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Micron RG NAND: Vorteile und Funktionsweise

Selbst 3D-NAND mit Floating-Gate-Technologie kommt an seine technischen Grenzen. Micron entwickelte einen neuen NAND-Typ, der mit Replacement-Gate arbeitet und leistungsfähiger ist.

Aufgrund wachsender Datenmengen und steigender Leistungsanforderungen bei Speichersystemen werden auch künftig mehr SSDs und Memory in den Unternehmen zum Einsatz kommen. Die aktuelle 3D-NAND-Technologie hat hier über die vergangenen Jahre hinweg viele Performance-Optimierungen und somit neue Storage-Optionen beisteuern können. Allerdings ist absehbar, dass auch 3D NAND Flash in puncto Leistung und Kapazität an seine Grenzen stoßen wird.

Aus diesem Grund hat Micron einen neuen Typ an 3D NAND entwickelt, der nicht wie die herkömmlichen Modelle mit einem Floating Gate arbeitet, sondern mit einem so genannten Replacement Gate ausgestattet ist. Im Folgenden erklären wir die Funktionsweise dieses NAND-Typs sowie die Unterschiede und Vorteile gegenüber dem anderen Modell.

Traditioneller 3D NAND und seine Limitierungen

Flash-Speicherchips bestehen aus Speicherzellen, die in Blöcke und Ebenen (Planes) unterteilt sind. Die Zellen sind miteinander verbunden, um das Anlegen einer Spannung zu ermöglichen. Das Anlegen einer Spannung an eine Zelle erzeugt Operationen, die als NAND-Lese- und Schreib-Programmierfunktionen bekannt sind.

Je mehr Zellen sich auf einem NAND-Chip befinden, desto größer ist die Speicherkapazität. Damit werden bei jeder neuen NAND-Generation eine Verkleinerung der Zellengröße angestrebt und meist auch erreicht, um mehr Zellen auf weniger Platz unterzubringen. 3D-NAND hat diese Schrumpfung ermöglicht, indem vertikale Zellstapel geschaffen wurden. Der derzeit (Stand 2021) höchste Stack hat 176 Layer (Schichten) mit TLC-Fähigkeiten.

Technische Limitierungen bei der Performance entstehen durch die Zelleigenschaften. Hier wird eine kapazitive Kopplung von Zelle zu Zelle erzeugt, was zu langsameren Programmierzyklen führt. Je mehr kapazitive Kopplung von einer Zelle zur anderen, desto schwieriger wird die Programmierung der Zelle, was zu einer längeren Programmierzeit oder zu einer Leistungsminderung führt.

In traditionellem NAND-Speicher kommen Floating Gates oder Charge-Trap Flash (CTF) zum Einsatz, die für die persistente Speicherung der Daten sorgen. Diese Struktur besteht aus separaten Floating Gates mit dazwischen liegenden Isolatoren, was zu Leistungsgrenzen führt.

3D Replacement-Gate NAND

Der 3D-RG-NAND-Flash-Speicher von Micron nutzt mit der Replacement-Gate-Technologie einen Zell-zu-Zell-Ansatz, der einer interaktionsfreien Struktur nahe kommt. Dabei handelt es sich um eine nicht leitende Schicht aus Siliziumnitrid (SiN), die als NAND-Speicherzelle fungiert, um elektrische Ladungen einzufangen. Bei 3D-NAND umgibt diese Schicht die Innenseite des Control Gates der Zelle und fungiert als Isolator, der Ladungen speichert.

Abbildung 1: Hier wird gezeigt, wie das RG-Design die Probleme der kapazitiven Kopplung von Zelle zu Zelle in herkömmlichem NAND, die die Leistung einschränken, deutlich verringert.
Abbildung 1: Hier wird gezeigt, wie das RG-Design die Probleme der kapazitiven Kopplung von Zelle zu Zelle in herkömmlichem NAND, die die Leistung einschränken, deutlich verringert.

Durch diese technologische Veränderung will der Hersteller folgendes gewährleisten:

  • höhere Lebensdauer oder Verarbeitung hohen Datenverkehrs
  • höhere Energieeffizienz für Stromeinsparungen
  • höhere Speicherkapazität
  • höhere Performance (doppelt so hohe Schreibgeschwindigkeit als herkömmlicher NAND)

NAND-Flash-Geschwindigkeiten basieren auf der Reaktion der Zelle und der Effektivität der Programmalgorithmen, die die Daten schreiben. Das aktuelle 3D-NAND-Flash-Design erfordert aufwendige und komplexe Programmalgorithmen.

Diese sind notwendig, um eine zuverlässigere programmierte Zellverteilung zu schaffen, die die inhärenten Komplikationen durch die kapazitive Kopplung von Zelle zu Zelle überwinden kann. Leider fügen diese Algorithmen auch Zeitverzögerungen zum erforderlichen Programmintervall der Zelle hinzu, was zu Verlangsamungen des Schreibprozesses führt.

Die 3D-RG-NAND-Lösung mindert die Komplikationen der kapazitiven Kopplung, die bei aktuellen NANDs auftreten. Ein zweiter Vorteil der RG-Struktur ergibt sich daraus, dass für das NAND Control Gate nicht Polysilizium, sondern Metall genutzt wird.

Hierbei kommt eine andere Methode zum Ätzen der Speicherzellen auf dem Wafer zum Einsatz. Die Verringerung des Widerstands durch die Verwendung eines Control Gates aus Metall ermöglicht ein schnelles Hochfahren des Programmimpulses und eine weitere Reduzierung des Overheads bei der Komplexität der Programmier- und der Lesealgorithmen.

Durch die Verwendung von RG NAND zur Vereinfachung neuer Programmieralgorithmen kann der dieser NAND bis zu zwei Mal schneller schreiben, lesen und löschen als aktueller 3D-NAND, wodurch Speichersysteme und Endanwender reibungslose und höhere Leistung erhalten.

Abbildung 2: Hier ist ein Beispiel dafür, wie die Reduzierung der kapazitiven Kopplung die Programmierzeit verringert.
Abbildung 2: Hier ist ein Beispiel dafür, wie die Reduzierung der kapazitiven Kopplung die Programmierzeit verringert.

RG ermöglicht es dem NAND, die Dauer des elektrischen Felds auf den Schaltkreisen zu reduzieren. Dies kann die Lebensdauer erhöhen und gleichzeitig die Leistung und Energieeffizienz beibehalten. Die Lebensdauer eines NAND-Flash-Speichergeräts wird durch die Anzahl der Programmierzyklen definiert, die auf einer Zelle erfolgen.

Die Stärke und Dauer der elektrischen Felder, die auf das Zellmaterial und andere NAND-Strukturen einwirken, stehen in direktem Zusammenhang mit der Lebensdauer der NAND-Speicherzelle. Je länger das elektrische Feld angelegt wird, desto mehr wird der NAND belastet, was die Lebensdauer reduziert. Das Design des RG NAND reduziert die erforderliche Zeit, die ein elektrisches Feld angelegt werden muss, um die NAND-Zellen korrekt zu programmieren.

Diese Verbesserungen sind zum Teil auf eine Vergrößerung der RG-Zelle und die Verwendung von RG-basierten Isolatoren zurückzuführen. Dieser Vorteil erhöht die Spannungsschwellensättigung der Zelle, wodurch die Menge der Ladung, die die Zelle speichern kann, erhöht wird. Zellverschleiß und die Probleme der kapazitiven Kopplung werden verringert, unter anderem durch die Geometrie des RG NAND. All dies erhöht die Lebensdauer und ermöglicht eine Steigerung der Arbeitslastfähigkeit einer Speicherlösung.

Abbildung 3: Die NAND-Schaltung und die Spannung, die angelegt wird.
Abbildung 3: Die NAND-Schaltung und die Spannung, die angelegt wird.

Um die Probleme der kapazitiven Kopplung zu umgehen, benötigt man komplexe Algorithmen. Aktuelle NAND-Generationen unterstützen Algorithmen, die die Impulse der Programmierspannung erhöhen.

Der RG 3D NAND beseitigt die Kopplungskomplikationen, was die Anzahl der Programmierimpulse deutlich reduziert. Da der NAND-Stromverbrauch am höchsten ist, wenn die Spannungspulse an die NAND-Zelle angelegt werden, macht die Reduzierung der Anzahl der Pulse das Schreiben von Daten energieeffizienter.

Optimierungen

Die vertikale Integration herkömmlicher 3D-NAND-Zellschichten erfordert eine Technologie zur vertikalen Verbindung der Zellen untereinander durch einen Kanal, der durch jede Spalte der Zellschichten verläuft.

Die Geometrien der NAND-Zellen können die zulässige Schichthöhe aufgrund von Beschränkungen des Säulendurchmessers (Pillar) beeinflussen, die letztlich die Höhe der NAND-Struktur begrenzen. 3D-RG-NAND hingegen ermöglicht eine breitere Ätzung der Säule (Pillar), die einen Weg zu noch höheren Tier-Stapeln und einer Steigerung der Speicherkapazität schafft.

Abbildung 4: Die Design-Unterschiede zwischen RG NAND und herkömmlichen 3D NAND.
Abbildung 4: Die Design-Unterschiede zwischen RG NAND und herkömmlichen 3D NAND.

Das aktuelle NAND-Design kommt auf der monolithischen Die-Ebene langsam an seine Kapazitätsgrenze. Es wird weiterhin hinter den immensen Speicherkapazitäten auf Systemebene zurückbleiben, die von zukünftigen datengesteuerten Anwendungen gefordert werden. Komplikationen bei der kapazitiven Kopplung und die kleinere Säule sind für viele dieser Einschränkungen verantwortlich.

RG 3D NAND erweitert die Kapazität durch Vergrößerung der Säulenätzung (Pillar Etch), die mehr strukturelle Stabilität ermöglicht und einen Weg zum Aufbau höherer Stacks schafft. Infolgedessen können NAND-Speicherlösungen, die große Workloads bewältigen, länger auf einem höheren Niveau arbeiten, indem sie die Kapazitätsleistung von RG NAND nutzen. Dieser Vorteil wird sowohl bei Designlösungen mit hoher Dichte und hoher Leistung als auch bei Lösungen mit geringerer Dichte und niedrigeren Kosten zum Tragen kommen.

Der Hersteller Micron hat jahrelange Erfahrung in der CMOS-Fertigung und führte zudem auch CMOS Under Array (CUA) ein. Der CUA-Prozess fertigt die Flash-Speicherschichten über dem Logik-Array, so dass beim Design eines NAND-Flash-Speicherchips der NAND-CMOS-Logikbereich nicht mehr im NAND-Speicherschaltkreisbereich untergebracht werden muss. Die Größe des NAND-Die wird dadurch in der Fertigung reduziert, wodurch die Gesamtspeicherkapazität pro Einheit sinkt.

Das neue Design des RG NAND kommt bereits in der zweiten Lösung des Herstellers zum Tragen: dem 176-Layer 3D NAND. Hierbei hat der Anbieter die Höhe des Layer-Stacks so reduzieren können, dass diese 176 Schichten auf den Platz passen, auf dem üblicherweise nur bis zu 64 Schichten gestapelt werden. Das bedeutet höhere Kapazität auf kleinerem Raum. Dieser NAND-Speicher soll in unterschiedlichsten Szenarien zum Einsatz kommen, beispielsweise in MicroSDs, SSDs oder universellen Speicherlösungen.

Entscheidend für den Erfolg des RG NAND sind die Vorteile, die er aufgrund der neuen Technologie und seines Designs bieten kann:

  • Hebt die Begrenzung der Stapelhöhe auf, um höhere Speicherkapazitäten zu ermöglichen.
  • Reduziert die Programmierzeit und die Komplexität des Algorithmus, so dass die Schreibleistung und die Energieeffizienz maximiert werden.
  • Verringert die Zeit, die das elektrische Feld zur Programmierung der Zellen angelegt werden muss, und erhöht dadurch die Lebensdauer.
  • In Kombination mit CUA bietet es mehr Leistung und Flexibilität.

Bei den stetig steigenden Anforderungen an Memory- und Storage-Lösungen sind innovative Designs wie die des RG 3D NAND zukunftsweisende Technologien, die ebendiese Leistungsanforderungen auch bedienen können.

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