之邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存生產(chǎn)的集成電路,以晶圓(Wafer)方式計算,總量已超過150萬片(如圖18所示)。 6未來挑戰(zhàn) 隨著制程持續(xù)微縮,邏輯型非揮發(fā)性內(nèi)存必須面臨超低電壓操作的環(huán)境,此時在電路設(shè)計與組件操作特性上會直接產(chǎn)生的可能問題為: 使用相同之CHE機制作為數(shù)據(jù)寫入速度是否能滿足系統(tǒng)需求? 使用相同之FN機制作為數(shù)據(jù)擦除方式是否效率不足? 在半導(dǎo)體工業(yè)/學(xué)術(shù)界,亦有許多單位嘗試去開發(fā)不同架構(gòu)的非揮發(fā)性內(nèi)存,使用新材料作為非揮發(fā)性內(nèi)存單元,如MRAM,PCRAM,PRAM。其共同特色是可低電壓操作,但需大電流。此