Merkmale der Charge-Trap-Technologie bei 3D-NAND-Flash

Das Floating-Gate-Dilemma

Flash-Laufwerke verwenden seit ihrer Erfindung Floating-Gate-Zellen. Floating Gates funktionieren grob gesagt so: Jede Zelle enthält ein Floating Gate, das in die Zellstruktur integriert ist. Wenn eine bestimmte Spannung an die Zelle angelegt wird, fügt das Floating Gate Elektronen hinzu. Wird die Spannung in anderer Weise angelegt, gibt es Elektronen ab.

Am einfachsten lässt sich ein Floating Gate in einem Single-Level Zell-Laufwerk beschreiben: Enthält ein Floating Gate in einem solchen Laufwerk Elektronen, wird es als geladen oder programmiert betrachtet. Der Bit-Wert der Zelle wird dabei als Null registriert. Andernfalls wird die Zelle als ungeladen oder gelöscht betrachtet, und ihr Bit-Wert als eins registriert. Bei mehrstufigen und Triple-Level Zell-Laufwerken sind die Berechnungen komplexer, aber die Grundlagen sind gleich.

Im Inneren der Zelle trennt eine Oxidschicht das Floating Gate vom Siliziumsubstrat. In diesem fließt die Spannung in und aus der Zelle. Die Oxidschicht ist dünn genug, dass die Elektronen beim Anlegen der Spannung zwischen dem Floating Gate und dem Substrat durchgehen. Während eines Programm- oder Schreibvorgangs bewegen sich Elektronen in das Floating Gate hinein – während eines Löschvorgangs bewegen sich Elektronen hingegen aus dem Floating Gate heraus.

Jeder Programm-/Löschzyklus (Program/Erase Cycle, kurz P/E Cycle) beschädigt die Oxidschicht leicht, was zu Beginn der Nutzung kein Problem darstellt. Nach einer größeren Anzahl von P/E-Zyklen erodiert die Oxidschicht allerdings. Die Folge ist, dass Elektronen aus dem Floating Gate austreten, bis es keine Ladung mehr halten kann. Als Konsequenz wird die Zelle unbrauchbar.

Da im Lauf der Zeit die Zellgrößen schrumpfen und mehr Bits in jede Zelle gepackt werden, werden die Laufwerke anfälliger für Schäden. Technologien wie Wear Leveling (Verschleißnivellierung) können die Lebensdauer des Laufwerks verlängern. Irgendwann werden die Zellen aber ausfallen.

Charge Trapping als Rettung?

Um die Schwachpunkte der Floating-Gate-Zellen zu beseitigen, bauen einige Flash-Hersteller wie Samsung, SanDisk, SK Hynix und Toshiba Laufwerke, die Charge-Trap-Zellen verwenden. Charge-Trap-Zellen sind zwar schon länger verfügbar, aber erst als 3D-Flash aufkam, begannen die Hersteller, sich ernsthaft mit dieser Technologie für SSDs zu beschäftigen.

In vielerlei Hinsicht funktionieren Charge-Trap-Zellen ähnlich wie Floating-Gate-Zellen – allerdings mit unterschiedlichen Spannungsmustern, die Elektronen in und aus der Trap-Schicht bewegen. Ein Unterschied ist aber wichtig. Das Floating Gate verwendet polykristallines Silizium als Leiter zum Einfangen der Elektronen. Die Charge-Trap-Zelle verwendet hingegen Siliziumnitrid als Isolator.

Was ist der Unterschied? Das Siliziumnitrid der Charge-Trap-Zellen ist weniger anfällig für Defekte und Lecks als das Floating Gate und benötigt eine geringere Spannung zur Unterstützung der P/E-Zyklen. Dadurch kann jede Zelle eine dünnere Oxidschicht verwenden und gleichzeitig die Belastung der Schicht reduzieren. Das wiederum führt zu einer längeren Lebensdauer von Charge-Trap-Zellen im Vergleich zu Floating-Gate-Zellen. Der Charge-Trap-Ansatz erlaubt zudem schnellere Lese- und Schreibvorgänge und reduziert den Energieverbrauch.

Charge-Trap-Zellen haben aber noch einen weiteren Vorteil im Vergleich zu Floating Gates. Je kleiner die Floating-Gate-Zellen werden, desto anfälliger werden sie auch für Störungen – wie zum Beispiel Elektronen, die irrtümlich von einem Floating Gate zum anderen fließen. Diese Störungen können zu Performance-Inkonsistenzen und Datenproblemen führen. Solche Störungen sind bei Charge-Trap-Zellen weniger wahrscheinlich, da die Charge-Trap-Schicht ein Isolator ist. Das ermöglicht es, die Größe von Charge-Trap-Zellen im Vergleich zu Floating-Gate-Zellen deutlich zu verkleinern – und dichtere Laufwerke mit längerer Lebensdauer herzustellen.

Herausforderungen bei Charge Traps

So vielversprechend die Charge-Trap-Technologie auch klingt, sie ist auch mit einigen Problemen behaftet. Laut dem Bericht Reliability of 3D NAND Flash Memories, der in 3D Flash Memories veröffentlicht wurde, haben Charge-Trap-Zellen mehrere Zuverlässigkeitsprobleme. Eines der wichtigsten Probleme ist die Datenhaltung. Elektronen können in der Charge-Trap-Schicht eingeschlossen werden und sich ansammeln. Die Folge: Insbesondere bei hohen Temperaturen kann dies zu Datenverlusten führen.

Floating-Gate-Zellen bieten hingegen eine bessere Datenhaltung, „weil die Ladung in der Speicherschicht stabiler ist“, heißt es im Bericht. Und sie führen zu weniger Lesefehlern und damit zu weniger Fehlerkorrekturen. Denn ein 3D-Flash-Laufwerk, das Charge-Trap-Zellen verwendet, verbindet die Nitridschichten über alle Zellen und sorgt so für einen Ausbreitungsweg der Elektronen.

Der Bericht weist aber auch darauf hin, dass Floating-Gate-Zellen selbst anfällig für die Kopplung von Elektronen mit denen in anderen Zellen sind. Darüber hinaus können Charge-Trap-Zellen kleiner und skalierbarer gemacht werden als Floating-Gate-Zellen, was sie für hyperskalierbare Arrays attraktiver macht.

Die Storage-Welt entwickelt sich weiter

Trotz der Herausforderungen, die sich Charge-Trap-Zellen stellen, bleiben sie eine vielversprechende Technologie zum Verkleinern von SSDs. Zu beachten ist jedoch, dass auch die Floating-Gate-Technologien einen weiten Weg zurückgelegt haben und weiter verbessert werden.

Flash-Laufwerke werden immer dichter, leistungsfähiger als je zuvor und sind immer billiger zu haben, wodurch sich der Abstand zwischen Charge-Trap- und Floating-Gate-Laufwerken erheblich verringert. Und neue Technologien wie 3D XPoint verändern die Wettbewerbslandschaft. Dennoch werden Laufwerke, die auf Charge-Trap-Technologie basieren, wahrscheinlich noch einige Zeit existieren und sich mit jeder neuen Generation verbessern.

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