3 d与非

3D NAND闪存使新一代非易失性固态存储成为可能,几乎可以在所有可以想象到的电子设备中使用。3D NAND结构的数据密度甚至可以超过2D NAND结构,即使是在下一代技术节点上制作。用于增加存储容量的方法在内存存储、结构稳定性和电特性方面具有潜在的重大权衡。提高三维NAND器件数据密度的方法可以在SEMulator3D中进行研究,以确保所选设计的可制造性。

3D NAND器件及其工作原理

3D NAND器件由三个主要部件组成:存储数据的通道区,它垂直穿透导体和绝缘层交替堆叠;一个“楼梯”,以访问上述层的每一个字行;和狭沟来隔离连接到位线的通道。3D NAND堆栈的剖面图如下(左),旁边是示意图(右):

楔形切割和原理图- 3D NAND器件

图1:楔形剖切和原理图- 3D NAND器件

电荷阱类型的3D NAND结构,如上图所示,使用W和SiO2交替堆叠,垂直圆柱形通道射孔整个堆叠。当电压加到字线上时,数据被写入或擦除,而电子从通道穿过到SiN电荷陷阱层。

存储容量挑战

虽然最容易通过向堆栈添加更多层来增加存储容量,但随着堆栈高度的增加,会出现重大挑战。通道可用面积减小,如下图所示:

三维NAND堆栈的楼梯跨度。增加层来增加存储密度需要额外的楼梯台阶来进入每一层。每增加一个步骤,可用的通道面积(由蓝色箭头表示)就会减少,因为楼梯下面的体积是不可用的。

图2:三维NAND堆栈的楼梯跨度。增加层来增加存储密度需要额外的楼梯台阶来进入每一层。每增加一个步骤,可用的通道面积(由蓝色箭头表示)就会减少,因为楼梯下面的体积是不可用的。

随着“楼梯”的高度增大,可用空间减少。另外一个挑战是,在某些类型的3D NAND中,楼梯“台阶”之间的牺牲层的移除。通过湿法蚀刻去除这些层,为稍后的制造过程中原子层沉积创造空间;因此,一个大的楼梯意味着更长的,孤立的层悬浮在稀薄的空气和结构倒塌的可能性:

罪牺牲层问题。移除SiN需要在3D NAND中创建ONON堆栈3D结构。左图显示了一个20~30 nm厚的SiO2层,桥接在500 nm的距离上。有了更大的楼梯(见右图),氧化层跨越更大的尺寸,有一层坍塌的危险。

图3:罪牺牲层问题。移除SiN需要在3D NAND中创建ONON堆栈3D结构。左图显示了一个20~30 nm厚的SiO2层,桥接在500 nm的距离上。有了更大的楼梯(见右图),氧化层跨越更大的尺寸,有一层坍塌的危险。

划分台阶允许在台阶结构中插入更多的字行接触通道,并导致更紧凑的楼梯,而没有这种危险[2]。然而,由于所有信道都必须以电方式分离,可访问信道的数量取决于信道间距内所能容纳的最小线间距(如果每个信道都有自己的线间距)。

分层楼梯结构。左图:使用在撰写本文时(2018年)可用的制造技术,这将通道面积限制为大约4个通道。右图:一个更极端的例子,在结构中有4个步骤。

图4:阶梯结构。左图:4通道结构。右图:一个更极端的例子,在结构中有4个步骤。

然而,一个更宽的堆栈——它所需要的狭缝数量更少——可能包含四个以上的通道,然后需要将它们分成周期性的组。通道组可以通过使用蚀刻工艺穿孔层的子集来分离,有效地使用几层浮动栅作为选择晶体管:

左图显示了使用4层楼梯将4个堆栈合并在一起的12层配置的最极端情况。右边的图显示了通道和位线接触。

图5:左图显示了使用4层楼梯将4个堆栈合并在一起的12层配置的最极端情况。右边的图显示了通道和位线接触。

支撑柱的作用分析

创建3D NAND的制造过程非常复杂,因此很难理解存储容量、稳定性以及由于多层叠加、步骤划分或层间射孔而导致的其他性能变化的所有权衡。下面所示的虚拟过程模型模拟了所建议的制造步骤。使用SEMulator3D测试添加支撑柱和不同尺寸的接触孔的效果。在去除楼梯层之间的牺牲材料时,添加的柱子,其孔被蚀刻,然后填满SiO2,支撑结构:

3D NAND支撑结构。显示支撑结构的侧面和等距视图。右边的图显示了为清晰起见,二氧化硅部分被涂成白色。SiO2柱穿过楼梯结构,一直延伸到基底。

图6:3D NAND支撑结构。显示支撑结构的侧面和等距视图。右边的图显示了为清晰起见,二氧化硅部分被涂成白色。SiO2柱穿过楼梯结构,一直延伸到基底。

在simulator3d模型上进行的电分析用于研究孤立的字线层,并模拟柱的大小对电阻以及字线电容的影响(在右手图中,孔直径指列宽)。结果表明,扩大支撑柱提高了结构稳定性,但增加了字行阻力,并使用了额外的空间(见图7,下面)。

模拟电阻和电容值。左:用于电测量的孤立字线层。右图:绘制电容和电阻。

图7:模拟的电阻和电容值。左:用于电测量的孤立字线层。右图:绘制电容和电阻。根据我们的研究,扩大支撑柱提供了改善结构稳定性,但增加了字行阻力和使用额外的空间。因此,在保证设备结构完整性的前提下,尽可能减少支撑柱的尺寸和数量似乎是有益的。

结论

本研究展示了分层、三维NAND楼梯结构的现实过程模型,以及虚拟制造,以提高对使用支撑柱来提高高密度存储结构的结构稳定性的权衡理解。

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下载论文《提高3D NAND闪存密度的创新解决方案》,了解更多3D NAND技术和提高3D NAND数据密度的方法。

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