Über 1.000 Layer: Samsung nennt Probleme bei der VNAND-Entwicklung

Nicht nur bei Transistoren, sondern auch bei NAND-Speicherzellen ist eine direkte Verkleinerung inzwischen schwierig. In den letzten Jahren wurden deshalb immer mehr Lagen übereinander gestapelt, um höhere Speicherkapazitäten zu ermöglichen. Samsung bietet dabei aktuell VNAND in der achten Generation an, bei dem 236 Schichten übereinander liegen. Nächstes Jahr soll dann die V9 mit über 300 Layern erscheinen, und bereits mit der V13 sollen über 1.000 Layer möglich sein. Dabei gibt es aber einige Hindernisse, die Samsung auf der IEDM 2023 - einer Fachmesse für Halbleiter-Hersteller - beschrieben hat.

Höhe, Fläche und neue Speicherzellen

Eines der Probleme ist dabei die Höhe: Die einzelnen Speicherlagen müssen in Zukunft dünner werden, da sonst der Gesamtchip zu hoch wird. Momentan wird der NAND-Speicher dabei aus Charge-Trap-Zellen gebaut, deren Höhe maßgeblich durch Nitrid- und Oxidschichten bestimmt wird. Die Dicken dieser Schichten konnten laut Samsung bereits um 40 Prozent reduziert werden. Damit stößt das Unternehmen aber bereits an die Grenzen des Machbaren, nach dem aktuell verfügbaren VNAND V8 soll sich hier kaum noch eine Verbesserung ergeben. In drei bis vier Speichergenerationen sollen aktuelle Verkleinerungsansätze deshalb nicht mehr funktionieren.

Quelle: Samsung Das Stapeln von NAND-Chips ist auch ein Höhenproblem, denn in manchen Bereichen sind flache Speicherchips notwendig. Quelle: Samsung Die Layer-Anzahl soll auch in Zukunft immer weiter wachsen. Mit VNAND V13 sollen es über 1.000 Schichten werden. Der Einsatz von höheren Speicherchips, um der Problematik zu entgehen, ist dabei keine Lösung. Denn beispielsweise in Smartphones oder auch für den Einsatz in (Micro-)SD-Karten gibt es hier enge Grenzen. Um bei VNAND V13 und damit über 1.000 Layern anzukommen, braucht es deshalb neue Lösungen. Insbesondere die Interferenzen zwischen den Wordline-Transistoren sind dabei aktuell ein großes Problem. Hier könnten laut Samsung in Zukunft eine abgesenkte Betriebsspannung und der Einsatz neuer Materialien helfen, um die Schichtdicken weiter verkleinern zu können. Zudem ist auch eine Abkehr von den Charge-Trap-Zellen eine mögliche Stellschraube, weshalb Alternativen wie beispielsweise ferroelektrische Speicherzellen entwickelt werden. Passend dazu hat Micron jüngst mit NVDRAM ein entsprechendes Produkt angekündigt.

Quelle: Samsung Auch die Ansteuerung der Layer ist ein Problem. Aktuell werden diese dazu wie eine Treppe herausgeführt, doch mit zunehmenden Schichten wird dafür immer mehr Platz benötigt. Schon jetzt wird die Ansteuerung deshalb unter den Speicherzellen platziert, um Fläche zu sparen. Auch interessant: Doppelte Dichte: TSMC fertigt CFETs mit über 90 Prozent Yield

Parallel arbeiten die Speicherhersteller auch an weiteren Gebieten, um die Layer-Anzahl erhöhen zu können. Kritisch sind beispielsweise Ätzprozesse, die alle Speicherlagen durchdringen können. Zudem ist eine Stromreduktion nötig, da der Gesamtstrom mit neuen Generationen momentan immer höher wird. Insgesamt gibt es laut Samsung dabei aktuell offenbar einen Wendepunkt, an dem für weiteren Fortschritt wieder mehr Innovationen notwendig werden. Trotzdem gibt man sich zuversichtlich: Bis 2030 will es das Unternehmen schaffen, über 1.000 VNAND-Layer übereinander zu stapeln - und die Konkurrenz dürfte dasselbe Ziel haben.

Quelle: Samsung (IEDM 2023)

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Über 1.000 Layer: Samsung nennt Probleme bei der VNAND-Entwicklung Auf der IEDM 2023 hat Samsung einen Einblick in die Probleme bei der VNAND-Entwicklung gegeben. Im Fokus steht dabei die Layer-Anzahl. Denn um diese immer weiter zu erhöhen, sind einige Innovationen nötig.

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