Suchen

Penta-Level-Cells: Kioxia zeigt neue halbkreisförmige 3D-Flash-Speicherzelle

| Redakteur: Michael Eckstein

Halbkreis für mehr Dichte: Die neuartige Split-Gate-Technologie „Twin BiCS FLASH“ soll die Bitdichte von Flash-Speicherchips erhöhen und erstmals Penta-Level-Zellen (PLC) als Großserienprodukt ermöglichen.

Firmen zum Thema

Bild 1: Gefertigte halbkreisförmige Floating-Gate-Zellen, (a) Querschnittsansicht, (b) Draufsicht.
Bild 1: Gefertigte halbkreisförmige Floating-Gate-Zellen, (a) Querschnittsansicht, (b) Draufsicht.
(Bild: Kioxia Corporation)

Unter neuem Namen stellt Kioxia (zuvor Toshiba Memory) sein erstes Produkt vor: „Twin BiCS FLASH“ ist nach Aussagen des Unternehmens der weltweit erste dreidimensionale (3D) Flash-Speicher mit einem halbkreisförmigen Split-Gate-Flash-Speicheraufbau. Laut Hersteller bilden halbkreisförmige Floating-Gate-(FG-)Zellen die Basis der Architektur, deren Vorteile ein größeres Programmier-/Löschfenster bei einer viel kleineren Zellengröße im Vergleich zu herkömmlichen kreisförmigen Charge-Trap-(CT-)Zellen sein soll. Nach Angaben des Anbieters hat der neue Zellenaufbau das Potenzial, mehr als vier Bits pro Zelle (QLC) zu speichern und damit eine deutlich höhere Speicherdichte bei weniger Lagen (Layer) zu erzielen. Das Unternehmen hat die Technologie auf dem IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Mitte Dezember in San Francisco, Kalifornien, vorgestellt.

Die 3D-Flash-Speichertechnologie hat laut Anbieter durch eine höhere Zahl gestapelter Zelllagen (Cell Stacked Layers), Mehrlagenstapel-Abscheidung (Multilayer Stack Deposition) und schmalen, tiefgeätzten Gräben im Siliziumsubstrat (High Aspect Ratio Etching) eine hohe Bitdichte bei niedrigen Kosten pro Bit erreicht. In den letzten Jahren – als die Zahl der Zelllagen mehr als 100 erreicht hat – wurde es immer schwieriger, die Kompromisse zwischen Ätzprofil, einheitlicher Strukturgröße und Produktivität zu bewältigen. Um dieses Problem zu lösen, hat Kioxia den neuen halbkreisförmigen Zellenaufbau entwickelt: Die Gate-Elektrode ist in der konventionellen kreisförmigen Zelle aufgeteilt, um die Zellengröße zu verringern und Speicher mit höherer Dichte zu ermöglichen.

Bildergalerie

Krümmungseffekt sorgt für verstärkte Injektion von Ladungsträgern

Das kreisförmige Steuer-Gate hat ein größeres Programmierfenster mit weniger strengen Sättigungsanforderungen im Vergleich zu einem planaren Gate. Dafür sorgt der Krümmungseffekt, bei dem die Ladungsträgerinjektion durch das Tunneldielektrikum verstärkt wird, während sich der Elektronenverlust zum Block-(BLK-)Dielektrikum hin verringert.

Bei diesem Split-Gate-Zellendesign ist das kreisförmige Steuer-Gate symmetrisch in zwei halbkreisförmige Gates unterteilt, um die stark verbesserte Programmier- und Löschdynamik auszunutzen. Wie in Bild 1 (siehe Bilderstrecke) dargestellt, wird die leitfähige Speicherschicht für das effiziente Einfangen von Ladungen in Verbindung mit BLK-Dielektrika mit hohem k-Wert verwendet, wodurch ein hohes Kopplungsverhältnis zum Gewinn des Programmierfensters sowie ein geringerer Elektronenverlust aus dem FG erzielt wird. Damit verringert sich das Sättigungsproblem.

Auf dem Weg zur Penta-Level-Zelle (PLC)

Die experimentellen Programmier- und Löschmerkmale in Bild 2 zeigen, dass die halbkreisförmigen FG-Zellen mit High-k-BLK erhebliche Gewinne bei der Programmierleistung und im Programmier- und Löschfenster gegenüber den größeren kreisförmigen CT-Zellen aufweisen. Kioxia erwartet, dass die halbkreisförmigen FG-Zellen mit ihren nacheigenen Angaben besseren Programmier- und Löscheigenschaften vergleichsweise enge QLC-Verteilungen der Ladungsmengen (Vt) bei kleiner Zellgröße erzielen. Darüber hinaus soll die Integration eines Low-Trap-Si-Kanals mehr als vier Bit pro Zelle möglich machen, z.B. eine Penta-Level-Zelle (PLC) (Bild 3). Laut Kioxia bestätigen die bisherigen Ergebnisse, dass halbkreisförmige FG-Zellen eine geeignete Option zum Erzielen einer höheren Bitdichte sind.

Kioxia will Twin BiCS FLASH weiter erforschen und möglichst bald marktreife Produkte daraus entwickeln. Neben Twin BiCS FLASH hat das Unternehmen noch sechs weitere Projekte auf der IEDM 2019 präsentiert, die in den eigenen Forschungslaboren entstammen.

Nach der Umbenennung von Toshiba Memory in Kioxia hat das Unternehmen am 1. Oktober 2019 offiziell seinen Betrieb aufgenommen. Wie sein Vorgänger entwickelt, fertigt und vertreibt Kioxia Speicherlösungen, Flash-Speicher und Solid-State-Laufwerke (SSDs). Im April 2017 wurde sein Vorgänger Toshiba Memory aus der Toshiba Corporation ausgegliedert – dem Unternehmen, das 1987 den NAND-Flash-Speicher erfunden hat.

(ID:46296717)