NAND Flash Memory는 빅데이터 시대에 요구되는 대용량 저장 용량을 충족시키기 위해 평면 구조인 2D-NAND(Planar)에서 Cell을 수직으로 적층 하는 3D-NAND(V-NAND)로 진화했다. 3D-NAND의 핵심 Cell 기술은 CTF(Charge Trap Flash)이며, Floating Gate에 Electron을 가두어 저장하는 방식 대신 Silicon Nitride에 Electron을 Trap하여 저장하는 원리로 동작한다. 따라서 CTF 기반의 3D-NAND Flash Memory의 성능과 신뢰성을 개선하기 위해서는 CTF의 특성을 이해하는 것이 중요하다. 그러나 ...
NAND Flash Memory는 빅데이터 시대에 요구되는 대용량 저장 용량을 충족시키기 위해 평면 구조인 2D-NAND(Planar)에서 Cell을 수직으로 적층 하는 3D-NAND(V-NAND)로 진화했다. 3D-NAND의 핵심 Cell 기술은 CTF(Charge Trap Flash)이며, Floating Gate에 Electron을 가두어 저장하는 방식 대신 Silicon Nitride에 Electron을 Trap하여 저장하는 원리로 동작한다. 따라서 CTF 기반의 3D-NAND Flash Memory의 성능과 신뢰성을 개선하기 위해서는 CTF의 특성을 이해하는 것이 중요하다. 그러나 공정능력으로 쉽게 제어할 수 없는 매개변수인 Silicon Nitride Trap Density 변화에 초점을 맞춘 연구는 거의 없다. 본 논문에서는 Silicon Nitride Trap Density 변화에 따른 CTF Cell 구조의 성능과 신뢰성을 시뮬레이션 하였다. 먼저 Sentaurus Technology Computer-aided Design (TCAD) 도구를 이용하여 3D-NAND Flash Memory 소자 구조를 구현하였고, 이전 실험결과로 보정하여 시뮬레이션 소자의 신뢰도를 확보하였다. 소자 성능 분석을 위해 Silicon Nitride Trap Density의 조건 별 Program 동작 속도(Vth)와 Read 동작 속도(On-current)를 시뮬레이션 진행하였고, Program Interference와 1년 장기 Retention을 시뮬레이션 하여 신뢰성을 분석하였다. 분석 결과, Silicon Nitride Trap Density가 작은 조건에서 Charge Spreading에 의해 성능이 저하되고 Program Interference가 심화되는 특성을 발견하였다. 반면에, Silicon Nitride Trap Density가 큰 조건에서는 Silicon Nitride Interface에 Electron Trap이 과다하여 Retention 특성이 저하되는 현상을 발견하였다. 분석 결과에 기반하여, Charge Spreading 효과에 의해 저하된 Program Interference와 Silicon Nitride Interface Trap에 의해 감소된 장기 Retention 특성을 향상시키기 위한 각각 새로운 구조를 제안하였다. 새로운 구조에서 Program Interference는 최대 33.8%, 1년 장기 Retention은 39.5% 개선됨을 확인하였다.
NAND Flash Memory는 빅데이터 시대에 요구되는 대용량 저장 용량을 충족시키기 위해 평면 구조인 2D-NAND(Planar)에서 Cell을 수직으로 적층 하는 3D-NAND(V-NAND)로 진화했다. 3D-NAND의 핵심 Cell 기술은 CTF(Charge Trap Flash)이며, Floating Gate에 Electron을 가두어 저장하는 방식 대신 Silicon Nitride에 Electron을 Trap하여 저장하는 원리로 동작한다. 따라서 CTF 기반의 3D-NAND Flash Memory의 성능과 신뢰성을 개선하기 위해서는 CTF의 특성을 이해하는 것이 중요하다. 그러나 공정능력으로 쉽게 제어할 수 없는 매개변수인 Silicon Nitride Trap Density 변화에 초점을 맞춘 연구는 거의 없다. 본 논문에서는 Silicon Nitride Trap Density 변화에 따른 CTF Cell 구조의 성능과 신뢰성을 시뮬레이션 하였다. 먼저 Sentaurus Technology Computer-aided Design (TCAD) 도구를 이용하여 3D-NAND Flash Memory 소자 구조를 구현하였고, 이전 실험결과로 보정하여 시뮬레이션 소자의 신뢰도를 확보하였다. 소자 성능 분석을 위해 Silicon Nitride Trap Density의 조건 별 Program 동작 속도(Vth)와 Read 동작 속도(On-current)를 시뮬레이션 진행하였고, Program Interference와 1년 장기 Retention을 시뮬레이션 하여 신뢰성을 분석하였다. 분석 결과, Silicon Nitride Trap Density가 작은 조건에서 Charge Spreading에 의해 성능이 저하되고 Program Interference가 심화되는 특성을 발견하였다. 반면에, Silicon Nitride Trap Density가 큰 조건에서는 Silicon Nitride Interface에 Electron Trap이 과다하여 Retention 특성이 저하되는 현상을 발견하였다. 분석 결과에 기반하여, Charge Spreading 효과에 의해 저하된 Program Interference와 Silicon Nitride Interface Trap에 의해 감소된 장기 Retention 특성을 향상시키기 위한 각각 새로운 구조를 제안하였다. 새로운 구조에서 Program Interference는 최대 33.8%, 1년 장기 Retention은 39.5% 개선됨을 확인하였다.
NAND flash memory has evolved from 2D-NAND (Planar) to 3D-NAND (V-NAND) to satisfy the mass storage capacity required in the era of big data. Charge Trap Flash (CTF), i.e., the principle of storing data by trapping electrons in silicon nitride, is the core technology of 3D-NAND. Therefor...
NAND flash memory has evolved from 2D-NAND (Planar) to 3D-NAND (V-NAND) to satisfy the mass storage capacity required in the era of big data. Charge Trap Flash (CTF), i.e., the principle of storing data by trapping electrons in silicon nitride, is the core technology of 3D-NAND. Therefore, it is important to understand the characteristics of CTF to improve the performance and reliability of CTF-based 3D-NAND Flash Memory. However, few studies have focused on changes in silicon nitride trap density that cannot be easily controlled by process capability. In this thesis, the performance and reliability of the CTF cell structure according to the change in silicon nitride trap density are examined using calibrated TCAD modeling and simulations. First, the 3D-NAND Flash Memory device structure was fabricated using the Sentaurus TCAD tool. The simulation data was calibrated with the previous experimental results. For device performance analysis, program speed (Vth) and read speed (On-current) were simulated. and reliability was analyzed by simulating program interference and 1-year retention. As a result of the analysis, it was found that the performance and the program interference were degraded due to charge spreading under the small silicon nitride trap density. On the other hand, it was found that the retention characteristics were degraded due to excessive electron trap in the silicon nitride interface under the large silicon nitride trap density. Based on the analysis results, we respectively propose new structures to improve the program interference degraded by the charge spreading and the 1-year retention characteristics reduced by the silicon nitride interface trap. In the new structure, it was confirmed that the program interference was improved by up to 33.8% and the 1-year retention was improved by 39.5%.
NAND flash memory has evolved from 2D-NAND (Planar) to 3D-NAND (V-NAND) to satisfy the mass storage capacity required in the era of big data. Charge Trap Flash (CTF), i.e., the principle of storing data by trapping electrons in silicon nitride, is the core technology of 3D-NAND. Therefore, it is important to understand the characteristics of CTF to improve the performance and reliability of CTF-based 3D-NAND Flash Memory. However, few studies have focused on changes in silicon nitride trap density that cannot be easily controlled by process capability. In this thesis, the performance and reliability of the CTF cell structure according to the change in silicon nitride trap density are examined using calibrated TCAD modeling and simulations. First, the 3D-NAND Flash Memory device structure was fabricated using the Sentaurus TCAD tool. The simulation data was calibrated with the previous experimental results. For device performance analysis, program speed (Vth) and read speed (On-current) were simulated. and reliability was analyzed by simulating program interference and 1-year retention. As a result of the analysis, it was found that the performance and the program interference were degraded due to charge spreading under the small silicon nitride trap density. On the other hand, it was found that the retention characteristics were degraded due to excessive electron trap in the silicon nitride interface under the large silicon nitride trap density. Based on the analysis results, we respectively propose new structures to improve the program interference degraded by the charge spreading and the 1-year retention characteristics reduced by the silicon nitride interface trap. In the new structure, it was confirmed that the program interference was improved by up to 33.8% and the 1-year retention was improved by 39.5%.
주제어
#3D-NAND Charge trap flash(CTF) TCAD 모델링 및 시뮬레이션 Interference Retention Silicon Nitride Trap Density TCAD Modeling and Simulations Disturbance
학위논문 정보
저자
김진우
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
전기전자공학과
지도교수
윤일구
발행연도
2023
총페이지
vii, 60장
키워드
3D-NAND Charge trap flash(CTF) TCAD 모델링 및 시뮬레이션 Interference Retention Silicon Nitride Trap Density TCAD Modeling and Simulations Disturbance
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