Kioxia entwickelt die neue dreidimensionale halbkreisförmige Flash-Speicherzellenstruktur „Twin BiCS FLASH“

Die Kioxia Corporation gab heute die Entwicklung der weltweit ersten^[1] dreidimensionalen (3D) halbkreisförmigen Split-Gate-Flash-Speicherzellenstruktur „Twin BiCS FLASH“ mit speziell entwickelten halbkreisförmigen Floating-Gate-(FG)-Zellen bekannt. Twin BiCS FLASH erreicht eine bessere Programmsteigung und ein größeres Programm-/Löschfenster bei einer viel kleineren Zellgröße im Vergleich zu herkömmlichen kreisförmigen Charge-Trap-(CT)-Zellen. Diese Eigenschaften machen dieses neue Zelldesign zu einem vielversprechenden Anwärter, um vier Bits pro Zelle (QLC) für eine deutlich höhere Speicherdichte und weniger Stapelschichten zu übertreffen. Diese Technologie wurde auf dem IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) in San Francisco, Kalifornien, am 11. Dezember vorgestellt.

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Fabricated semicircular FG cells (a) Cross-sectional view (b) Plane view (Graphic: Business Wire)

Die 3D-Flashspeichertechnologie hat durch die Erhöhung der Anzahl der Zellstapelschichten sowie durch die Implementierung von mehrschichtiger Stapeldeposition und Ätzen mit hohem Abbildungsverhältnis eine hohe Bitdichte bei niedrigen Kosten pro Bit erreicht. In den letzten Jahren, während die Anzahl der Zellschichten 100 überstieg, wird das Management der Kompromisse zwischen Ätzprofilkontrolle, Größengleichmäßigkeit und Produktivität immer schwieriger. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte Kioxia ein neues halbkreisförmiges Zelldesign, bei dem die Gate-Elektrode in der konventionellen kreisförmigen Zelle gespalten wurde, um die Zellgröße im Vergleich zur herkömmlichen kreisförmigen Zelle zu reduzieren und einen Speicher mit höherer Dichte bei einer geringeren Anzahl von Zellschichten zu ermöglichen.

Das kreisförmige Steuergate bietet aufgrund des Krümmungseffekts ein größeres Programmfenster mit reduzierten Sättigungsproblemen im Vergleich zu einem planaren Gate, bei dem die Trägerinjektion durch das Tunneldielektrikum verstärkt wird, während die Elektronenleckage zum Block-(BLK-)Dielektrikum gesenkt wird. Bei diesem Split-Gate-Zellendesign wird das kreisförmige Steuergate symmetrisch in zwei halbrunde Gates unterteilt, um die Vorteile der starken Verbesserung der Programm-/Löschdynamik zu nutzen. Wie in Abb. 1 dargestellt, wird die leitfähige Speicherschicht in Verbindung mit den High-k BLK-Dielektrika für eine hohe Ladungseinfang-Effizienz eingesetzt, wodurch ein hohes Koppelverhältnis zur Verstärkung des Programmfensters sowie eine reduzierte Elektronenleckage aus dem FG erreicht wird, wodurch das Sättigungsproblem gelöst wird. Die experimentellen Programm-/Löschmerkmale in Abb. 2 zeigen, dass die halbkreisförmigen FG-Zellen mit der High-k-basierten BLK signifikante Gewinne in der Programmsteigung und im Programm-/Löschfenster gegenüber den größer dimensionierten kreisförmigen CT-Zellen aufweisen. Es wird erwartet, dass die halbkreisförmigen FG-Zellen mit überlegenen Programm-/Löscheigenschaften vergleichsweise enge QLC-Vt-Verteilungen bei kleiner Zellgröße erreichen. Darüber hinaus ermöglicht die Integration des Low-Trap-Si-Kanals mehr als vier Bit/Zelle, z. B. Penta-Level Cell (PLC) wie in Abb. 3 dargestellt. Diese Ergebnisse bestätigen, dass halbkreisförmige FG-Zellen eine geeignete Option sind, um eine höhere Bitdichte zu erreichen.