基于28nm FD-SOI技術的汽車級微控制器嵌入式PCM宏單元的研究

伴隨著汽車的不斷發(fā)展，汽車電子控制技術不斷發(fā)展。汽車微控制器正在挑戰(zhàn)嵌入式非易失性存儲器(e-NVM)的極限，主要體現(xiàn)在存儲單元面積、訪問時間和耐熱性能三個方面。在許多細分市場(例如：網(wǎng)關、車身控制器和電池管理單元)上，隨著應用復雜程度提高，存儲單元面積成為決定性挑戰(zhàn);在汽車動力總成(發(fā)動機和變速箱) 控制器和安全應用(制動系統(tǒng))領域，符合最高165°C的工作溫度范圍至關重要。最后，優(yōu)化的訪問時間能夠保證系統(tǒng)的整體能效。

FEOL(前工序) e-NVM [1]解決方案能夠在穩(wěn)健可靠的高良率芯片上實現(xiàn)非常短的隨機訪問時間(Ta)，但是復雜的數(shù)據(jù)管理是這項技術的最大短板。該解決方案需要扇區(qū)擦除和重寫過程，數(shù)據(jù)重新分配和新的代碼執(zhí)行操作也就不可避免。研究人員又提出了幾個BEOL (后工序) e-NVM解決方案，主要優(yōu)點包括不需要數(shù)據(jù)擦除操作，支持逐位修改數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)重新分配不再是必須的。在BEOL框架中，RRAM解決方案[2]的讀取電流窗口和存儲單元面積兩項參數(shù)更有競爭力，但是工作溫度范圍較窄。MRAM存儲器[3]的Ta性能非常有競爭力，但是存儲單元面積較大，工作溫度范圍較窄。

本文提出一個采用28nm FD-SOI CMOS技術的嵌入式相變存儲器 (PCM)，這個BEOL e-NVM解決方案在存儲單元面積、訪問時間和溫度范圍三者之間達到了我們所知的最佳平衡點。本文介紹一個集成6MB PCM的汽車0級微控制器芯片，這是一個穩(wěn)健可靠的嵌入式存儲器解決方案，能夠滿足所有的汽車工業(yè)標準的嚴格要求。該PCM [4]采用的GexSbyTez材料經(jīng)過優(yōu)化，符合汽車工業(yè)技術標準的要求(150°C工作溫度，10年數(shù)據(jù)保留期限)。因為與集成存儲元件相關的工序很少，28nm被認為是在FD-SOI CMOS技術平臺上充分發(fā)揮PCM優(yōu)勢的最佳節(jié)點[5]。支持汽車環(huán)境所需的5V接口需要增加額外的工序。FD-SOI技術讓解決方案具有抑制靜態(tài)泄漏電流的功能。FD-SOI器件的體偏置電壓范圍更廣，可以將晶體管的VT閾值電壓調到300mV左右，從而顯著降低存儲陣列內(nèi)未選位的漏電流。

為了確保嵌入式存儲器從閃存變成PCM過程中微控制器應用級兼容性，按照命令用途配置相變存儲器結構，鏡像出與閃存相同的邏輯架構，包括一個等效的閃存擦除操作(即使PCM架構不需要)，如圖1所示。這個6 MB的嵌入式代碼存儲器分為三個2 MB的讀寫同步(RWW)分區(qū)。從芯片上還看到一個有2個RWW分區(qū)的256kB的嵌入式非易失性數(shù)據(jù)存儲器。兩個存儲陣列共用TILE結構。

圖1 ：閃存到PCM邏輯架構

PCM IP(本文)的設計目的是模擬現(xiàn)有(商品中)e-NVM閃存解決方案功能，并提供軟件兼容性。

因為可以使用標準CMOS晶體管和低電壓，PCM使能架構取得了很短的訪問時間Ta。微安級別的PCM存儲單元讀取信號功耗，結合高速行解碼器、快速讀出放大器和陣列列泄漏電流抑制電路，可以將訪問時間Ta降到10ns以內(nèi)。選擇器柵極可采用不同的驅動方式(由word line字線驅動器驅動)，具體方式取決于在PCM單元上執(zhí)行的操作(讀取或寫入)。在讀出時，word line字線選擇必須快速(納秒級)，只有用薄氧化物晶體管才能實現(xiàn)這個速度：選擇器驅動電壓低至0.85V，這還能讓布局變得更緊湊。相狀態(tài)變換需要相對較高的電壓，所以需要在寫入路徑中用厚氧化物MOS管，從而使行解碼器面積得到優(yōu)化。

由于FD-SOI CMOS技術擴大了正向體偏壓范圍，因此可以在高溫環(huán)境中有效地管理陣列泄漏電流。通過更大的VT變化范圍，負電壓動態(tài)管理功能使選擇器實現(xiàn)了驅動能力與能效的平衡，將位線(bitline)泄漏電流降至最低，且不影響讀取電流，同時還平衡了讀寫性能。穩(wěn)壓器反饋回路的溫度范圍有多個非線性子范圍，以便在更高溫度下實現(xiàn)更好的控制效果(圖2)。

圖2：與FDSOI選擇器陣列配對的讀寫行解碼器。

以體偏壓是溫度范圍的函數(shù)的方式管理列泄漏電流控制策略。

本解決方案還充分利用了PCM的低壓讀出功能，功耗明顯低于傳統(tǒng)閃存解決方案。在閃存方案中，行列讀操作都需要4-5V的電壓，然而在某些應用沒有這個電壓，因此還需要額外增加一個電荷泵，致使讀功耗增加3-6倍。PCM可以使用常規(guī)電壓偏置方法實現(xiàn)讀取操作，而無需連接額外的電荷泵。

圖3：差分讀取放大器; PCM訪問時序圖，2個等待狀態(tài)(WS)

圖3所示是讀出放大器(SA)。位線讀取電壓由NMOS共源共柵晶體管控制：存儲單元讀電流和基準電流流過共源共柵，最后注入比較網(wǎng)(refcp1和refcp2)。共源共柵結構支持比較網(wǎng)快速放電。在預充電階段結束后，釋放這些比較網(wǎng)，網(wǎng)絡動態(tài)電壓演變被轉換為內(nèi)部鎖存器的數(shù)字輸出，用于偏置兩個PMOS，以產(chǎn)生電源電壓vdif1和vdif2。vdif1和vdif2的壓擺率差用于正確地觸發(fā)鎖存結構，讀取時序圖如圖4所示。

圖4. 差分讀出放大器區(qū)分PCM陣列內(nèi)容的讀操作時序圖

圖5.是一個完整的微控制器芯片的顯微照片：包括ADC、振蕩器、PLL、穩(wěn)壓器和SRAM。PCM單元面積為40F?。

圖5.內(nèi)嵌28nm FD-SOI的PCM非易失性存儲器的汽車0級微控制器芯片的顯微照片。

我們在該芯片的多個樣片上測量了讀取時間性能。系統(tǒng)設置是2個等待狀態(tài)對應3個時鐘周期，其中兩個時鐘周期分配給陣列讀取操作，一個周期分配給數(shù)字處理運算，包括ECC。我們使用shmoo技術在不同的溫度和電壓下測量系統(tǒng)性能(見圖5)，在227MHz主頻運行時， Ta為8.8ns。我們驗證了在0.85V至1.05V電壓范圍內(nèi)、-40°C至165°C溫度范圍內(nèi)的讀取能力。

與傳統(tǒng)的FEOL解決方案相比，PCM單個位可修改特性使字節(jié)/字寫入時間性能非常出色(30us)。因為不再需要擦除操作，PCM寫入時間大幅降低，寫吞吐量達到0.83MB/s。PCM可以覆蓋數(shù)據(jù)，引發(fā)業(yè)界對寫周期概念以及E2仿真算法必要性的重新探討。寫耐久性測試后的重置和置位分布如圖5所示，從圖中可以看到重置和置位尾部之間寶貴的讀取識別裕量。在新品和1萬次讀寫之間未見性能降低。

圖6. 設為2個等待狀態(tài)，測量在三個不同溫度下的讀取性能(shmoo圖)。在最差條件下測量的讀訪問時間8.8ns。 耐久性測試后，在256KB上的SET和RESET分布情況。1萬次讀寫后沒有觀察到讀取窗口關閉。

圖7的表格給出了PCM存儲器的主要特性以及與當前最先進技術的比較情況。PCM的存儲單元尺寸較小，讀寫性能均衡，具有與方案2和3相同的單個存儲單元修改功能，但方案2和3不能用于汽車系統(tǒng)。方案1雖然讀寫速度快，但在數(shù)據(jù)修改方面效率較低。本文討論了市場首個在后工序實現(xiàn)嵌入式非易失性存儲器的汽車微控制器，該嵌入式存儲器容量是6MB，采用28nm FDSOI制造技術，工作溫度范圍-40°C至165°C。該產(chǎn)品是完全模擬傳統(tǒng)e-NVM閃存母產(chǎn)品的相同功能，能夠滿足主要技術規(guī)格的要求。該解決方案證明，在最惡劣的汽車環(huán)境中，PCM至少可以替代閃存，解決高電壓需求的挑戰(zhàn)，促進嵌入式技術縮小尺寸。