Zuverlaessig und schnell: Monos-Flash

Das physikalische Prinzip der MONOS- (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)-Technologie ist keineswegs neu. Schon vor 20 Jahren wurde das Prinzip beschrieben und in EEPROM Produkten wie z. B. Smartcard-MCU genutzt. Der grosse Vorteil der MONOS-Technologie besteht darin, dass die Ladungstraeger auf dem Floating Gate im Falle einer Stoerung nicht alle abfliessen, sondern nur an der Stelle der Stoerung. Das erhoeht erheblich die Zuverlaessigkeit. Bei konventionellem Flash mussten die Abmessungen teilweise erhoeht werden, um der Zuverlaessigkeit zu vergroessern. Bei MONOS ist dies nicht notwendig und die Abmessungen koennen sogar verringern werden. Kleinere Zellen sind aber auch schnellere Zellen.

Das Resultat ist eine echte Lesezugriffszeit von nur 10ns, bei gleichzeitig extrem hoher Zuverlaessigkeit ueber den gesamten Temperaturbereich von -40 bis 125 Grad Celsius hinweg. Fuer Anwendungen im Automotive Bereich werden u.a. ungehaeuste Chips ("Bare Die") eingesetzt. In diesem Fall betraegt die maximale Temperatur ueber 150°C. Das gilt fuer die gesamte Funktion wie Lesen, Schreiben und Loeschen. Durch die ueblichen Kniffe wie breite Busse koennen dann sogar effektive Zugriffszeiten von nur 5ns erreicht werden, bei nur geringen Einbuen an deterministischem Verhalten.

Diagramm 1 zeigt den Zellenaufbau von MONOS Flash im Vergleich zu konventionellem NOR-Flash sowie die entsprechenden Ersatzschaltbilder. Die Ladungstraeger auf dem Floating Gate bestimmen, ob eine logische Eins oder Null gepeichert ist. Bei herkoemmlichem Flash ist das Floating Gate leitend, somit drohen bei Lecks in der Oxidschicht alle Ladungstraeger abzufliessen. Bei MONOS Flash ist das Floating Gate eine Nitridschicht (Si3N4), welche nichtleitend ist. Das Problem ist also beseitigt.

Wichtiger Parameter: Die Spannungen

Ein entscheidender Technologieparameter sind die zum Lesen und Schreiben verwendeten Spannungen, sowie die Schwellspannung (Vth) in der Zelle. Aufgrund der kleinen Abmessungen der MONOS-Zelle und ihres Aufbaus kann mit geringen Spannungen geschrieben und gelesen werden. In Folge dessen reduziert sich der Aufwand fuer die Logik zum Ansteuern der Zellen. Ausserdem wird keine riesige Ladungspumpe zum Erzeugen hoher Spannungen benoetigt, dies spart Platz und somit Kosten. Die niedrigen Spannungen und der Verzicht auf riesige Ladungspumpen verringern ferner die Stromaufnahme.

Diagramm 1: NOR und MONOS Flashzellen im Vergleich. CG steht fuer "Control Gate" und "MG" fuer "Memory Gate". Deshalb wird diese Zellenarchitektur auch oft als "Split-Gate" Architektur bezeichnet

Die Schwellspannung Vth wird durch die Anzahl der Ladungstraeger auf dem Floating Gate bestimmt. Weil die Anzahl der Ladungstraeger eben auch entscheidet ob eine Null oder eine Eins gespeichert ist, ist die Spannung Vth ebenfalls eine Representation von Null/Eins. Oder anders ausgedrueckt: die Spannung Vth drueckt aus, ob eine Zelle geloescht oder programmiert ist. Das folgende Diagramm 2 entstand aus der Messung von 10 Millionen MONOS Flashzellen in 50 SuperH-Mikrocontrollern. Eine schmale Verteilung der Schwellspannung Vth und ein weites Fenster zwischen den Zustaenden "Erased" und "Programmed" sind wichtig fuer die zuverlaessige Funktion. Abweichungen von der Verteilungskurve wuerden auf Ausreisserzellen hinweisen, also vereinzelte "schlechte Zellen", die aus diversen Gruenden Schwaechen haben. Wie man gut sehen kann, gab es unter den 10 Millionen MONOS Flashzellen keine Ausreisser, ein Beweis fuer die engen Fertigungstoleranzen, die Renesas bei MONOS Flash erzielt.

Ferner sind die beiden Kurven weit auseinander liegend. Diagramm 3 zeigt diesselben 50 Mikrocontroller nach 1000 Programmierzyklen und nach Betrieb bei 150 Grad Celsius ueber die angegebene Anzahl Stunden hinweg. Man erkennt gut eine charakteristische Eigenschaft von MONOS Flash: Vth fuer den programmierten Zustand faellt nach kurzer Zeit ab und bleibt dann konstant. Dieses Verhalten wird durch Ladungsausgleich hervorgerufen, nicht aber durch Ladungsverluste. Bei NOR Flash ist es gerade umgekehrt. Der lange Auslauf von MONOS Flash nach dem initialen Vth-Abfall ist ein charakteristisches Zuverlaessigkeitsmerkmal. Durch dieses Verhalten von MONOS Flash ist ein hochzuverlaessiger Betrieb bei hohen Temperaturen zu erreichen, der beispielsweise von Automotivzulieferern fuer Verbrennungsmotorsteuerungen verlangt wird. Diagramm 3 zeigt weiterhin, dass der Abstand der Geloescht/Programmiert-Kurven selbst nach 3000 Stunden Betrieb bei 150 Grad Celsius gross ist und bemerkenswerterweise immer noch keine Ausreisser zeigt!

Diagramm 2: Das Bild zeigt 10 Millionen gemessene Bits in 50 SuperH-Mikrocontrollern. Bemerkenswert sind die ideale Normalverteilungsform der Kurven, das voellige Fehlen von Ausreissern und der grosse Abstand der Kurven.

Diagramm 3: Charakteristisch fuer MONOS Flash: ein schneller Vth-Abfall zu Beginn, um dann in einen sehr langen stabilen Auslauf ueberzugehen. Wieder sind keine Ausreisser zu sehen.

Wie so oft gibt es Anforderungen der Anwender, die schwierig miteinander zu vereinbaren sind. Bei integrierten NVM-Technologien " insbesondere im Bereich leistungsfaehiger 32-bit Mikrocontroller - moechten die Anwender vor allem Folgendes:

1. Geringe Lesezugriffszeiten (d.h. schnelles Flash).

2. Hoechste Zuverlaessigkeit.

3. Viele Jahre Data Retention.

4. Eine hohe Anzahl Schreib-Lesezyklen, wenn ausser dem Code auch Daten gespeichert werden sollen.

Mit der MONOS-Flash-Technologie koennen fuer diese Anforderungen Massstaebe gesetzt werden.

Betrachtet man beispielsweise die Schreib-Lesezyklen, so lassen sich folgende Aspekte festhalten: MONOS Flash ist inherent eine Hochgeschwindigkeitstechnologie und bietet eine allgemein uebliche Anzahl an Schreib/Loeschzyklen von 100 bzw. 1000 fuer das Programm-Flash. Neben dem Programm-Flash konnte neuerdings mit der MONOS Flashtechnologie ein Daten-Flash realisiert werden, welches eine EEPROM Emulation erlaubt. Die Zellen koennen ueber den gesamten Temperaturbereich bis zu 30000 mal programmiert und geloescht werden. Durch geschickte Nutzung mehrerer Bloecke und abhaengig von der zu speichernden Datengroesse koennen weit ueber 100000 Programmier/Loesch-Zyklen erreicht werden.

Diagramm 4 zeigt das Ergebnis. Die Programmier- bzw. Loeschzeit bleibt ueber den Spezifikationsbereich hinweg konstant und steigt darueber hinaus nur geringfuegig an.

Diagramm 4: neue MONOS Flash Mikrocontroller haben zusaetzlich DataFlash mit 30.000 Schreib-Lesezyklen. Weder das Code- noch das DataFlash zeigen signifikante Ermuedungserscheinungen, auch nicht ueber die Spezifikation hinaus.

Ein weiteres technologisches Highlight des MONOS Flashs sind die hierarchisch angeordneten Sense-Amplifier, die beim Lesezugriff den Strom messen und somit zwischen Null und Eins entscheiden (der gemessene Strom haengt wiederum von den Ladungstraegern auf dem Floating Gate ab).

Der Strom wird zunaechst von einem Sub-Sense-Amplifier vorgemessen. Diese ortsnahe Messung nahe der Zelle ist entsprechend schnell. Der gemessene Wert wird dann nieder-ohmig an den Haupt-Sense-Amplifier weitergeleitet. Diese Technologie leistet ebenfalls einen Beitrag zum Erreichen der 10ns Lesezugriffszeit. Die im Diagramm 5 gezeigten Zeiten T1 bis T4 summieren sich zu diesen 10ns auf und zwar worst-case.

Diagramm 5: Die Verwendung von Sub-Sense-Amplifiern (Sub S.A.) sehr nahe an den Flashzellen hilft die extreme kurzen Lesezugriffszeiten zu ermoeglichen.

Zudem kommen bei MONOS weitere technologische Methoden zum Einsatz, wie:

1. "Divided Bit Lines", um die parasitaeren Kapazitaeten niedrig zu halten.

2. "Metal Word Lines" sowie 4-Metal-Layer, um die Leitungswiderstaende zu verringern.

3. Differentielle Sense-Amplifier.

4. Schnelle low-voltage Transistoren innerhalb der Verwaltungslogik des Flashmoduls.

Diese Methoden wurden z.T. auch schon bei NOR Flash eingesetzt, kommen jedoch in Kombination mit den besonderen Eigenschaften von MONOS Flash erst richtig zur Geltung.

Was bedeutet MONOS Flash fuer Mikrocontrollerprodukte?

Auf MONOS Flash basierende Mikrocontroller sind ideal geeignet fuer Applikationen, die hohe Rechenleistung, schnelle Interruptreaktionszeiten, hoch-deterministisches Verhalten und hoechste Zuverlaessigkeit " auch bei hohen Betriebstemperaturen - benoetigen. Schon genannte Beispiele sind die Steuerungen von industriellen Elektromotoren (Renesas Marktanteil in Europa 60%) oder von Verbrennungsmotoren und Getriebeelektroniken (Renesas Marktanteil weltweit 20%). MRAM ist zwar ebenfalls sehr schnell, hat aber zur Zeit noch Nachteile bezueglich der Zellgroesse. Ausserdem ist diese Technologie derzeit noch nicht reif fuer den Einsatz in der Automotivindustrie. Die Autohersteller vertrauen nur NVM-Technologien, die sich schon ueber viele Jahre hinweg in anderen Maerkten und in grossen Stueckzahlen bewaehrt haben - wie beispielsweise MONOS Flash.

MONOS Flash in Kombination mit Renesas Technology's SH-2A CPU-Kern bietet heute ueber 300 Dhrystone MIPS Rechenleistung. Und zwar ueber den gesamten Temperaturbereich hinweg, mit uneingeschraenktem Schreib- und Lesebetrieb, bei hoechstmoeglichem Determinismus und bei hoechster Zuverlaessigkeit.

Der SH-2A-Kern leistet seinen Beitrag. Es ist ein moderner, superscalarer, Harvard-Architektur, 32-bit RISC Kern mit 16 Registern zu je 32-bit und davon 15 Baenke zwecks schneller Interruptreaktionszeit in nur 6 Taktzyklen. Es gibt darueber hinaus auch noch Derivate mit integrierter single/double-precision Floating-Point-Unit, die dann bis zu 400 MFLOPS liefern und selbst aufwendige Operationen wie Sinus in weniger als einer Mikrosekunde berechnen.

Das Blockdiagramm in Bild 1 zeigt den SH72546F, ein Spezialprodukt fuer die Steuerung von Verbrennungsmotoren mit insgesamt 3.75Mbyte integriertem MONOS Flash fuer Code (100 Zyklen) und Daten (30.000 Zyklen).

Besonderes Augenmerk verdient bei diesen Produkten die Verlustleistung des Mikrocontrollers, die durch MONOS Flash geradezu dramatisch verringert wurde. Der Nutzen besteht in diesem Fall darin, dass doppelt so viel Rechenleistung als bei jedem anderen Produkt in die von den Systemherstellern vorgegebenen thermischen Bedingungen (Package) gezwaengt werden kann. Zusaetzlich bedeutet das fuer die Umwelt eine weitere Reduzierung des CO2-Ausstosses des Verkehrs!

Diagramm 6 und 7 zeigen ferner, dass MONOS Flash basierende Produkte extrem temperaturunabhaengig funktionieren und Renesas darueber hinaus noch hohe Sicherheitsreserven zwischen der garantierten Spezifikation und dem typischen Chipverhalten einhaelt.

Diagramm 6: Geringe Temperaturabhaengigkeit der Zugriffszeit

Diagramm 7: Geringe Temperaturabhaengigkeit der Stromaufnahme

Zur "Embedded World" brachte Renesas ferner mehrere auf MONOS Flash basierende Produkte fuer Industrie- und Konsumeranwendungen auf den Markt, wie z.B. den auf elektrische Motorsteuerungen zielenden SH7137F mit 256Kbyte MONOS Flash, 100MIPS, 100%-igem Determinismus, Doppel-12-bit-ADC, Hochleistungstimern und diversen seriellen Schnittstellen (SCI, SPI, IIC), CAN und JTAG-debug.

Ausblick

Renesas wird MONOS Flash weiter vorantreiben. Zur Zeit wird MONOS Flash fuer den 65nm-Technologieknoten entwickelt und die Nutzung fuer den 45nm-Knoten wird erforscht. Die Roadmap zeigt 400 MIPS in 2008 und 800 MIPS in 2012. Parallel dazu wird Renesas das erste MRAM-basierende Produkt in 2009 fuer Consumer- und Industrieanwendungen in den Markt einfuehren. Somit koennen die kritischen Automotivkunden dann in einigen Jahren mit Zuverlaessigkeitsdaten aus der massenhaften und jahrelangen Verwendung der MRAM-basierenden Mikrocontrollerprodukte rechnen. MONOS Flash basierende Mikrocontroller dringen aber auch weiter nach unten vor. Zur Zeit ist das kleinste MONOS Flash Produkt ein SH/Tiny mit 32Kbyte. Diese Serie wurde fuer "Weisse Ware" (Waschmaschinenmotoren, Induktionskochfelder, Kompressoren, Pumpen, etc) entwickelt, auch wieder um CO2-Ausstoss einzusparen und Hausgeraete leiser, langlebiger und wartungsfreier zu machen. Neue SH/Tiny-Derivate mit nur 16Kbyte MONOS Flash werden ab 2008 angeboten. Damit wird Renesas seinen Marktanteil im Bereich der Europaeischen Hausgeraeteindustrie (derzeit 40%) weiter ausbauen.

Abschliessend

Wie Eingangs erwaehnt, ist das Prinzip von MONOS Flash " also die Nitridschicht " nicht neu aber dennoch noch nicht weit verbreitet. Die Schwierigkeit bei MONOS Flash besteht in der grossvolumigen Herstellung mit hoher Ausbeute. MONOS ist schwierig herzustellen. Renesas ist es dennoch gelungen diese Schwierigkeiten zu ueberwinden. Unsere Wissenschaftler und Ingenieure haben an zahllosen Versuchsreihen und Simulationen ueber die Jahre hinweg mit viel Aufwand gearbeitet. Schlussendlich haben sich die Bemuehungen ausgezahlt und am Ende sind Produkte herauskommen, die ihren Beitrag leisten, um den CO2-Ausstoss weiter zu verringern.

Wolfgang Stenzl ist Marketing Manager Powertrain Products bei Renesas Technology Europe, Automotive Business Unit.

Joachim Huepper ist Marketing Manager Highend MCU/MPU bei Renesas Technology Europe.