Advanced reliability issues in 3D NAND Flash memories

The Flash memory technology has conquered the non-volatile memory market few decades ago when it has reached the reliability and the storage capability of the magnetic memories. In particular the NAND Flash memory represents a very low cost solution while it has a huge potential in terms of operation data throughput. The evolution of the 2D NAND Flash memory kept going on at an impressive pace reaching a bit-storage density incredibly high. The scaling process of the planar geometry reached a so advanced miniaturization that the single cell started to manifest fundamental issues related to the limitations of the physics involved in the device operation. In order to avoid these problems and continue the process of developing devices with a higher integration density, a paradigm change of the manufacturing process was necessary. The process of shrinking the planar dimension of the single cell was replaced with the process of stacking memory arrays one above each other along the direction perpendicular to the wafer plane. In such a way, a three-dimensional structure that could mitigate the constraints on the minimum dimension of the memory cell was developed. So, the 3D NAND Flash technology was born and, essentially, it is mainly composed by a set of vertical channels surrounded by a stack of alternated layers of insulating materials and conductive electrodes. This change in the geometry brought an improvement of the memory reliability but, at the same time, gave birth to new relevant issues due to both process and geometry constraints. For instance, the substrate where the conduction channel is established is made of polysilicon. This feature increased the variability of the memory cells and, at the same time, played a relevant role at modifying the cell transcharacteristic. Furthermore, the well known reliability issues, such as the Random Telegraph Noise (RTN), showed new dependencies on temperature and other fundamental parameters. This was mainly due to the new fabrication processes and the presence of grain boundaries in the polysilicon channel. Some other issues are related to the lack of the body contact that, instead, was present in the planar structure. Due to this constraint, the potential of the channel is not so easily controllable and new bias settings are needed to guarantee the correct device working capability and avoid new issues, such as the Down-Coupling Phenomenon (DCP). In such context, the present work aims to supply a thorough investigation of the relevant issues that still concern the correct functioning of the 3D NAND Flash memories. In particular, an innovative analysis of the RTN, showed by the cells of this technology, will be described. In detail, the dependence of the RTN with respect to the temperature that the device withstand during the idle periods will be analyzed. The physical picture explaining the observed results will be proposed and, in particular, the results will be described in terms of a depassivation of the defects in the polysilicon channel of the vertical NAND strings. Together with the experimental analysis, the simulations results supporting the physical picture, presented to explain the depassivation of the polysilicon channel, will be shown. Moreover, the effects of the depassivation on the conduction mechanisms will be described and analyzed with respect to the various working conditions of the cells. In the end, a first approach for the quantification of the depassivation will be presented and described in detail. This work, other than analyze the RTN and the polysilicon depassivation, will also report an extended description of the simulations that were carried out in parallel to the experimental work in order to analyze other kinds of issues. In particular, the simulations on the DCP will be described. This reliability issue was investigated directly through TCAD simulations and the results brought the necessary information for the development of suited countermeasures that should be implemented in the following technological nodes. In the detail, the dependences between the transient time, needed by the channel to go back to the potential equilibrium condition, and the various generation/recombination phenomena, that take place in the channel, will be analyzed. Moreover, the dependences of the phenomenon on the memory architecture will be studied. The TCAD simulations focused also on the effects of the discrete polysilicon traps on the percolative conductivity of the strings. These results will present the importance of implementing discrete traps within the polysilicon channel. Since this discrete definition, with respect to the continuous definition, will be shown to affect significantly both the cell VT and the RTN. Finally, with the technology evolution, the memory devices have been used in many different working condition such that their structural characteristics were designed to fit the environment requirements. In this framework, the quantum computing development requested the exploitation of memory devices at very low temperatures, very close to the absolute zero. Within this perspective, the behavior of the 3D NAND Flash memories is analyzed at cryogenic temperature in order to evaluate their characteristics in this temperature regime and confirm the possible integration of this technology in the circuits that control the quantum processors. With such goal, in this work the investigation of the behavior of this technology in such a harsh environment focused on the analysis of the conductivity of the polysilicon channel and the drift of the threshold voltage of the cells as a function of the temperature within the cryogenic regime. The new conduction characteristics of the string will be presented and an innovative interpretation of the phenomenon will be given. In detail, the negative conductivity of the cells will be associated to a SET-like con- duction mechanism. This conduction mechanism has been exploited considering the presence of localized potential wells originated by the defects present within the polysilicon grain boundaries. This analysis will give important information on the path to cover in order to stabilize the properties of the technology at cryogenic temperatures and allow the exploitation of the 3D NAND Flash memories in the quantum computing systems.

La memoria NAND Flash ha conquistato il mercato delle memorie non-volatili pochi decenni fa quando tale tecnologia ha raggiunto capacità di memorizzazione e di affidabilità analoghe a quelle delle memorie magnetiche. In particolare, la memoria NAND Flash rappresenta una soluzione a basso costo ed, allo stesso tempo, possiede un alto potenziale in termini di volume di dati processati. L’evoluzione della memoria NAND Flash 2D è andata avanti ad un ritmo impressionante ed ha raggiunto una capacità di salvataggio di dati estremamente elevata. Il processo di riduzione del materiale utilizzato per avere le stesse capacità di memoria, per quanto riguarda la tecnologia 2D, ha raggiunto un così alto grado di miniaturizzazione che le singole celle di memoria hanno iniziato a manifestare problemi fondamentali per quanto riguarda la fisica coinvolta durante le operazioni di scrittura e lettura della memoria. Affinchè questi problemi potessero essere evitati, ed il processo di sviluppo del dispositivo potesse essere continuato, un cambiamento nella procedura di produzione della tecnologia in questione era necessario. Il processo di rimpicciolimento della dimensione della singola cella è stato sostituito con il processo di sovrapposizione delle celle, una sopra all’altra, lungo la direzione ortogonale al piano del sostrato di silicio. In tal modo è stata sviluppata una struttura tridimensionale che riuscisse a mitigare i vincoli richiesti sulla dimensione minima delle celle di memoria per poter garantire un funzionamento corretto delle stesse. Dunque nacque la tecnologia NAND Flash 3D, che è essenzialmente composta dall’insieme di canali conduttivi verticali circondati da vari strati di materiale isolante alternati ad elettrodi conduttivi. Questo cambiamento nella geometria del dispositivo ha portato ad un miglioramento dell’affidabilità della memoria ma, allo stesso tempo, ha portato alla luce nuovi rilevanti problemi, inerenti anche alle nuove difficoltà riscontrate durante il processo di fabbricazione. Per esempio, il materiale principale che determina le capacità conduttive delle stringhe verticale è costituito da poli-silicio invece di silicio cristallino. Questo fatto ha aumentato la variabilità dellle celle di memoria e, allo stesso tempo, ha giocato un ruolo fondamentale per quanto riguarda la modifica delle caratteristiche di forma delle I − V associate alle varie celle. Inoltre, i problemi di affidabilità storici, come il Random Telegraph Noise (RTN), per citarne uno tra vari, hanno mostrato nuove dipendenze rispetto alla temperatura ed altri parametri fondamentali. Questo è dovuto principalmente ai nuovi processi di fabbricazione ed alla presenza dei bordi di grano nei canali di poli-silicio. Altri problemi sono legati alla mancanza dell’elettrodo di body, che invece era presente nelle memorie planari. A seguito della mancanza di questo contatto elettrico, il potenziale elettrostatico del canale non è facilmente controllabile e nuovi settaggi dei valori delle tensioni con cui sono effettuate le operazioni sono necessari per garantire il corretto funzionamento del dispositivo. Con tali considerazioni, cambiamenti nelle modalità di lettura e scrittura delle celle sono stati introdotti anche per garantire funzionalità che rispettassero gli alti standard di mercato ed evitare nuovi problemi, come il Down-Coupling Phenomenon (DCP). In tale contesto, il lavoro presente mira a fornire uno studio dettagliato dei problemi rilevanti che tuttora interessano il corretto funzionamento delle memorie NAND Flash 3D. In particolare, il lavoro riporterà un’analisi innovativa sul RTN mostrato dalle celle di questa tecnologia. Nel dettaglio verrà analizzata la dipendenza del RTN in funzione della temperatura percepita dal dispositivo durante i periodi di inattività. Inoltre, verrà data una descrizione dei meccanismi fisici che intervengono sui risultati sperimentali osservati. In particolare, la dipendenza del RTN verrà descritta in termini di un processo di depassivazione dei difetti presenti nei canali di poli-silicio delle stringhe di memoria. Oltre a ciò, verrano mostrati i risultati delle simulazioni software che supportano l’analisi effettuata sperimentalmente. Inoltre, verranno mostrati anche gli effetti della depassivazione sui meccanismi di conduzione dei canali e questi verrano analizzati rispetto le condizioni di lavoro delle celle. Per concludere, un primo approccio per la quantificazione del meccanismo di depassivazione verrà presentato e descritto in dettaglio. Questo lavoro, oltre all’analisi del RTN e della depassivazione del poli-silicio, riporta anche un’estesa descrizione delle simulazioni software che sono state svolte in parallelo all’attività sperimentale con lo scopo di analizzare altre tipologie di problemi riguardanti l’ottimale funzionamento delle memorie 3D NAND Flash. In particolare verranno descritte le simulazioni riguardanti il DCP. Questo fenomeno è stato analizzato nel dettaglio con l’utilizzo di strumenti informatici, quali TCAD software, ed i risultati hanno portato alla luce le necessarie informazioni per lo sviluppo e l’ideazione delle mirate contromisure al DCP, che potrebbero essere implementate nei prossimi nodi tecnologici. Nel dettaglio, le relazioni che legano la durata del transitorio, il tempo necessario al canale per tornare ad una condizione di equilibrio elettrostatico, con i vari processi di generazione/ricombinazione, che hanno luogo nel canale, saranno analizzate. Verrano descritte anche le relazioni tra il DCP e l’architettura delle stringhe di memorie stesse. Le simulazioni TCAD hanno avuto lo scopo di indagare anche gli effetti della presenza di difetti discreti all’interno del poli-silicio rispetto alle modalità di conduzione percolativa che interessano le stringhe di memoria. Questi risultati riportano l’importanza dell’implementazione di trappole discrete all’interno del canale di poli-silicio. In quanto tale definizione, rispetto al caso in cui venga definita una densità di trappole continua, verrà mostrata essenziale nel considerare correttamente gli effetti del poli-silicio sui valori della tensione di soglia delle celle e del RTN. Infine, con l’evoluzione della tecnologia, le memorie sono state impiegate in svariate condizioni di utilizzo, per cui le loro caratteristiche strutturali sono state progettate per rispondere con successo ai vari vincoli ambientali. In tale contesto, l’avanzamento del quantum computing ha richiesto l’utilizzo di dispositivi di memoria a temperature estremamente basse, molto vicine allo zero assoluto. Con tale prospettiva, in questo lavoro il comportamento delle memorie 3D NAND Flash a temperature criogeniche è stato analizzato in modo da valutare le loro caratteristiche di impiego in tale ambiente e confermare la loro possibile integrazione nei circuiti che controllano i processori quantistici. Con tale scopo, questa indagine inniziale ed innovativa si è focalizzata sullo studio della conduttività dei canali di poli-silicio e del comportamento della tensione di soglia delle celle nel range delle temperature criogeniche. Le nuove caratteristiche della curva I − V sono state analizzate e verrano discusse le interpretazioni che sono state avanzate al riguardo. Nel dettaglio, la conduttività negativa mostrata dalle celle è stata associata ad un meccanismo di conduzione simile a quallo mostrato dal Single Electron Transistor (SET). L’analisi ha portato a valutare questo meccanismo di conduzione come il meccanismo principale nell’influenzare la conduttività delle stringhe, in particolare considerando la plausibile presenza di buche di potenziale associate ai difetti presenti all’interno dei bordi di grano del poli-silicio. Si considera che questa analisi possa dare una prima importante informazione su quello che potrebbe essere l’ottimale processo di sviluppo intrapreso dalla comunità scientifica per stabilizzare le proprietà delle memorie 3D NAND Flash che vengono impiegate a temperature criogeniche all’interno dei sistemi di quantum computing.