3D NAND閃存實現(xiàn)了新一代的非易失性固態(tài)存儲,適用于幾乎所有我們可以想像得到的電子設(shè)備。
3D NAND能夠?qū)崿F(xiàn)超過2D NAND結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)密度,即便是在新一代技術(shù)節(jié)點上制造時也是如此。
然而,目前提高3D NAND存儲容量的方法可能會帶來一些在存儲器儲存、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣特性方面的不利影響。
3D NAND器件及其工作原理
3D NAND器件包括三個主要組成部分:一是存儲數(shù)據(jù)的通道區(qū)域,它以垂直方式穿過交替堆疊的導體層和絕緣層;二是“階梯”,用于訪問上文提及各層中的每個字線;三是狹縫,用于隔離連接位線的通道。下圖展示了3D NAND堆疊的剖面圖(左)與示意圖(右):
如上圖所示,電荷擷取型3D NAND結(jié)構(gòu)采用鎢和二氧化硅的交替堆疊,其垂直圓柱狀通道穿透整個堆疊。當電壓施加到字線時,電子通過隧道從通道區(qū)域移動到由氮化硅組成的電荷擷取層,數(shù)據(jù)被寫入或擦除。
存儲容量挑戰(zhàn)
雖然3D NAND存儲容量的提高看似可以通過添加更多堆疊層非常輕松地實現(xiàn),但堆疊高度的增加會帶來很大的挑戰(zhàn)。如下圖所示,通道的可用面積將會減小:
隨著“階梯”高度的提高,可用的空間隨之減少。在某些類型的3D NAND中,由于去除了階梯“臺階”之間的犧牲層,產(chǎn)生了更多的挑戰(zhàn)。
在這些結(jié)構(gòu)中,工程師通過濕法刻蝕去除犧牲層,是為了給之后制造工藝中的原子層沉積創(chuàng)造空間。
因此,更高的階梯意味著有更長的隔離層將懸浮在空中,也意味著結(jié)構(gòu)崩塌的可能性更高:
對臺階進行分區(qū),可在臺階結(jié)構(gòu)中插入更多字線接觸通孔,從而創(chuàng)建更緊湊的階梯,而不出現(xiàn)崩塌的危險。
但是,由于所有通道必須進行電氣隔離,可訪問通道的數(shù)量取決于適應通道間距的最小導線間距(假設(shè)每個通道都有自己的導線)。
基于目前的制造技術(shù)(2018年底/2019年初),分區(qū)后的通道數(shù)量被限制在四個左右:
但是,更寬的堆疊(因需要的狹縫數(shù)量少而受用戶歡迎)可能包含四個以上的通道,它們需要被分成多個周期組。
通過使用刻蝕工藝來穿透一部分層,將通道組隔離,有效地使用幾個浮動柵級層作為選擇器晶體管:
支撐列影響分析
由于3D NAND的制造工藝非常復雜,因而我們很難全面理解在存儲容量和穩(wěn)定性方面的各種權(quán)衡因素,以及由于在堆疊中添加更多層、臺階分區(qū)、層穿透而導致的其他屬性變化。
以下所示的虛擬工藝模型模擬了建議的制造步驟。我們使用SEMulator3D?來測試不同支撐列數(shù)量和接觸通孔尺寸產(chǎn)生的結(jié)果。
所添加的列用于在去除階梯層之間的犧牲材料過程中支撐整個結(jié)構(gòu),它的孔由刻蝕形成,并用二氧化硅填充。
在對Semulator3D模型執(zhí)行的電氣分析中,我們研究了隔離字線層,并模擬了列尺寸對電阻和字線電容的影響(在右圖中,孔直徑表示列寬度):
擴大支撐列可以提供更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,但會增加字線電阻,占用更多的空間。
因此,在器件的結(jié)構(gòu)完整性允許的情況下,最大程度地減小支撐列的尺寸和數(shù)量對器件結(jié)構(gòu)是有幫助的。
本研究展示了分層3D NAND階梯結(jié)構(gòu)的實際工藝模型。我們還應用了虛擬的制造技術(shù),加深在使用支撐列增強高密度存儲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性過程中的各種權(quán)衡因素的理解。
審核編輯:劉清
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原文標題:3D NAND閃存的存儲密度
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