ルネサス、16/14nm世代以降のマイコン向けにフィン構造を備えたSG-MONOSメモリセルを開発

ルネサス エレクトロニクス株式会社(以下ルネサス)は今回、回路線幅が16/14nm(ナノメートル:10億分の1メートル)世代以降のフラッシュメモリ内蔵マイコン向けにフィン構造の立体トランジスタを採用したSG-MONOS(注1)フラッシュメモリセルの開発に成功しました。SG-MONOS技術は車載応用可能な信頼性を有し、ルネサスは現在その技術を適用した40nm世代マイコンを量産中であり、28nm世代マイコンを開発中だが、本成功により16/14nm以降の世代までスケーリングが可能な見通しを得た。

先進運転支援システム(Advanced Driver Assistance Systems:ADAS)に代表されるクルマの自動化やIoT(Internet of Things)を介したスマート社会の進展に伴い、より微細なプロセスを用いた最先端マイコンが求められている。このため、40/28nm世代よりさらにプロセス世代を先どりした、16/14nmのロジックプロセスをベースにした混載フラッシュメモリの開発が必要となってきた。16/14nmロジックプロセスでは従来のプレーナ構造のトランジスタでは微細化に限界が出てきたため、新しくフィン構造を導入した立体トランジスタの採用により性能の向上と消費電力の抑制を図っている。

しかしながら、混載フラッシュメモリにフィン構造を導入するには、フラッシュメモリの構造との親和性という大きな障壁がある。混載フラッシュメモリの構造としては、浮遊ゲート型と電荷トラップ型の2種類が実用化されており、ルネサスが従来採用してきた電荷トラップ型のフラッシュメモリは、浮遊ゲート型に比べて電荷保持特性に優れ、高い信頼性が要求される車載マイコンへの応用に関し高い実績を有している。また、そのメモリ保持部をシリコン基板面に形成しているため、三次元立体構造であるフィン構造への展開が比較的容易にできる。これに対して、浮遊ゲート型のフラッシュメモリはセル構造が複雑なため、フィン構造に混載することが困難だとされている。

さらに、高誘電体ゲート絶縁膜とメタルゲート電極を有するCMOSで採用されている、トランジスタ形成後にポリシリコンゲート電極をメタルゲート電極と置き換えるプロセスに対して、メモリセル構造の維持が容易であることも、SG-MONOSが浮遊ゲート構造に勝るポイントとなっている。

今回開発された混載フラッシュメモリ技術の特長は以下のとおり。

フィン構造におけるメモリ動作とトランジスタ特性改善を確認

今回開発されたフィン構造のSG-MONOSメモリセルにおいて、書き込み/消去状態におけるしきい値電圧の変化および書き込み/消去速度がルネサスの期待通りとなっていることが確認されている。フィン構造を採用したトランジスタでは、ゲートがチャネルを囲む構造となるため、集積度を上げるために平面的な活性領域幅を大幅に縮小した場合でも、大きな駆動電流を確保できる。また、ゲート制御性の向上により、しきい値電圧ばらつきの著しい改善が見られた。これらは、フィン構造のSG-MONOSメモリセルが次世代のフラッシュメモリに要求されるランダムアクセス200MHz超の高速読み出しや搭載メモリの飛躍的な大容量化に応える特性を有することを示している。

フィン構造における特性劣化を緩和する書き込み方式を開発

一般に、フィン構造ではフィン先端部の電界集中によりデバイス特性の劣化や経年変化が顕著になる可能性が指摘されている。この電界集中は特に書き込み動作開始直後に顕著となるため、書き込み電圧を低い電圧から段階的に上昇させるステップパルスという書き込み手法が検討された。この手法はプレーナ構造でも報告されている技術だが、特にフィン構造の場合はフィン先端部の電界集中の緩和に対し、有効に機能することが判明した。フィン構造SG-MONOSメモリセルの経年劣化が実際に減少していることで実効性を確認され、書き換え回数はデータ保存用フラッシュメモリで従来通りの25万回を実現している。

従来と同等の高温データ保持特性を維持

電荷トラップ型MONOSフラッシュメモリの特長である優れた電荷保持特性はフィン型構造でも損なわれずに、車載用途で重視されるデータ保持特性は、25万回の書き換え動作後に150℃で10年以上と、従来と同等の信頼性を維持している。

今回のルネサスの成果はSG-MONOS構造フラッシュメモリが、16/14nm世代以降の高誘電体ゲート絶縁膜とメタルゲート電極を有するフィン構造の最先端ロジックプロセスとの混載が容易であり、100M(メガ)バイト級のメモリを搭載し、28nm世代比4倍以上の処理性能を有する高信頼マイコンの実現に有望な技術であることを示している。

今後、ルネサスは大容量フラッシュメモリの動作確認を進め、2023年頃の実用化に向けて開発を進めていく計画をしている。

(注1) 
MONOSは、「Metal(メタル)-Oxide(酸化膜)-Nitride(窒化膜)-Oxide(酸化膜)-Silicon(シリコン)」の略称。シリコンの上に、酸化膜/窒化膜/酸化膜の3層構造があり、その上に制御ゲート(メタル)が載った、記憶用トランジスタ(メモリセル)の構造のこと。ルネサスでは、MONOS技術を20年以上前からICカード用メモリに搭載している。この実績を元に、ゲート電極を二つに分けた「スプリットゲート(SG)」構造のMONOS技術「SG-MONOS」を開発し、高信頼性・高速動作・低消費電力を実現するSG-MONOS型フラッシュメモリとして、マイコンに内蔵している。

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