Physical modeling of nanoscale NAND Flash memory reliability
Davide Resnati · 2018
La tecnologia di memoria Flash ha assunto al giorno d'oggi una posizione dominante nel mercato del data storage, essendo capace di fornire elevata densita di integrazione, bassi costi e alta affidabilita, principalmente con array memoria in tecnologia NAND. Lo scaling della tecnologia che ha permesso questo successo ha portato ad avere celle di memoria di dimensioni inferiori ai 20nm. Questo, tuttavia, ha causato un aumento dell'impatto dei singoli elettroni presenti nello stack di gate sulla tensione di soglia della cella (Vt). Questo ha introdotto molti limiti all’affidabilita, causati principalmente dai processi di cattura ed emissione di elettroni intrappolati in stati interfacciali e in difetti nell'ossido di tunnel. Questi processi devono quindi essere studiati da un punto di vista statistico e discreto al fine di modellizzare l’evoluzione della Vt delle celle di memoria. La necessita di proseguire lo scaling della tecnologia flash, nell'impossibilita di ridurre ulteriormente le dimensioni della cella senza comprometterne l'affidabilita, ha poi portato al design di celle di memoria NAND tridimensionali (3D-NAND) in sostituzione della tecnologia planare convenzionale. La tecnologia 3D-NAND ha permesso di aumentare le dimensioni di cella e allo stesso tempo di aumentare la densita di integrazione, grazie alla sovrapposizione di piu layer di celle lungo la direzione verticale. Questo ha pero portato anche nuovi problemi affidabilistici. Lo scopo di questa ricerca e l'analisi e la comprensione dei fenomeni di instabilita di Vt negli array di memoria NAND Flash e delle loro proprieta statistiche, con lo scopo ultimo di fornire tool predittivi capaci di stimare le capacita operative dell’array di memoria. Questo e stato fatto dapprima concentrandosi sul rumore telefrafico casuale (RTN) e sul detrapping da difetti nell'ossido, fenomeni che costituiscono la principale sorgente di instabilita di Vt in celle planari. Oltre a questi meccanismi, la temperatura operativa della cella di memoria gioca un ruolo importante nel determinare il valore di Vt e le sue instabilita nel tempo. Il ruolo della temperatura assume primaria importanza nelle celle 3-D NAND, dove il silicio policristallino viene utilizzato come materiale componente il canale conduttivo al posto dell'usuale subrato di silicio monocristallino. Questo lavoro ha indagato gli effetti della temperatura in array NAND e 3D-NAND osservando la dipendenza dalla temperatura di diversi parametri di cella, come la Vt stessa o la corrente di saturazione di stringa. Il lavoro costituisce una solida base per il futuro sviluppo di modelli analitici e numerici capaci di riprodurre questi effetti nelle piu recenti tecnologie di memoria 3-D NAND Flash.