La tecnología de fabricación de memoria flash es parte integral del diseño de microcontroladores (MCU). Renesas ha desarrollado el primer proceso de fabricación de generación de 40nm de la industria para la memoria MCU-Internet Flash. Al pasar directamente del actual proceso de generación de 90 nm al proceso de generación de 40 nm, hemos dado un salto adelante en el procesamiento de la generación de 65 nm, lo que permite nuevos dispositivos con características y capacidades sin precedentes. En este artículo, el Dr. Hideto Hidaka, Gerente General de la División de Desarrollo de Núcleo de Memoria Embebida, Unidad de Desarrollo de Tecnología de nuestra empresa, explica la nueva tecnología innovadora, los antecedentes de su desarrollo y el impacto en nuestros productos y la industria.
Proporciona memoria flash de acceso de alta velocidad requerida para MCU de alto rendimiento
A medida que las capacidades de control de los sistemas integrados se vuelven cada vez más útiles y sofisticadas, los consumidores de hoy quieren más que una mayor comodidad, facilidad de uso y mayor confiabilidad en sus nuevos vehículos y otras compras importantes. La seguridad funcional, la seguridad del producto y la funcionalidad de la red también están en demanda. Para satisfacer estas necesidades, los ingenieros de sistemas buscan microcontroladores (MCU) avanzados que ofrezcan un funcionamiento de alta velocidad, un amplio soporte de periféricos y la capacidad de manejar programas integrados grandes y potentes.
Por lo tanto, las MCU de alto rendimiento requieren grandes memorias flash internas para almacenar algoritmos de control complejos y código de aplicación. Como fabricante de MCU líder en el mundo, Renesas tiene el objetivo constante de aumentar aún más la capacidad de flash en chip.
La memoria flash en el chip no solo es grande, sino que también debe tener velocidades de acceso rápidas para que la CPU pueda obtener rápidamente la información digital almacenada y maximizar la ejecución del programa. Los circuitos lógicos de alta velocidad de las MCU de alto rendimiento no pueden demostrar su rendimiento si la velocidad de acceso a la memoria es lenta. Obviamente, no debe desperdiciar los ciclos de reloj de la CPU esperando que los datos provengan de la memoria. Lograr la velocidad de acceso flash más rápida posible es esencial para mejorar el rendimiento de la aplicación y simplificar el diseño del sistema.
Renesas siempre ha liderado la industria en términos de velocidad de acceso a la memoria flash MCU interna. En 2004, logró una asombrosa velocidad de memoria flash interna de 100 MHz mientras usaba el proceso de generación de 150 nm en ese momento. En ese momento, las velocidades máximas que podían ofrecer los MCU de otros proveedores de MCU estaban limitadas a alrededor de 40 MHz.
Nuestra tecnología ha avanzado desde entonces. Después de lanzar la rápida generación de memoria flash integrada de 150 nm en 2004, Renesas pasó a la generación de 90 nm en 2007, como se muestra en la Figura 1. Esta es una primicia en la industria, que permite capacidades de memoria mucho más altas. La generación de 90 nm, el flash interno de 100 MHz es una característica clave de los MCU que se envían actualmente.
No hace falta decir que otros proveedores de MCU también están escalando la curva de la tecnología de procesos. Sin embargo, el punto importante es que no nos hemos puesto al día con nuestra tecnología en lo que respecta a la memoria flash integrada. Estos chips sufren un gran inconveniente de rendimiento, ya que sus MCU normalmente no pueden proporcionar velocidades de acceso superiores a los 40 MHz.
Utiliza tecnología de celdas de memoria desarrollada internamente para lograr la máxima confiabilidad flash
Además de la tecnología de proceso de semiconductores, la densidad y la velocidad de la memoria flash en chip están determinadas por el diseño de las celdas de memoria. Esta es un área clave en la que Renesas sigue siendo competitiva.
La base de nuestra memoria flash interna extremadamente rápida y de alta densidad es nuestra tecnología de celda patentada MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Silicon). Cada transistor en una celda flash consta de tres capas de óxido, nitruro y óxido sobre una base de silicio con una puerta de control de metal en la parte superior. Los datos se almacenan cambiando el voltaje de umbral del transistor (el voltaje al que se enciende el transistor). Su variación, que define la presencia de un ‘1’ o un ‘0’, está determinada por la cantidad de carga atrapada en la capa de nitruro.
Este diseño exclusivo de Renesas difiere en aspectos importantes de las típicas memorias Flash integradas que utilizan la tecnología de puerta flotante tradicional (consulte la Figura 2). Es importante destacar que la implementación de MONOS tiene la ventaja de ser mucho más escalable y más confiable.
En un diseño típico de celda de compuerta flotante, la fuga en el óxido de la compuerta hace que casi toda la carga almacenada en la celda escape al sustrato. Sin embargo, en nuestro diseño MONOS, solo escapan las cargas cercanas al punto de fuga. La mayor parte del cargo, es decir, los datos, se retiene. Esta importante reducción de fugas de carga mejora la confiabilidad de la memoria flash y facilita el esfuerzo de diseño para reducir el tamaño de las celdas de memoria tanto vertical como horizontalmente.
La tecnología flash MONOS de Renesas es particularmente adecuada para aplicaciones automotrices y otras aplicaciones de gama alta que requieren MCU con mayores niveles de integración y alta confiabilidad. El rendimiento superior de nuestros MCU Flash ha sido probado y comprobado por millones de horas de funcionamiento sin errores durante períodos prolongados.
Renesas ha acumulado más de 20 años de experiencia en el uso de la tecnología de memoria flash MONOS al proporcionar MCU para tarjetas inteligentes, que son tarjetas IC altamente seguras y confiables ampliamente utilizadas en transacciones financieras en todo el mundo. Recientemente, nuestro equipo profesional de I+D ha ampliado con éxito la tecnología mediante el desarrollo de una estructura de puerta dividida adecuada para la memoria flash interna de MCU. Un nuevo enfoque de diseño de celdas divide la puerta en dos partes (consulte la Figura 3). Una parte se utiliza como función de selección de celda de memoria y la otra parte se utiliza para el almacenamiento de datos.
En este innovador diseño de 1,5 transistores de puerta dividida, la puerta de selección normalmente está apagada (es decir, apagada a 0 V) mientras que la puerta de memoria está normalmente encendida (es decir, encendida a 0 V). Las puertas de selección se implementan con canales cortos. Además, la capa de óxido de la puerta dividida es muy superficial, casi tan delgada como el circuito lógico. Estas técnicas de diseño producen celdas de memoria flash escalables que son más rápidas y consumen menos corriente que las celdas de memoria construidas con estructuras de puerta estándar.