Что внутри 20-нм 3D-флеш-памяти NAND от Intel?

Специалисты UBM TechInsights препарировали новейшую флеш-память Intel и обсудили физические пределы данной технологии и пути ее дальнейшего развития.

Компания UBM TechInsights (являющейся дочерним подразделением издания EE Times) провела анализ 20-нм кристалла MLC NAND 64 Гбит производства IMFT с тем, чтобы выявить преимущества инновационной структуры ячейки.

Широкое распространение флеш-памяти NAND обусловлено, главным образом, непрерывным и бурным ростом рынка смартфонов и планшетников, а также увеличением использования твердотельных накопителей (SSD, solid state drives).

Совместное предприятие Intel и Micron, IM Flash Technologies (IMFT), в прошлом году разработало кристалл NAND емкостью несколько терабит. Микросхема изготавливается по технологическим нормам 20 нм и состоит из нескольких кристаллов, расположенных стопкой друг над другом.

За последние годы флеш-память NAND стала самой плотной среди коммерческих микросхем памяти благодаря большой физической масштабируемости и многоуровневым ячейкам (MLC, multi-level cell), содержащим два или три бита (см. рис.).

Недавний всплеск спроса на NAND для портативных устройств вылился в еще большее увеличение емкости. Одновременно увеличилась скорость работы и уменьшилась стоимость бита информации. Однако дальнейшее уменьшение размеров ячейки флеш-памяти может столкнуться с серьезным барьером на расстояниях меньше 20 нм.

В поисках решения этой проблемы компания IM Flash Technologies активно продолжает искать альтернативные пути уменьшения ячейки. В результате разработана и произведена многоуровневая ячейка NAND с высокой плотностью по технологическим нормам 20 нм. Ячейки используют отработанное на предыдущих интеловских техпроцессах сочетание материала с высокой диэлектрической проницаемостью и металлического слоя затвора (HKMG – high-k/metal gate). Такая конфигурация позволяет обойти многие физические и электрические ограничения, которые возникают на атомном уровне.

Компания UBM TechInsights проанализировала модуль NAND 64 Гбит, произведенный IMFT. Напомним, что IMFT первой в мире применила технологический уровень 20 нм для изготовления многоуровневой флеш-памяти. На данный момент компания является лидером в отрасли по уровню техпроцесса.

Размер кристалла NAND 64 Гбит составляет всего 117 мм². Это примерно на 30% меньше, чем для NAND такой же емкости, произведенной по технологии 25 нм. Кристаллы выполнены в корпусе TSOP с 48 выводами. Весь объем разделен на 4 банка. Эффективность использования площади составляет 52%. Это сравнимо с предыдущим уровнем технологии 24 нм (размер чипа был 162 мм²), см., например, здесь.

В классической ячейке NAND с плавающим затвором управляющий затвор и межслойный диэлектрик оборачивается вокруг плавающего затвора (см. рис.).

Коэффициент связи сильно зависит от размеров боковых сторон плавающего затвора.

Для уровня технологии 20 нм и меньше расстояние между ячейками становится настолько маленьким, что управляющий затвор располагается между плавающими. Таким образом, технологию изготовления планарных ячеек необходимо доработать, чтобы этого не происходило.

Альтернативный подход применила Samsung Electronics, предложив хранить информацию в заряде ловушек в слое нитрида (CTF – Charge trap flash). Ячейки также имеют планарную структуру. Однако за 5 последующих лет так и не сообщалось о значительных успехах в этой области.

Более вероятным решением для перехода на уровень 20 нм видится следующая конфигурация: металлический управляющий затвор (CG) и тонкий плавающий затвор (FG), между которыми расположен стек из диэлектриков (IGD) с высокой диэлектрической проницаемостью.

Технология IMFT позволяет обойти несколько серьезных проблем, которые возникают на нанометровом уровне. В частности решена проблема сближения плавающих затворов и возникновения перекрестных помех между ячейками. Кроме того, удалось уменьшить толщину межслойного диэлектрика (IPD – inter-poly dielectric) и повысить коэффициент связи между управляющим и плавающим затворами.

Для изготовления ячейки NAND на технологическом уровне 20 нм требуется применение продвинутых технологий уменьшения шага литографии, например, использование двойных шаблонов. Для нанесения рисунка на еще более низком уровне можно использовать учетверенные шаблоны. Однако это тупиковый путь, поскольку инструменты ультрафиолетовой литографии, которые используются при этом подходе, являются слишком дорогими для NAND. Ячейка NAND имеет размер примерно 40 нм х 40 нм, общая площадь 0,0017 мкм².

Недостаток технологии: многоуровневые ячейки намного быстрее деградируют (указано количество циклов перезаписи в зависимости от емкости ячейки и технологического уровня). Реальная длительность службы не соответствует требованиям ЕСС

В ячейке, которую предлагает IMFT, слой изоляции оксид-нитрид-оксид (ONO на рисунке ниже) между затворами заменен на стек изоляторов с высокой диэлектрической проницаемостью, который обеспечивает нужный коэффициент связи между плавающим и управляющим затвором. Плавающий затвор имеет большую толщину, скорее всего, для ослабления взаимной интерференции между ячейками. При миниатюризации структуры паразитные связи увеличиваются настолько, что параметры ячейки сильно ухудшаются. Это очень серьезная проблема в плане надежности. Чтобы этого избежать, применяется изоляция за счет воздушного зазора, который выступает как диэлектрик с невысокой диэлектрической поницаемостью. Контакты в столбцах памяти расположены в шахматном порядке, чтобы было проще проводить литографию.

Классический полевой транзистор для ячейки NAND

Новая архитектура и ключевые технологии IMFT являются очень перспективными для дальнейшего увеличения срока службы классических ячеек флеш-памяти и позволяют уменьшить их размер. В то же время, при дальнейшем уменьшении размеров до 1 нм придется управлять всего 20 электронами. Именно поэтому важны новые подходы и альтернативные решения, такие как многоуровневая ячейка IMFT, которые показывают, что наука готова к переходу на новые типы памяти. Например, в качестве альтернативы планарному подходу можно попробовать совместить CTF, о которой упоминалось выше, и трехмерную архитектуру.

Методики на основе плавающих затворов близки к физическому пределу, однако пока не все возможности исчерпаны. Мы подошли к тому моменту, когда развитие технологий должно изменить направление, и очень важно наблюдать за новыми идеями, чтобы не пропустить появление той самой революционной идеи.

Источник: EE Times

Оставьте отзывОтмена