Рост проблем при масштабировании схем памяти

Рост проблем при масштабировании схем памяти

Выпуск 4(6728) от 25 февраля 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

В предыдущем выпуске была размещена первая часть статьи, касающейся проблем масштабирования как хорошо зарекомендовавших себя типов ИС ЗУ, так и новых, перспективных приборов. Были рассмотрены проблемы масштабирования ДОЗУ. В этом номере вниманию читателей предлагается обзор проблем масштабирования 3D-флэш-памяти и перспективных типов ИС ЗУ.


Проблемы масштабирования 3D-памяти

Переход от планарной к 3D этажированной флэш-памяти NAND-типа на данный момент облегчил проблему слишком малого числа хранимых электронов за счет увеличения размера ячейки в новой (вертикальной) ориентации (рис. 1). Но по мере увеличения числа слоев – ​их счет уже идет на сотни – ​все большего внимания требуют строчный ток, интегрированные КМОП-транзисторы и физическая устойчивость.



Источник: Micron/IEDM

Рисунок 1. Вертикальная ячейка NAND для использования в 3D-структурах NAND (слева) и изменение порогового напряжения при активном масштабировании (справа)


По мере удлинения строк происходит уменьшение строчного тока. Дальнейшее вертикальное масштабирование, безусловно, осложнит ситуацию со строчным током, затруднит операции считывания. Строчный ток должен пройти через все слои ЗУ, а затем вернуться. Чем больше число слоев, тем длиннее путь прохождения и выше сопротивление, что снижает силу тока.

Одна из проблем заключается в том, что материалом канала является поликремний, отличающийся пониженной подвижностью носителей заряда и сильной зависимостью от размера зерен и концентрации ловушек. Контроль размера зерен в структурах с высоким аспектным отношением представляет серьезную проблему. Соответственно, требуются новые методы осаждения и обработки.

Проблему строчного тока может облегчить использование новых материалов. Специалисты корпорации Micron Technology утверждают, что существует несколько альтернативных поликремнию материалов, которые можно применять в каналах. Предполагается, что они улучшат ситуацию со строчным током. Однако эти же материалы способны породить новые проблемы с точки зрения надежности и характеристик собственно ячейки.

Также может помочь дальнейшее масштабирование шага строк (являющихся вертикальными). Однако это означает уменьшение размера ячейки (рис. 2), что ведет к возврату к ситуации с малым числом хранящихся электронов. Эта тенденция в конце концов достигнет своего предела, снизив преимущества большого размера ячейки в 3D-флэш-памяти NAND-типа, если шаг числовых шин будет продолжать масштабироваться. В долгосрочной перспективе разработчики столкнутся с ситуацией нехватки места для ячейки, т. е. вернутся к тем же проблемам, которые стояли перед планарной флэш-памятью NAND-типа к моменту прекращения ее масштабирования.



Источник: Micron/IEDM

Рисунок 2. Некоторые аспекты масштабирования флэш-памяти NAND-типа


Помимо прочего, существует необходимость перехода к более совершенным КМОП обрабатывающим элементам в периферийной схемотехнике – ​для того чтобы она не отставала от ужесточающихся требований к производительности и потребляемой мощности. Эта проблема перекликается с необходимостью перехода к металлическим затворам с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k metal sate, HKMG) в ДОЗУ. Все это потребует более тщательного проектирования приборов для удовлетворения требований как ячеек памяти, так и логики.

Наконец, по мере увеличения числа слоев в 3D-флэш-памяти NAND-типа становится все труднее делать кристаллы ИС ЗУ достаточно тонкими для плоских конечных изделий электроники (таких, как сотовые телефоны), и чтобы при этом монолитного кремния в них хватало для обеспечения прочности ИС при формировании и эксплуатации в конечной системе. Специалисты отмечают, что в течение следующих нескольких поколений толщина активных приборов поверх кремниевой подложки будет увеличиваться и превзойдет толщину самой подложки. Такая ситуация, обусловленная требованиями к форм-фактору (толщине) мобильных решений, создаст новые проблемы в области завершающих этапов обработки пластины. Сейчас все большей проблемой становится коробление пластин, а одной из новых проблем, решение которой будет стимулировать технологическое развитие оборудования завершающих этапов обработки, станет прочность кристалла.


Проблемы с перспективными типами схем памяти

За право стать следующим основным типом энергонезависимой памяти соперничают несколько технологий. К ним относятся память на основе изменения фазового состояния (phase-change memory, PCRAM), резистивные ОЗУ (resistive RAM, RRAM/ReRAM), магниторезистивные ОЗУ (magnetoresistive RAM, MRAM). Кроме того, на ранних этапах разработки находятся сегнетоэлектрические ОЗУ (ferroelectric RAM, FeRAM) и ОЗУ на коррелированных электронах (correlated-electron RAM, CERAM/CeRAM). Хотя PCRAM уже используются в ИС ЗУ корпорации Intel на основе этажерок перекрестных бестранзисторных матриц (3D Xpoint), а магнитная память на эффекте переключения спинового момента электрона (spin-transfer torque MRAM, STT-MRAM) интегрируется во все большее число решений, ни одна из этих технологий не может стать следующим основным типом энергонезависимой памяти. Их основные проблемы во многом связаны с надежностью и использованием новых материалов.

Схемы MRAM считаются одними из самых многообещающих. В отличие от современных ДОЗУ и флэш-памяти на основе заряда, в MRAM для хранения информации используются магнитные состояния материалов. Несмотря на кажущуюся простоту, MRAM сложнее изготавливать, чем современные типы ИС ЗУ, так как они состоят из тонких слоев разных материалов. Ячейки памяти схем PCRAM формируются на основе халькогенидов, а RRAM базируются на тонких слоях изолирующих материалов (рис. 3). В свою очередь, для создания FeRAM необходимы материалы, способные переходить в сегнетоэлектрическое состояние. Что касается CeRAM, то здесь разработки находятся на очень ранней стадии, поэтому их состав еще не до конца определен. Тем не менее специалисты полагают, что для этого типа ИС потребуются как новые материалы, так и методы сборки высокой точности.



Источник: Micron/IEDM

Рисунок 3. Материалы – кандидаты на использование в одноразрядной ячейке в зависимости от типа RRAM


Основными вопросами, характерными для всех этих новых типов ИС ЗУ, являются длительность хранения заряда и долговечность (число циклов чтения–записи). Многие перспективные типы памяти сталкиваются с новыми проблемами в плане механизма надежности, которые еще предстоит понять.

Схемы MRAM, исследуемые дольше некоторых других технологий, дают хороший пример того, какие детали имеют значение. Основной механизм разрушения этих ИС ЗУ – ​износ их тонкого MgO-барьера. Когда барьер имеет дефекты, такие как микроотверстия или ослаб-ленные места в слое материала, сопротивление перехода может с течением времени уменьшаться, а также приводить к внезапному падению сопротивления (пробою). В других типах памяти механизмы управления надежностью еще не определены. Вопросы долговечности и сохранения данных остаются, а эволюция сопротивления ячеек со временем приобретает решающее значение, особенно когда ячейки рассматриваются с точки зрения использования в аналоговых ИС ЗУ для вычислений в памяти или машинного обучения.

Кроме того, ячейки многих новых типов памяти чувствительны к температуре и могут плохо взаимодействовать с некоторыми хорошо известными газами и другими химическими веществами, традиционно используемыми в полупроводниковых технологических процессах. Соответственно, на заводах по обработке пластин понадобится внедрить низкотемпературную обработку и контроль используемых сред. Возможно, придется ограничить использование некоторых традиционных газов и химических веществ, поскольку они демонстрируют тенденцию вступать в реакцию с материалами ячеек и воздействовать на их производительность. Такие ограничения не только затрудняют обработку подобных материалов, но и способствуют ее удорожанию.

Таким образом, хотя перечень проблем масштабирования ИС ЗУ, представленный в декабре 2020 г. специалистами корпорации Micron Technology на Международной конференции по электронным приборам (International Electron Devices Meeting, IEDM), ни в коем случае не является исчерпывающим, он дает отраслевым специалистам набор сложных решений по совершенствованию различных параметров.


Moyer Bryon. More Data, More Memory-Scaling Problems. Semiconductor Engineering, January 14, 2021: https://semiengineering.com/more-data-more-memory-scaling-issues/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.