3D V-NAND: de hoogte in met flash-opslag

Transistors

In de basis zijn er maar twee soorten transistors: bipolaire en (unipolaire) veldeffect-transistors. Van het laatste type maakt NAND-geheugen gebruik, om precies te zijn van n-channel MOSFETs (figuur 1). Heel kort door de bocht: NAND-geheugen slaat data op door elektronen op te vangen in een zogenaamde floating gate van zo’n mosfet. Hoe dat in detail werkt, leggen we hieronder uit.

Figuur 1: een schematische weergave van een NAND mosfet. ONO is oxide-nitride-oxide, ook wel Inter Poly Dielectric, een isolerende laag. Het laagje SiO₂ ofwel siliciumdioxide is ook een isolerende laag, waar elektronen bij toepassing van een hoge spanning op de control gate doorheen kunnen ‘tunnelen’, naar de floating gate.

Figuur 2: een dwarsdoorsnede van een NAND mosfet. 1: control gate, 2: oxide-nitride-oxide, 3: floating gate, 4: siliciumoxide (tunneling oxide), 5: bitline (substraat)

Het n-channel komen we zo op terug, de afkorting MOSFET zelf staat voor Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. Ofwel: een metaal-oxide halfgeleider veldeffect transistor. Een veldeffect transistor is een type transistor met maar één pool. Standaard loopt er dan ook geen stroom door een mosfet. Hij heeft drie aansluitingen: een source, een drain en de gate. Daarnaast dient het substraat als vierde ‘aansluiting’, dat intern verbonden is met de source.

De gate dient om een kanaal te creëren waardoor stroom kan lopen tussen de source en de drain. Dat gebeurt door het elektrische veld van de spanning op de gate te wijzigen. Hoe, daar komen we zo op. Eerst de n-channel: dat is simpelweg een geleidingskanaal tussen source en drain.

In mosfets in NAND-geheugen is de gate elektrisch geïsoleerd, om welke reden het een ‘floating gate’ wordt genoemd. De isolatie van de source en de drain is een dunne laag siliciumoxide. De floating gate wordt aangestuurd door een control gate. Dat is in moderne mosfets onderdeel van dezelfde transistor, maar het kan ook een aparte transistor zijn. Ook met de control gate is er geen directe elektrische verbinding: een laagje oxide-nitride-oxide ofwel ONO, ook wel Inter Poly Dielectric ofwel IPD genaamd (gewoon een ingewikkelde aanduiding voor een slecht geleidend materiaal) zorgt voor een strikte scheiding. De control gate beïnvloedt de floating gate louter via een capacitieve verbinding, een heel zwakke, indirecte elektrische verbinding.

In NAND-geheugen is een hele reeks mosfets met elkaar verbonden in een raster. In één richting zijn ze verbonden via de control gates. Die verbinding noemen we de wordline. Haaks daarop loopt een verbinding via het substraat, de bitline.