NAND-Flash: Samsung will Speicherzellen mit Bornitrid kleiner und besser machen
Samsung experimentiert mit einer Bornitrid-Schicht in NAND-Speicherzellen, um deren Ansteuerungsverhalten zu verbessern. Das könnte in Zukunft eine weitere Skalierung und damit eine höhere Speicherdichte erlauben.
Die stetige Verkleinerung ist nicht nur bei Transistoren ein Problem, sondern längst auch bei NAND-Speicherzellen. Um die Speicherdichte weiter zu erhöhen, wichen die Foundries deshalb in den letzten Jahren in die Höhe aus und stapelten immer mehr Speicherlagen übereinander. Gleichzeitig wird aber natürlich weiterhin versucht, immer mehr Kapazität pro Ebene zu ermöglichen. Einen Weg, wie das gelingen könnte, hat Samsung jüngst auf der IEDM 2024 präsentiert.
Trennschicht als Elektronenfalle
Ein Problem bei der Skalierung des aktuell genutzten Charge-Trap-Speichers ist, dass die Elektronen zwar in einer Schicht aus Siliziumnitrid gespeichert werden können. Dort lagern sich diese aber nicht gleichmäßig an. An den Rändern, wo das Material durch Oxidschichten eingegrenzt wird, gibt es demnach einen Bereich, in dem sich kaum Elektronen aufhalten.
Quelle: SK Hynix und Micron
Bei Charge-Trap-Flash werden Elektronen in einer von Oxidschichten umgebenen Zone aus Siliziumnitrid gespeichert.
Grund dafür ist die hohe Energie, die die Elektronen für das Durchschreiten der Oxidschicht brauchen - durch diese wird meist auch der grenznahe Bereich durchquert. Mit kleineren Zellgrößen wird das Problem dabei immer schlimmer, da die kaum genutzte Zone relativ immer größer wird. Das wiederum verschlechtert unter anderem das sogenannte Memory Window - den Abstand der für das Schreiben und Löschen genutzten Spannungen. Dieser ist für den Einsatz im QLC- oder gar PLC-Betrieb aber essenziell.
Quelle: Samsung
Durch immer kleinere NAND-Zellen sinkt die maximal erlaubte Spannung für Schreib- und Lesevorgänge. Das erschwert den Betrieb im QLC- oder PLC-Betrieb.
Quelle: Samsung
Durch die Bornitrid-Barriere sollen Elektronen nah am Tunneloxid eingefangen werden. Ohne Barriere bliebe dieser Bereich nahezu ungenutzt.
Lösen will Samsung dieses Problem durch eine Schicht aus amorphem Bornitid, die in das Siliziumnitrid eingebracht wird. Dadurch soll ein Teil der Elektronen näher am Oxid gehalten werden. Konkret experimentierte das Unternehmen mit einer 1 nm dicken Bornitrid-Schicht, die per Atomlagenabscheidung aufgebracht wurde.
Wenn der gesamte Speicherbereich 6 nm dick ist, soll das laut Samsung das Memory Window um 20 Prozent vergrößern und vor allem die Löschgeschwindigkeit drastisch verbessern - um das Zehnfache. Im Schreiben gibt es in diesem Bereich hingegen angeblich einen kleineren Performance-Rückschritt.
Quelle: Samsung
Samsung hat verschiedene Positionen für die Bornitrid-Schicht ausprobiert. Besonders effektiv war eine Unterbringung nah am Tunneloxid.
Besser sind die Ergebnisse, wenn der Speicherbereich auf 4 nm verkleinert wird - und das ist schließlich genau das Ziel hinter dem zusätzlichen Aufwand. In diesem Szenario spricht Samsung auch beim Schreiben von besseren Eigenschaften. Das durch die Skalierung verkleinerte Memory Window soll dabei durch die Bornitrid-Schicht mehr als überkompensiert werden.
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Ob und wann Samsung den neuen Ansatz in der eigenen NAND-Fertigung einsetzen will, ist bislang leider noch nicht bekannt. Nachdem die ersten Ergebnisse vielversprechend sind, dürfte die Forschung in diesem Bereich aber weitergehen. Eine weitere Verbesserung wäre beispielsweise durch zwei Bornitrid-Schichten möglich - hier hat Samsung noch bessere Eigenschaften festgestellt. Gleichzeitig steigen dadurch aber natürlich auch die Fertigungskosten. Für einen Einsatz in der Massenproduktion wird das Unternehmen dabei genau abwägen, inwiefern sich zusätzliche Prozessschritte am Ende tatsächlich lohnen.
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Quelle: Samsung (IEDM 2024)
