KIOXIA entwickelt neue halbkreisförmige 3-D-Flashspeicherzelle „Twin BiCS FLASH“

Die KIOXIA Europe GmbH stellt mit „Twin BiCS FLASH“ die weltweit erste^[1] dreidimensionale (3-D) halbkreisförmige Split-Gate-Flashspeicherstruktur vor, die auf speziell entwickelten halbkreisförmigen Floating-Gate-Zellen (FG) basiert. Twin BiCS FLASH bietet eine herausragende Programmierleistung und ein größeres Programmier-/Löschfenster bei einer deutlich kleineren Zellengröße im Vergleich zu herkömmlichen kreisförmigen Charge-Trap-Zellen (CT). Der neue Zellenaufbau hat damit das Potenzial, vier Bits pro Zelle (QLC) zu übertreffen und so eine deutlich höhere Speicherdichte und weniger Stapellagen (Stacking Layers) zu erzielen. Die Technologie wurde auf dem IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) am 11. Dezember in San Francisco, Kalifornien, vorgestellt.

Die 3-D-Flashspeichertechnologie hat durch eine höhere Anzahl gestapelter Zelllagen (Cell Stacked Layers) sowie durch Mehrlagenstapeldeposition (Multilayer Stack Deposition) und Ätzen bei hohem Seitenverhältnis (High Aspect Ratio Etching) eine hohe Bitdichte bei niedrigen Kosten pro Bit erreicht. In den letzten Jahren, insbesondere nachdem die Zahl der Zelllagen die 100 überschritten hatte, wurde es immer schwieriger, Kompromisse zwischen Ätzprofil, Größeneinheitlichkeit und Produktivität aufeinander abzustimmen. Um dieses Problem zu lösen, hat KIOXIA einen neuen halbkreisförmigen Zellenaufbau entwickelt, bei dem die Gate-Elektrode in der konventionellen kreisförmigen Zelle aufgeteilt wurde, um die Zellengröße zu verringern und Speicher mit höherer Dichte bei einer geringeren Anzahl von Zelllagen zu ermöglichen.

Das kreisförmige Steuergate bietet ein größeres Programmierfenster mit weniger strengen Sättigungsanforderungen im Vergleich zu einem planaren Gate. Grund dafür ist der Krümmungseffekt, bei dem die Ladungsträgerinjektion durch das Tunneldielektrikum verstärkt wird, während sich der Elektronenverlust zum BLK-Dielektrikum verringert. Bei diesem Split-Gate-Zellendesign ist das kreisförmige Steuergate symmetrisch in zwei halbkreisförmige Gates unterteilt, um die stark verbesserte Programmier-/Löschdynamik auszunutzen. Wie in Abb. 1 dargestellt, wird die leitfähige Speicherschicht für das effiziente Einfangen von Ladungen in Verbindung mit High-k-BLK-Dielektrika verwendet, wodurch ein hohes Kopplungsverhältnis zum Gewinn des Programmierfensters sowie ein geringerer Elektronenverlust aus dem FG erzielt wird. Damit verringert sich das Sättigungsproblem. Die experimentellen Programmier-/Löschmerkmale in Abb. 2 zeigen, dass die halbkreisförmigen FG-Zellen mit High-k-BLK erhebliche Gewinne bei der Programmierleistung und im Programmier-/Löschfenster gegenüber den größeren kreisförmigen CT-Zellen einfahren. Es wird erwartet, dass die halbkreisförmigen FG-Zellen mit ihren verbesserten Programmier-/Löscheigenschaften vergleichsweise enge QLC-Vt-Verteilungen bei geringer Zellgröße erzielen. Darüber hinaus ermöglicht die Integration eines Low-Trap-Si-Kanals mehr als vier Bit pro Zelle und damit z. B. eine Penta-Level-Zelle (PLC) wie in Abb. 3 gezeigt. Diese Ergebnisse bestätigen, dass halbkreisförmige FG-Zellen eine geeignete Option sind, um eine höhere Bitdichte zu erzielen.

Die Forschung und Entwicklung seitens KIOXIA rund um Neuerungen bei Flashspeichern wird künftig die Weiterentwicklung von Twin BiCS FLASH und die Suche nach praktischen Anwendungen umfassen. Auf der IEDM 2019 stellte KIOXIA außerdem sechs weitere Papers vor, welche die intensiven R&D-Aktivitäten des Unternehmens im Bereich Flashspeicher hervorheben.

Abbildung 1 – Gefertigte halbkreisförmige FG-Zellen (a) Querschnittsansicht (b) Draufsicht

Abbildung 2 – Experimentelle Programmier-/Löschmerkmale beim Vergleich der halbkreisförmigen FG-Zellen mit den kreisförmigen CT-Zellen

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Über KIOXIA Europe GmbH

Die KIOXIA Europe GmbH (ehemals Toshiba Memory Europe GmbH) ist die europäische Tochtergesellschaft der KIOXIA Corporation, dem weltweit führenden Anbieter von Flashspeichern und Solid-State-Laufwerken (SSDs). Von der Erfindung des Flashspeichers bis hin zur Entwicklung der bahnbrechenden „BiCS FLASH“-3-D-Technologie gilt KIOXIA als Pionier auf dem Gebiet innovativer Speicherlösungen und -dienste, welche das Leben der Menschen bereichern und den Horizont der Gesellschaft erweitern. Die innovative 3-D-Flashspeichertechnologie des Unternehmens, BiCS FLASH, ist dabei zukunftsweisend für High-Density-Speicherlösungen für moderne Smartphones, PCs, SSDs, Automobilelektronik und Rechenzentren.