A Theoretical Study of 3D NAND Flash Memory with CAAC-IGZO Channel

Abstract

The demand for semiconductor memory markets such as flash memory and dynamic random access memory (DRAM) is increasing, as the mobile device and SSD market grows. NAND flash memory is a representative nonvolatile device, and is being steadily developed to increase the density and reduce the unit cost. However, as NAND flash memory goes beyond the 20nm technology node to satisfy the needs for high-density devices, it faces scaling-down limitations due to the patterning issue, cell to cell coupling and disturbance. To overcome this limitation, 3D NAND flash memory has been proposed as an alternative of traditional 2D structures. Many manufacturers are mass-producing 3D NAND flash memories, but as the number of vertically stacked cells increases, uneven device characteristics and reliability problems appeared. In particular, the poly-silicon channel based 3D NAND, which is commonly used in memory devices, is very difficult to continuously improve device performance due to problems such as increased leakage current, shift of threshold voltage and change in operating current with temperature. In this thesis, instead of poly-silicon, I propose CAAC-IGZO as a channel material with small off- state leakage current and small change with temperature. |모바일 장치 및 SSD 시장이 성장함에 따라 플래시 메모리 및 dynamic random access memory (DRAM)과 같은 반도체 메모리 시장에 대한 수요는 증가하고있다. NAND 플래시 메모리는 대표적인 비휘발성 장치로서 집적도를 높이고, 단가를 낮추 기 위해 꾸준히 개발되고 있다. 그러나 NAND 플래시 메모리가 고밀도 디바이스에 대한 수요를 충족시키기 위해 20nm 기술 노드를 넘어섬에 따라 patterning issue, cell to cell coupling과 disturbance 등으로 인한 scaling-down의 한계에 직면했다. 이런 한계를 극복하기 위해 3D NAND 플래시 메모리가 2D 구조의 대안으로 제시되었다. 많은 제조사들이 3D NAND 플래시 메모리를 양산하고 있지만, 수직으로 적층되는 셀의 수가 많아짐에 따라 불균일한 소자 특성과 신뢰성 문제들이 나타난다. 특히 메모리 장치에 일반적으로 사용되는 폴리 실리콘 채널 기반 3D NAND는 누설 전류의 증가, 임계 전압의 이동 및 온도에 따른 작동 전류의 변화 등의 문제로 인해 장치의 성능을 지속적으로 개선하는 것이 어렵다. 이 논문에서는 poly-silicon 대신 off-state 누설 전류가 작고 온도 변화에 따른 변화가 작은 Indium-Gallium-ZincOxide (IGZO)를 채널 재료로 제안한다. c-axis aligned crystal IGZO (CAAC-IGZO)는 넓은 bandgap과 온도 내성을 가지고 있다. 그리고 poly-silicon과 달리 캐리어를 트랩하고 캐리어전달 특성을 저하시키는 grain boundary가 존재하지 않는다. CAACIGZO 채널의 off 상태의 누설전류 값은 10−17 [A]으로 poly-silicon 채널보다 50배 작다. 그리고 온도를 300K에서 400K로 변화시킬 때, CAAC-IGZO의 임계전압은 0.1403V 값만큼 변화했다. 이는 poly-silicon이 0.8778V만큼 변한 것과 비교하면 6배 이상 작다. 따라서 현재의 3D NAND 플래시 메모리의 한계를 극복하고 시장의 요구에 따른 고집적화를 달성하기 위해 이 논문에서 제안한 CAAC-IGZO 채널을 기반으로 한 새로운 구조와 재료에 대한 제안으로의 활용범위가 넓다.; The demand for semiconductor memory markets such as flash memory and dynamic random access memory (DRAM) is increasing, as the mobile device and SSD market grows. NAND flash memory is a representative nonvolatile device, and is being steadily developed to increase the density and reduce the unit cost. However, as NAND flash memory goes beyond the 20nm technology node to satisfy the needs for high-density devices, it faces scaling-down limitations due to the patterning issue, cell to cell coupling and disturbance. To overcome this limitation, 3D NAND flash memory has been proposed as an alternative of traditional 2D structures. Many manufacturers are mass-producing 3D NAND flash memories, but as the number of vertically stacked cells increases, uneven device characteristics and reliability problems appeared. In particular, the poly-silicon channel based 3D NAND, which is commonly used in memory devices, is very difficult to continuously improve device performance due to problems such as increased leakage current, shift of threshold voltage and change in operating current with temperature. In this thesis, instead of poly-silicon, I propose CAAC-IGZO as a channel material with small off- state leakage current and small change with temperature.