Cryogenic Operation of 3D NAND Flash Memories: a Numerical Study

NAND flash memories are the leader of the non-volatile storage market. Their success comes from a steady reduction of cost per bit that is enabled by the continuous improvement of the technology and innovative device designs. Modern architectures are based on 3D NAND strings that is a series of gate-all-around transistors where the MOSFET channel is a vertical hollow pillar made of poly-silicon. This material is composed of crystalline grains separated by grain boundaries, that negatively affect conduction. The exponential increase of the memory stack height could soon make this issue the bottleneck of scaling. To prevent this from happening, ongoing research is looking for new recrystallization methods to enlarge the grain size so to reduce the amount of grain boundaries. Therefore, accurate device models, especially of the channel, are urgently required to support these investigations. To assess the effectiveness of conventional models, they could be tested in operating condition outside their typical usages. In this work, we will explore 3D NAND cell operation over a wide range of temperatures with the aim of testing the prediction of some commonly used device models and suggesting improvements, so to extend their effectiveness up to cryogenic temperatures. Our focus will be on identifying reasonable values for the models' parameters, especially of channel's trap densities. Overall a good agreement can be achieved, however the models under investigation cannot reproduce some of the features observed in the data. One of these phenomena is the presence of oscillations in the cell trans-charateristics observed at cryogenic temperatures and low drain bias. Although possible explanations for this phenomenon have already been proposed in the literature, they lack quantitative evidence. In the last part of this work, we will present the results of numerical analysis supporting the idea that these oscillations could be due to Coulomb blockade. This latter phenomenon is strongly linked to electron confinement, although in 3D NAND device its origin is still not clear. We conclude this work by proposing a new the tool to answer this question. Specifically, we will present an empirical model that can relate the period of oscillations to the size of the grains causing confinement.

Le memorie NAND flash sono leader nel mercato dello storage non volatile. Il loro successo è dovuto a una costante riduzione del costo per bit, resa possibile dal continuo miglioramento mento della tecnologia e dallo sviluppo di design innovativi. Le architetture più moderne si basano su stringhe 3D NAND ovvero una serie di transistor gate-all-around, dove il canale del MOSFET è un pilastro cavo verticale, realizzato in polisilicio. Questo materiale è composto da grani cristallini separati da bordi di grano, che influenzano negativamente la conduzione. Recenti sviluppi della tecnologia stanno portando a un aumento esponenziale dell'altezza dello stack di memoria che accentuerà l'impatto dei bordi di grano, tanto da minacciare il corretto funzionamento dei dispositivi. Pertanto, sono in via di sviluppo nuovi metodi di ricristallizzazione volti ad aumentare la dimensione dei grani e quindi aumentare la mobilità efficace del canale. Per supportare queste indagini sono urgentemente richiesti modelli accurati del dispositivo, specialmente del canale. Un modo per valutare l'efficacia di modelli attualmente disponibili potrebbe essere studiarli in condizioni operative diverse rispetto quelle in cui sono tipicamente impiegati. In questo lavoro, esploreremo il funzionamento delle celle NAND 3D su un ampio intervallo di temperatura con l'obiettivo di testare le previsioni di diversi modelli del canale ed estenderne l'efficacia fino a temperature criogeniche. Nello specifico, ci concentreremo sull'identificazione di valori ragionevoli per i parametri dei vari modelli, tra cui la densità di trappole nel canale. Sebbene sia possibile raggiungere un buon accordo tra previsioni e dati, i modelli convenzionali non sono in grado di riprodurre alcuni dettagli. Uno tra questi è la presenza di oscillazioni delle transcaratteristiche di alcuni dispositivi quando portati a temperature criogeniche. Sebbene in letteratura siano state proposte alcune spiegazioni, mancano prove quantitative che le supportino. Nell'ultima parte di questo lavoro, mostreremo che i risultati delle nostre analisi sostengono l'idea che queste oscillazioni possano essere dovute a Coulomb blockade. Questo fenomeno è attribuito al confinamento degli elettroni in volumi molto ridotti che porta alla formazione di quantum-dot, anche se in dispositivi NAND 3D la sua origine non è ancora chiara. Concluderemo l'elaborato cercando di costruire strumenti necessari a rispondere a questa domanda. Nello specifico verrà descritto un modello empirico che potrebbe mettere in relazione il periodo delle oscillazioni con la dimensione dei grani.