Characterization of a microcontroller device with embedded phase change memory depending on the heater deposition process for automotive market

Microcontrollers with integrated phase-change memory (PCM) offer an excellent solution in the automotive market to maintain high device quality and reliability, ensuring excellent performance, great versatility, and high safety during their operativity time. At the same time, they allow for greater scalability of device size compared to microcontrollers with integrated flash non-volatile memory. The following discussion provides a qualitative and reliability comparison between Chemical Vapor Deposition (CVD) and Atomic Layer Deposition (ALD) for the realization of the PCM heating element, which is fundamental to ensure the correct functioning of the technology. Devices using CVD have been taken as the point of reference (POR) since CVD technology has been used so far for PCM products. For devices with ALD, the best process characteristics were evaluated based on the realization of heaters with three different thicknesses to understand if ALD could be a valid alternative to CVD during production. The comparison between the two deposition processes was carried out through electrical tests on the same type of test vehicle: a microcontroller with integrated PCM and P28 transistor technology, i.e., with a 28nm channel length for the smallest transistor structure. The electrical tests performed on the device consist of resistance tests to write and erase cycles (FET) and high-temperature data retention tests (HTDR) to understand the efficiency and field behavior of such devices during the 15 years of operation they must guarantee. These tests were carried out considering the automotive standards AEC-Q100 and JEDEC, as well as possible customer needs, to provide a comprehensive evaluation of the advantages and disadvantages that the new deposition technology offers at an industrial level, with the aim, if positively evaluated, of implementing ALD for the realization of future microcontrollers with integrated PCM for cars.

I microcontrollori con memoria non-volatile a cambio di fase (PCM) integrata offrono un’ottima soluzione nel mercato automobilistico per mantenere un’elevata qualità e affidabilità del dispositivo, garantendo eccellenti prestazioni, grande versatilità e un’alta sicurezza durante il loro tempo di utilizzo, tuttavia permettendo allo stesso tempo una maggiore scalabilità delle dimensioni del dispositivo rispetto ai microcontrollori con memoria non-volatile flash integrata. La seguente trattazione offre un confronto a livello qualitativo e affidabilistico tra la Deposizione Chimica da fase Vapore (CVD) e la Deposizione a Strati Atomici (ALD) per la realizzazione dell’elemento riscaldante della PCM, fondamentale per garantire un corretto funzionamento della tecnologia. I dispositivi in cui è stata utilizzata CVD sono stati presi come punto di riferimento (POR) poichè la tecnologia CVD è quella utilizzata fino ad ora per i prodotti con PCM, mentre per i dispositivi con ALD sono state valutate le caratteristiche di processo migliori in base a tre differenti spessori del riscaldatore ottenuti per capire se l’ALD si possa rivelare una valida alternativa alla CVD durante la produzione. Il confronto tra i due processi di deposizione è stato eseguito tramite test di carattere elettrico sulla medesima tipologia di dispositivo di prova: un microcontrollore con PCM integrata e tecnologia transistor in P28, ossia con una lunghezza di 28nm del canale per la più piccola struttura di transistor. Le prove elettriche che sono state effettuate sul dispositivo consistono in prove di resistenza a cicli di scrittura e cancellazione (FET) e prove di ritenzione del dato ad alta temperature (HTDR) per comprendere l’efficienza ed il comportamento sul campo di tali dispositivi durante i 15 anni di operatività che devono garantire. Tali prove sono state portate avanti tenendo conto degli standard automotive AEC-Q100 e JEDEC ma anche delle possibili necessità del cliente, al fine di una valutazione globale dei vantaggi e degli svantaggi che la nuova tecnologia di deposizione offre a livello industriale, con l’obiettivo, se valutata positivamente, di implementare l’ALD per la realizzazione dei futuri microcontrollori con PCM integrata per automobili.