키옥시아(Kioxia Corporation)가 특수 설계 플로팅 게이트(FG) 셀을 통해 세계 최초의 3차원(3D) 반원형 스플릿 게이트 플래시 메모리 셀 구조인 ‘트윈 빅스 플래시(Twin BiCS FLASH)’를 개발했다고 12일 발표했다.

 

트윈 빅스 플래시는 기존의 원형 차지 트랩(CT) 셀에 비해 셀 크기가 훨씬 작으면서도 월등한 프로그램 슬로프와 더 큰 사이즈의 프로그램/삭제 윈도를 갖고 있다. 이들 특성으로 인해 새로운 셀 디자인은 적은 수의 스태킹 레이어에도 불구하고 메모리 밀도가 훨씬 높은 셀당 4비트(QLC)를 초과하는 유망한 후보가 되고 있다. 이 기술은 12월 11일 샌프란시스코에서 열린 IEEE 국제반도체소자학회(IEDM)에서 발표되었다.

 

3D 플래시 메모리 기술은 셀 스택 레이어 수를 늘리고 다중 레이어 스택 증착을 실행하는 동시에 높은 가로세로 비율의 식각 기술을 도입함으로써 비트당 비용을 낮추면서도 비트 밀도를 높이는 성과를 거두었다. 최근 몇 년 사이에 셀 레이어 수가 100개를 넘어섬에 따라 식각 프로필 컨트롤과 사이즈 일률성, 생산성 사이의 상충관계를 관리하는 일이 점차 더 어려워지고 있다. 이러한 문제를 극복하는 방안으로서 키옥시아는 기존의 원형 셀과 대비하여 셀 사이즈를 줄이기 위해 기존 원형 셀의 게이트 전극을 둘로 나눠서 새로운 반원형 셀 디자인을 개발해냈으며 이로써 적은 수의 셀 레이어에도 불구하고 더 높은 메모리 밀도를 구현할 수 있었다.

 

원형 컨트롤 게이트는 그 곡선 효과로 인해 평면 게이트(planar gate)에 비해 포화 문제가 덜 심각하며 이에 따라 더 큰 사이즈의 프로그램 윈도를 제공한다. 이를 통해 터널 유전체를 통한 캐리어 주입이 더 쉬워지고 블록(BLK) 유전체로의 전자 누출이 줄어들 수 있다. 이와 같은 스플릿 게이트 셀 디자인에서 원형 컨트롤 게이트는 프로그램/삭제 다이나믹에서 높은 향상 효과를 내기 위해 두 개의 반원형 게이트로 대칭형으로 분리된다. 그림 1에서 나타난 것과 같이 높은 k BLK 유전체와 함께 높은 차지 트랩 효율을 위해 전도성 축적 레이어가 채택되어 프로그램 윈도를 얻고 FG로부터 전자 누출을 낮추기 위해 높은 커플링 비율을 성취할 수 있다. 또 그럼으로써 포화 문제를 해소할 수도 있다.

 

그림 2에서 실험적 프로그램/삭제 특성을 보면 높은 k 기반 BLK와 결합된 반원형 FG 셀이 프로그램 슬로프와 프로그램/삭제 윈도 측면에서 대규모 원형 CT 셀에 비해 훨씬 월등한 성과를 나타냄을 알 수 있다. 월등한 프로그램/삭제 특성을 갖고 있는 반원형 FG 셀은 셀 사이즈가 작은 경우에도 상대적으로 조밀한 QLT Vt 분배 패턴을 얻을 수 있다. 이에 더해서 낮은 트랩 Si 채널의 통합은 그림 3에서 볼 수 있듯이 예를 들어 펜타 레벨 셀(PLC) 같이 셀당 4비트 이상을 구현할 수 있게 한다. 이러한 결과는 반원형 FG 셀이 높은 비트 밀도를 가능하게 하는데 상당히 유망한 옵션이 됨을 입증한다.