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英特爾90奈米StrataFlash行動NOR快閃記憶體揭密

上網時間: 2006年06月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:StrataFlash  M18  NOR  NAND  快閃記憶體 

關於行動電話市場是否會轉向採用NAND快閃記憶體,目前情況還不甚明朗。但是即使真的這樣,英特爾的M18也為用戶提供了一種替代NAND的快閃記憶體方案。

被英特爾公司寄以厚望的90nm StrataFlash蜂巢式記憶體M18系列晶片已經問世,根據Semiconductor Insights (SI)對其中一款型號為28F512M18R的晶片所進行的評估,其裸晶尺寸的高效率及性能優勢使其成為市場上最先進的NOR元件。這款512Mb的NOR快閃記憶體操作電壓1.8V,突發頻率108MHz,裸晶尺寸為43.8mm2。它採用英特爾的多層單元(MLC)技術,能在單一記憶體單元上儲存2位元數據,進而將快閃記憶體密度提升一倍。

M18瞄準行動嵌入式快閃記憶體市場。其512Mb的容量正好滿足了下一代手機對嵌入式記憶體的要求。據SI的分析,M18讓英特爾領先了其最接近的競爭對手Spansion,但Spansion也藉由在今年初提供110奈米製程的元件來縮小這部份差距。不過,由於Spansion針對無線裝置用的90奈米元件供貨時程並不如預期,而是延至2006年中,因此M18的問世強化了英特爾的技術領先地位。

M18在製造過程中採用了第九代Etox製程,這種製程的來源可追溯至英特爾1983年首次展開快閃記憶體開發之時。在1980年代中期,英特爾推出的第一批快閃記憶體晶片容量為64Kb,採用1.5微米技術,單元面積為36um2。與20年前的快閃記憶體相比,M18的儲存容量提高了近4倍,但單元尺寸卻縮小了470多倍。

銅製程和低k電介質(氟化矽玻璃,FSG)是M18控制電路的基礎,此外,首次用在商用記憶體中的銅互連也為英特爾的設計師們提供了更大的靈活度,讓他們得以實現更長的訊號線佈局。但其最主要的優勢還是讓M18及其今後的修正版能達到原有材料所無法達到的速度性能。

圖1:NOR快閃記憶體競爭產品分析,英特爾依靠M18領先於Spansion

M18製程中結合了從高速銅走線到高度微縮的邏輯電晶體以及高效能快閃記憶體單元設計等先進技術,借助M18,英特爾已經為NOR建立了新的標準。

裸晶細微差別影響元件性能

Do die size, shape matter?

表面上看來,M18與SI過去評估過的幾款英特爾StrataFlash產品極為相似,但其本身存在的細微差別卻對元件的表現與功能具有舉足輕重的作用。其中一項差別就是裸晶的長寬比。之前的StrataFlash元件長寬比通常很大,而M18的長度和寬度幾乎相當。這只是一個很小的差別,但從設計和應用的角度來看,它卻具有相當大的意義。

英特爾必須延伸位元線的長度,即通往記憶體單元的走線,以製造更寬的裸晶。唯有如此,才能在裸晶寬度增加後使位元線仍能橫越裸晶。但是更長的位元線會相對增加電容和阻抗,從而降低感應方案的速度和精度。記憶體製造商可以採用像局部/全局位元線排列等不同的位元線架構,但這將降低裸晶效率。

英特爾採用了局部/全局位元線架構,同時延長了其全局位元線的長度。這種架構的建構要歸功於M18採用的銅製程與FSG電介質,因為銅位元線阻抗較低,而FSG電介質則降低了電容。

英特爾採用這種新長寬比的目的是實現M18的相互堆疊以及M18與其它元件的堆疊。為保證封裝堆疊的可靠性,被堆疊的元件尺寸必需相近。這種堆疊封裝的能力對行動記憶體十分重要,因為可節省寶貴的電路板空間。

裸晶效率

另外,M18裸晶擁有良好的裸晶效率,所謂裸晶效率是指記憶體單元所佔的裸晶面積與總裸晶面積比。純就M18而言,其裸晶效率為46%,但考慮到MLC技術後,其裸晶效率就上升到92%。這顯然優於Spansion在110nm製程的35%和70%。

M18之所以能有這麼高的裸晶效率,是因為英特爾決定採用陣列架構,並大幅減小了週邊電晶體的尺寸。

不僅裸晶效率高,M18還在其裸晶尺寸上實現了高達11.6Mb/mm2的比例。這個數字比最接近的競爭元件要高出一倍多,因此為元件的裸晶尺寸利用率提供了通用基準。11.6Mb/mm2約與美光、三星和Hynix等廠商生產的單層單元NAND快閃記憶體相當,而這些元件可能會在嵌入式領域與StrataFlash競爭。

M18還重新設計了記憶體單元的感應方案,改良了電路設計,並採用一套更全面的冗餘方案。在這些變更中,記憶體單元感應方案的修改最為重要,因為這代表M18修改了過去StrataFlash元件中從未觸碰過的核心電路單元。

過去,英特爾一直採用電流參考感應方案,即透過比較來自於參考記憶體單元到讀取記憶體單元等不同電流,確定讀取記憶體單元中儲存的值。M18並未採用這種方案,而是採用一個步進參考電壓產生器或一個參考電壓來讀取記憶體單元的內容。

這種參考電壓感應方案改善了感應裕量,從而提高了感應作業的可靠性。這種新的感應方案受溫度波動的影響更小,也不會受參考電流的變化影響。英特爾聲稱,這種新的感應結構將使其快閃記憶體技術能良好地轉移到65nm和45nm製程節點。因此,在從130nm向90nm轉換的過程中重新設計這一部份,將有助於英特爾快閃記憶體技術向更先進的製程尺寸轉移。

在分析M18時,SI還發現它採用了一種更先進的電路設計。其資料通路分析顯示,這種改良的電路設計減小了電路面積,並使電路能以更高速度操作。

此外,M18還擁有相當多的冗餘電路,而且佔據了大量裸晶空間。冗餘是記憶體產業的熱門話題,因為冗餘電路會佔據裸晶面積,從而提高每個裸晶的成本。但冗餘電路也能增加產量,因為它們能夠提高良率。NOR快閃記憶體用戶與NAND用戶不同,他們不希望記憶體中出現壞的扇區,所以冗餘電路對NOR而言十分重要。

英特爾選擇以增加裸晶成本為代價提高產量,主要是為了提高裸晶的利用率。

90nm StrataFlash系列主要瞄準行動市場,這個市場需要用NOR快閃記憶體進行程式碼執行和記憶體儲存。根據SI的分析,在當前的手機中,NOR快閃記憶體的最佳容量在128Mb到256Mb之間。我們預計,這一數字將隨手機整合度和複雜度的增加而擴大。

M18的特點包括可靠性更強、功耗更低,且單位面積儲存密度的指標可與1Gb/2Gb單層單元NAND快閃記憶體媲美。這一切都決定了512Mb的M18元件將能滿足低階到中階手機市場的要求,並阻擋NAND快閃記憶體廠商獲得設計勝出的態勢。

M18還擁有一種深度省電模式,並且能夠達到108MHz的突發速度。對於渴望延長電池使用時間的手機廠商而言,省電模式非常重要。而且M18的突發速度也說明它在現有StrataFlash元件的基礎上有了重大的改善,因為現有元件的突發速度只能達到54MHz。

今後,英特爾的工作重點將轉向65nm,而且很可能視Spansion 90nm無線快閃記憶體的發佈日期而擴大其技術領先優勢。後續問題還需觀察M18技術向65nm節點轉移的情況。

作者簡介:Geoff MacGillivray是Semiconductor Insights公司的記憶體分析師,電子郵件為geoffrey@semiconductor.com。

作者:Geoff MacGillivray




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