Reliability study of a new microcontroller with embedded flash memory for automotive market

Microcontroller devices with embedded flash memory show a remarkable potential for the automotive market particularly for mid/high-end powertrain and body applications, thanks to their versatility, fast computational speed and the high level of reliability for safety purposes. Hereinafter, a new microcontroller device produced with an innovative CMOS M40 technology node, characterized by a 40 nanometers channel length for the smallest structure of transistor, which allows the achievement of better performances with respect to the previous generation nodes, is extensively described respect to the logic part and to the flash memory with a focus on the reliability aspects following AEC-Q100 and JEDEC automotive standards. The degradation of the main logic peripherals blocks (IPs) which is mostly related to the degradation of insulating oxides in transistors, has been reproduced with targeted test (HTOL and LTOL) accelerated in temperature (from -40°C to 150°C junction temperature) and in supplied voltage. Write and erase cycles endurance (FET Room and FET Mix) and data retention tests (HTDR and LTDR) has been performed on the flash memory to verify the reliability of it and an evaluation of the possible number of failures on field due to data loss has been done. Finally, all the results coming from the logic part of the device have been characterized respect to consumptions, operative frequencies and minimum threshold voltages and compared to the ones obtained on process test vehicles (TV). On the basis of the great results, obtained during the qualification, a scientific article has been published to describe the “robust qualification” approach followed by STMicroelectronics respect to the qualification of a new product.

I microcontrollori con memorie flash integrate possiedono un grandissimo potenziale per il mercato automobilistico, in particolare per applicazioni motore e trasmissione che richiedono alte prestazioni grazie alla loro versatilità, le alte velocità computazionali e il grande livello di affidabilità in applicazioni riguardanti la sicurezza. Nel seguito viene ampliamente descritto un nuovo microcontrollore prodotto con una avanzata tecnologia CMOS denominata M40, caratterizzato quindi da una lunghezza del canale di 40 nanometri per la più piccola struttura di transistor che permette il raggiungimento di prestazioni superiori rispetto al nodo tecnologico precedente, sia per quel che riguarda la parte di logica, sia per la memoria flash, approfondendo l’aspetto affidabilistico tenendo conto degli standard automobilistici AEC-Q100 e JEDEC. Il degrado dei principali blocchi di periferiche logiche (IPs), che è in stretta correlazione con il degrado degli ossidi isolanti nei transistor, è stato riprodotto tramite mirati test (HTOL e LTOL) accelerati in temperatura (da -40°C a 150°C temperatura di giunzione) e in tensione di alimentazione. Sulla memoria flash sono state effettuate prove di resistenza ai cicli di scrittura e cancellazione (FET Room e FET Mix) e prove di ritenzione del dato (HTDR e LTDR) per verificarne l’affidabilità ed è inoltre stata fatta una stima sul numero dei possibili fallimenti sul campo dovuti a perdite del dato. Infine, tutti i risultati derivanti dal degrado della parte logica del dispositivo sono stati caratterizzati rispetto ai consumi, alle frequenze operative e alle tensioni minime di soglia e paragonati con quelli ottenuti sui test vehicle (TV) di processo. Grazie ai buoni risultati ottenuti e alla corrispondenza dei dati tra questi ultimi è stato pubblicato un articolo scientifico per dimostrare l’approccio di “robust qualification” seguito in STMicroelectronics rispetto alla qualifica di un nuovo prodotto.