Phase-Change Memory: Automotive-Mikrocontroller mit Embedded-PCM

| Redakteur: Michael Eckstein

Schnittbild: Das Heizelement (heater) dient zum Umschalten der ePCM-Speicherzelle zwischen ihrem polykristallinen und ihrem amorphen Zustand.
Schnittbild: Das Heizelement (heater) dient zum Umschalten der ePCM-Speicherzelle zwischen ihrem polykristallinen und ihrem amorphen Zustand. (Bild: ST Microelectronics)

Der neue nichtflüchtige Embedded-PCM-Speicher von STMicroelectronics funktioniert auch bei +165 °C und erfüllt AEC-Q100 Grad 0. Die neuen Chips nutzen die Vorteile der Silicon-on-Insulator-(SOI-)Technologie – genau wie die SOTB-Embedded-Controller von Konkurrent Renesas.

Gerüstet für steigende Anforderungen im Automobilbau: Auf dem International Electron Devices Meeting (IEDM) in San Francisco hat STMicroelectronics (ST) Mikrocontroller (MCU) mit integriertem Embedded Phasenwechselspeicher (Embedded Phase-Change Memory, ePCM) angekündigt und ein 16-MBit-ePCM-Array präsentiert. Nach Angaben des Halbleiterherstellers werden dies die ersten MCUs sein, die mit der FD-SOI-(Fully Depleted Silicon-on-Insulator-)Technologie hergestellt werden und die noch recht junge PCM-Speichertechnik nutzen. Mögliche Einsatzgebiete sieht ST in Antriebsstrangsystemen, Gateways, Sicherheits- und ADAS-Anwendungen sowie allgemein in der Fahrzeugelektrifizierung.

Das ePCM von ST besteht aus einer Germanium-Antimon-Tellurium-(GST)-Legierung. Das Material kann, angestoßen durch kontrollierte Hitzeimpulse eines Wärmeelements, zwischen amorphem und polykristallinem Zustand wechseln und so seine physikalischen und elektrischen Eigenschaften ändern. Im amorphen Zustand ist der elektrische Widerstand hoch, im polykristallinen Zustand niedrig. Diese Zustände entsprechen den Logikwerten 0 und 1.

Silicon-on-Insulator-Prozess für hohe Energieeffizienz

Zum Fertigen der bis zu 28 Nanometer kleinen Strukturgrößen setzt ST die FD-SOI-Technologie ein: „Fully Depleted Silicon-on-Insulator“ bezeichnet eine Prozesstechnik, bei der eine dünne Siliziumschicht – diese bildet den Kanal eines Transistors – durch eine ebenfalls dünne, isolierende Schicht vom darunter liegenden Silizium-Substrat getrennt wird. Diese als BOX, kurz für „buried oxid“ bezeichnete Technik verhindert den Abfluss von Elektronen aus dem Kanal in das Substrat.

Bei FD-SOI-Transistoren ist die SOI-Schicht besonders dünn. Bereits eine relativ geringe Gate-Spannung reicht aus, um sie vollständig zu verarmen. Durch diesen Kniff sinken Schwellspannung und Leckströme, zudem ist der „Floating-Body“-Hystereseffekt weniger stark ausgeprägt. Das Ergebnis: Integrierte Transistoren lassen sich mit erheblich geringeren Arbeitsströmen betreiben, was der Energieeffizienz zugutekommt. Auch soll der Aufbau für kürzere Schaltzeiten sorgen, was die Geschwindigkeit von Rechenwerk und Speicher erhöht.

Gleichzeitig wirkt die Isolationsschicht wie ein Schild gegenüber ionisierender Strahlung. Die integrierten Schaltungen sind daher unempfindlicher gegenüber Störungen, was gerade in sicherheitskritischen Anwendungen wie dem Automobilbau ein weiterer Vorteil ist. Mit der vergleichbaren SOTB-Prozesstechnologie hat Konkurrent Renesas es nach eigenen Angaben geschafft, den Strombedarf von MCUs um 90 Prozent senken.

„Technologieunabhängige Back-End-Prozesstechnologie“

Während Flash-basierte Speicher vor dem Beschreiben zunächst byte- oder sektorweise gelöscht werden müssen, lässt sich bei PCM-Speichern der Inhalt jeder Speicherzelle einzeln ändern. „Dies verringert die Komplexität der Software, die das Speichern von Daten steuert“, sagt Marco Monti, President der Automotive and Discrete Group von ST.

ST bezeichnet ePCM als „Backend-Technologie, die das nichtflüchtige Speicherzellen-Prozessmodul von den komplexen Logik-Transistor-Modulen des Front-Ends trennt“. Als metallisierungsbasierter Back-End-Prozess sei ePCM technologieunabhängig. Dadurch könne es in nahezu jeden Technologieknoten eingebettet werden.

Gespeicherte Daten bleiben im Lötprozess erhalten

Fraglos schrauben moderne Applikationen nicht nur, aber besonders im Automotive-Bereich die Anforderungen an die eingesetzten Halbleiterschaltungen enorm nach oben: Der Bedarf an Rechenleistung, Speicherausstattung und Flexibilität steigt, gleichzeitig soll der Stromverbrauch möglichst gering sein. Dies erfordert laut ST neue Ansätze beim Design von Automotive-MCUs.

„Da die Komplexität und Größe beispielsweise von Firmware drastisch zunimmt, benötigen Embedded-Entwickler mehr integrierten Speicher“, sagt Monti. ePCM würde eine Lösung auf Chip- und Systemebene bereitstellen. Der Speicher funktioniert demnach bei Temperaturen von bis zu +165 °C und erfüllt die Anforderungen der Norm AEC-Q100 Grad 0. Gespeicherte Daten wie eine Firmware würden selbst bei Hochtemperatur-Reflow-Lötprozess erhalten bleiben, sie kann also bereits im Vorfeld einprogrammiert werden. „Diese Unempfindlichkeit sorgt für zusätzliche Datensicherheit“, erklärt Monti.

FD-SOI-Prozess für nichtflüchtiges Phase-Change Memory

Zunächst habe man das eigene Prozess-, Design-, Technologie- und Anwendungs-Know-how für die Fertigung von ePCM anpassen müssen, erklärt Monti. „Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem wir den nichtflüchtigen ePCM-Speicher mit dem FD-SOI-Prozess kombinieren können“, sagt Monti. Dadurch sei man jetzt in der Lage, leistungsstarke und energiesparende Automobil-Mikrocontroller zu kombinieren.

Muster erster ePCM-basierter Produkte hat ST bereits an erste Kunden zur frühzeitigen Evaluierung geliefert. Feldversuche zum Überprüfen der Tauglichkeit für Automobilanwendungen sollen sukkzessive folgen. Eine vollständige Qualifizierung der Technologie für den vorgesehenen Einsatzbereich erwartet ST für 2020.

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