TCAD modeling of current transport and main reliability issues of polysilicon-channel 3-D NAND Flash strings

NAND Flash technology represents today one of the leading solutions for highly performing non-volatile memories. The continuous development of its manufacturing processes brought the characteristic cell feature size (F) to current values around 15 nm. Although the scaling of the arrays allowed to drastically increase storage density and the reduction of costs over the past few decades, it also brought many reliability issues which were overcame by developing 3-D NAND Flash structures, employing the third dimension, thus relaxing the scaling of the cell and stacking multiple layers in the vertical direction. One of the drawbacks coming with these new structures is given by the channel being polycrystalline, due to the involved manufacturing processes. This is one of the major source of issues in 3-D NAND Flash strings, due to the presence of grain boundaries with a high concentration of defect states. More specifically, this causes both an increase of the resistivity of the string channel and also threshold voltage fluctuations caused by random trapping/detrapping events at these trap states. Moreover, the random configuration of grain profiles causes variability issues that have to be taken into account to properly design the device. Due to the complexity of such devices and the involved reliability issues, care must be taken in order to avoid issues during operation. In this framework, this thesis aims to describe current transport and main reliability issues in vertical-channel 3-D NAND Flash strings by means of TCAD modeling, accounting for the polycrystalline nature of the channel. In particular, simulations were performed to compare the results coming from different models to describe current transport in the polysilicon channel. Then, the TCAD model was calibrated on experimental data and it was used to statistically analyze the temperature activation of threshold voltage variability and Random Telegraph Noise (RTN) fluctuations coming from the haphazardness of grain configuration.

La tecnologia NAND Flash rappresenta oggi una delle soluzioni leader per le memorie non volatili ad alte prestazioni. Il continuo sviluppo dei suoi processi di produzione ha portato la dimensione caratteristica della cella (F) a valori attuali intorno ai 15 nm. Sebbene la miniaturizzazione degli array abbia permesso di aumentare drasticamente la densità di memoria e la riduzione dei costi negli ultimi decenni, ha anche portato molti problemi di affidabilità che sono stati superati sviluppando strutture NAND Flash 3-D, impiegando la terza dimensione, rilassando così la miniaturizzazione della cella e impilando più strati in direzione verticale. Uno degli svantaggi di queste nuove strutture è dato dal fatto che il canale è policristallino a causa dei processi di produzione coinvolti. Questa è una delle principali fonti di problemi nelle stringhe NAND Flash 3-D a causa della presenza di bordi di grano con un'alta concentrazione di stati difettosi. In particolare, questo causa sia un aumento della resistività del canale della stringa sia fluttuazioni di tensione di soglia causate da eventi casuali di cattura/emissione in questi stati di trappola. Inoltre, la configurazione casuale dei profili dei grani porta problemi di variabilità che devono essere presi in considerazione per progettare correttamente il dispositivo. A causa della complessità di tali dispositivi e dei problemi di affidabilità che ne derivano, è necessario prestare attenzione per evitare problemi durante il funzionamento. In questo quadro, la presente tesi mira a descrivere i problemi di trasporto di carica e i principali problemi di affidabilità nelle stringhe NAND Flash 3-D a canale verticale attraverso la modellazione TCAD tenendo conto della natura policristallina del canale. In particolare, sono state effettuate simulazioni per confrontare i risultati provenienti da diversi modelli per descrivere il trasporto corrente nel canale del polisilicio. Successivamente, il modello TCAD è stato calibrato su dati sperimentali ed è stato utilizzato per analizzare statisticamente l'attivazione in temperatura della variabilità della tensione di soglia e le fluttuazioni del Random Telegraph Noise (RTN) provenienti dalla disomogeneità della configurazione dei grani.