Объемные кристаллы памяти - Время электроники

Потенциал масштабирования планарных кристаллов практически исчерпан, и производители ищут альтернативные способы повышения интеграции. Перспективным решением является переход на объемные структуры. В статье рассмотрена технология изготовления объемных кристаллов NAND, предлагаемая компанией Samsung.

За последние 40 лет ячейки памяти изготавливались на основе полевых транзисторов с плавающим затвором. Когда был достигнут технологический уровень 10 нм, появилась проблема дальнейшего масштабирования, поскольку из-за интерференции между ячейками снижается надежность.

Компания Samsung обошла данную проблему, изготовив объемные кристаллы памяти. Они состоят из цилиндрических ячеек (технология 3D Charge Trap Flash Cell), расположенных друг над другом.

Захват заряда в объемных кристаллах

Технология Charge Trap Flash (CTF) используется при изготовлении флэш-памяти NOR и NAND. В отличие от технологии полевых транзисторов с плавающим затворов вместо легированного слоя поликристаллического кремния в данной технологии используется подложка из нитрида кремния для хранения электронов.

Преимущества данной технологии, позволяющие снизить стоимость производства:

Для изготовления слоя захвата заряда требуется меньше производственных стадий.
Меньший размер и стоимость кристалла.
В одной ячейке может храниться несколько битов.
Более высокая надежность.
Более высокий выход, поскольку charge trap менее подвержены точечным дефектам в слое оксида.

Заряд может храниться на ловушках, как на плавающем затворе. Большое количество циклов записи приводит к повреждению слоя оксида и появлению дефектов в нем. Большое количество дефектов может привести к короткому замыканию между плавающим затвором и каналом транзистора, и заряд утечет с затвора. Это является главной причиной изнашивания флэш-памяти. Для предотвращения этого эффекта плавающий затвор изготавливается на толстом слое затвора (около 100 Å), однако это приводит к снижению скорости записи, если используется туннелирование по Фаулеру-Нордхайму. Приходится повышать напряжение туннелирования, что приводит к увеличению нагрузки на остальные части кристалла.

Ячейки на основе ловушек менее подвержены этому эффекту, поскольку слой захвата изготовлен из диэлектрика (нитрид кремния).

Другое преимущество использования захвата заряда заключается в том, что слой захвата имеет небольшую толщину, поэтому емкостная связь между соседними ячейками ослабляется. Это позволяет добиться лучших характеристик и расширяет пределы масштабирования.

Электроны заходят на слой с ловушками так же, как в ячейках NOR с плавающим затвором. На управляющий затвор подается более высокое напряжение, чем на исток и сток. Ток направлен от истока ко стоку. Электроны, получившие большую энергию, проходят через область сильного поля вблизи стока и выходят из канала, попадая в слой с ловушками.

Рис. 1. Стадии изготовления объемного кристалла: а) поочередное осаждение слоев оксида и поликремния; b) вытравливание полости; с) осаждение оксида по краям полости; d) добавление слоя нитрида кремния; e) окисление стенок полости; f) заполнение полости поликремнием

Упрощенная структура стека слоев с ячейками памяти показана на рисунке выше. Красным изображены проводящие слои поликремния, серым – слои диоксида кремния (изолятор). Желтым обозначен слой захвата заряда, изготовленный из нитрида кремния. По аналогии с полевым транзистором вертикальный красный слой поликремния представляет собой канал, чередующиеся красные слои – управляющие затворы.

Заряд удаляется посредством инжекции горячих дырок. Дырки заносятся в слой с ловушками под действием поля, а не током, как это делается при туннелировании по Фаулеру-Нордхайму.

Поскольку слой нитрида кремния не проводит электрический ток, стадия нанесения шаблона исключается из производственного процесса. Также он менее подвержен действию высоких температур, за счет чего упрощается изготовление слоев, расположенных над слоем нитрида кремния.

Применение

Компания Samsung Electronics пополнила семейство объемных модулей флэш-памяти V-NAND, которое было представлено в августе 2013 г. По сравнению с планарными чипами 20 нм объемные кристаллы почти вдвое меньше.

Новая модель имеет емкость 128 Гбит, а также твердотельные накопители емкостью 960 Гбайт и 480 Гбайт. Они содержат 64 кристалла 3D V-NAND емкостью 128 Гбит каждый и отличаются на 20% более высокой скоростью записи и на 40% меньшим потреблением (чем ячейки на полевых транзисторах 10 нм).

Накопитель Samsung V-NAND SSD SV843 выпускается емкостью 960 Гбайт и 480 Гбайт. В накопителе емкостью 960 Гбайт установлено 64 кристалла V-NAND емкостью 128 Гбит каждый, интерфейсный контроллер SATA 6 Гбит/с. Количество циклов перезаписи превышает 35 тыс. Размер корпуса составляет 10 см х 7 см х 7 мм (2,5″).

Согласно исследованиям компании iSuppli, к 2016 г. мировой рынок NAND достигнет 30,8 млрд. Среднегодовой рост составит около 11%. Это один из наиболее высоких показателей среди областей электронной отрасли.

Среди других компаний, занимающихся разработкой объемных кристаллов памяти, следует отметить Samsung, Toshiba, AMD и Fujitsu (совместное предприятие Spansion).

Источник: «Электронные компоненты»

Захват заряда в объемных кристаллах

Применение

Оставьте отзывОтмена