浮遊ゲート型Flashメモリの動向 （シリコンムービー時代に向けた低消費電 力・大容量フラッシュメモリの可能性） （株）東芝 セミコンダクター社 白田 理一郎 TOSHIBA 講演の概要 １．各種次世代メモリの紹介 ２．浮遊ゲートを有する各種フラッシュメモリの比較 ３．ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの開発戦略 ¾ デバイス技術 ¾ 微細化 ¾ 多値化 ¾ 回路技術 ４．大容量フラッシュメモリの応用技術と将来方向 TOSHIBA 1 各メモリのポジショニング High Speed Application FCRAM QDR SRAM embedded DDR SRAM eDRAM Sigma RAM PLEDM FBC memory High Speed RLDRAM DDR-Ⅱ SDRAM Rambus DRAM VOLATILE VOLATILE NON NONVOLATILE VOLATILE Storage MRAM Mobile Application FeRAM Low Power SDRAM w Lo r we Po OUM NAND Flash MLC NAND UniversalLarg eC ap ac it y 3D ROM Pseudo SRAM NROM Low Power SRAM NOR Flash MLC NOR TOSHIBA 次世代メモリ比較表(2003〜2005) Non Volatile RAM Endurance WRITE DRAM SRAM >1015 >1015 15n-50n 1n-100n NOR NAND FeRAM MRAM OUM 105-106 105-106 1012-1016 (>1015) >1012 10us/B 10MB/s 40n40n-100n 20n20n-100n 10n10n-50n 40n-100n (20n-100n) 20n Read 15n-50n 1n-100n 20n-100n >10MB/s Cell Size 8F2 100-150F2 6-12F2 4-6F2 10-20F2 (8-15F2) (5-8F2) Density (bit) 512M/1G 36M/72M (MLC) (MLC) 4G/8G 64M/128M (64M/ 256M) (64M) (1.8V3.3V) (1.8V3.3V) >10 / 1 (>10 / 1) SRAM Like (SRAM Like) 256M/512M Power supply 1.8V-2.5V 1.2V-1.8V 1.8V-2.7V 1.8V-2.7V 1.8V-2.5V voltage Program 10V 18V 1.8V-2.5V 1.8V-2.5V voltage Power 1/1 1/1 >10 / 1 >10 / 1 1/1 Write/Read Interface DRAM SRAM SRAM Like NAND SRAM Like TOSHIBA 2 次世代メモリ比較 記憶部 DRAM FeRAM MRAM Capacitor Capacitor (Ferro electric) Magnetic Tunnel Junction Plate (static) OUM NAND Chalcogenide Glass Floating Gate BL Plate (plus) BL Source 等価回路 WL WL WL WL WL Drain BL “1” Data ＋＋＋＋＋ NO −−−−− ＋＋＋＋＋ −−−−− NO −−−−− ＋＋＋＋＋ “0” Data Merit Demerit BL Control Gate −−−−− Si Amorphous Floating Gate Si crystal 高速書き込み,読み出し 低ビットコスト 不揮発性メモリ 高速書き込み,読み出し Logicとの混載 不揮発性メモリ 高速書き込み,読み出し Logicとの混載 Logicとの混載 不揮発性メモリ 低ビットコスト 不揮発性メモリ スタンドバイ電流大 揮発性メモリ データ保持時間 大容量化 破壊読出し 書き込み電流 大容量化 書き込み電流 大容量化 書換え時間 書換え回数 ランダムアクセス TOSHIBA 次世代メモリ比較 記憶部 Source 等価回路 ３D Memory “0” Data WL NAND Body Floating Gate WL WL BL P+ N+ FBC Source Source WL Source WL Drain Drain Control Gate −−−−− Si WL Floating Gate Si Anti Fuse 不揮発性メモリ 低ビットコスト 低ビットコスト 不揮発性メモリ Logicとの混載 比較的容易 Logicとの混載 製造プロセス 低ビットコスト 不揮発性メモリ 書換え回数 大容量化 OTP 書換え回数 揮発性メモリ 書換え回数 ランダムアクセス BL Merit Demerit ONO AntiAnti-Fuse Drain “1” Data NROM Floating NOR Floating Gate P+ N+ Control Gate −−−−− WL Si ＋＋＋＋＋ Insulator Si SOI WL ONO Si Si Insulator SOI Control Gate −−−−− Si Floating Gate Si TOSHIBA 3 講演の概要 １．各種次世代メモリの紹介 ２．浮遊ゲートを有する各種フラッシュメモリの比較 ３．ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの開発戦略 ¾ デバイス技術 ¾ 微細化 ¾ 多値化 ¾ 回路技術 ４．大容量フラッシュメモリの応用技術と将来方向 TOSHIBA ﾌﾗｯｼｭﾒﾓﾘ比較表 用 -Code vs File Storage - 途 小型メモリーカード ﾌｧｲﾙ記憶 NAND - デジタルスチルカメラ - 携帯音楽機器 - PDA ... 等 ファイルストレージ - シリコンディスク ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ格納 ｺｰﾄﾞ記憶 NOR - 携帯電話 - DVD - Set TOP Box BIOS - PC 及び周辺機器 要求性能 長 所: • ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ時間が速い • 消去時間が速い • ｼﾘｱﾙﾘｰﾄﾞが速い 短 所: • ﾗﾝﾀﾞﾑｱｸｾｽ時間が遅い 長 所: • ﾗﾝﾀﾞﾑｱｸｾｽ時間が速い • ﾊﾞｲﾄ単位でﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ可能 短 所: • ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑが遅い • 消去が遅い TOSHIBA 4 Principle of Flash CONTROL GATE VOLTAGE(Vcg) (1) Id-Vg (2) Vt distribution (3) Cell Condition Vth(V) Source (Vs) Drain (Vd) Program ｎ＋ Program ｎ＋ ｐ (b) Program SHIFT 5V Floating Gate Control Gate Erase Drain (Vd) Source (Vs) Erase 1V ｎ＋ ｎ＋ 0 ｐ Number of bits Drain Current (Id) (a)Erase TOSHIBA Program / Erase Method Electron Injection Vpp Vpp Program Current < 1uA Program Current < 2-5mA VD S D -Page program - Byte program Hot Electron FN tunneling Electron Emission VPE High VPE ( 20v ) VPE FN tunneling - High Speed Erase ( 3ms/Block ) LowVPE ( 12v ) VPE S D Edge-FN tunneling - Low Speed Erase (1s /Block) HighVPE ( 20v ) S D Poly-FN tunneling - High Speed Erase (3ms/Block) TOSHIBA 5 Cell Function NOR SANDISK AND Vth (V) Vth (V) Vth NAND Vth (V) Vth (V) 0 Number 0 Number 0 PROG. Number 0 12V Open 0V 18V -8V 10V 5V Number Vcc Vcc Vcc Open 7V 0V 6V 0V 0V 0V 0V 0V Hot Electron Hot Electron Edge-FN tunneling FN tunneling 0V 12V 0V 22V -8V ERASE 0V 0.1MB/sec Access Mode Random 20V -8V 0V Edge-FN tunneling Poly-FN tunneling Prog. Speed 0V 10V F 20V 20V -8V FN tunneling FN tunneling 0.5MB/sec Very Fast 2.5MB/sec 2.0MB/sec Serial Serial Serial TOSHIBA Cell Array NOR SanDisk Contact Word line(poly) AND NAND Bit line /Source line(metal) Bit line(metal) Erase gate(poly) Word line(poly) Word line(poly) Word line(poly) Source line (Diff. Layer) Sub Bit line (Diff. Layer) Unit Cell Unit Cell Unit Cell Unit Cell Source line (Diff. Layer) Source line (Diff. Layer) Simplest wiring Smallest area TOSHIBA 6 Physical Bit Cell Structure F: Design Rule NOR SanDisk AND NAND ２Ｆ ３Ｆ Layout ５Ｆ ４Ｆ ３Ｆ ２Ｆ ２Ｆ ２Ｆ Crosssection Bit Cell Size 10F2 8F2 9F2 4F2 Simplest Smallest TOSHIBA Is 4F2 the Final Cell Size ? 2F 4F 2F 3F ? 2F 2F AND String Common Source NAND String New String 2 Diffused Lines 2F × 4F = 8F2 1.5 Diffused Lines 2F × 3F = 6F2 1 Diffused Line 2F × 2F = 4F2 0.5 Diffused Line TOSHIBA 7 講演の概要 １．各種次世代メモリの紹介 ２．浮遊ゲートを有する各種フラッシュメモリの比較 ３．ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの開発戦略 ¾ デバイス技術 ¾ 微細化 ¾ 多値化 ¾ 回路技術 ４．大容量フラッシュメモリの応用技術と将来方向 TOSHIBA Cell Size Trend 10 LOCOS SA-STI MLC SA-STI Cell Size ( um2 ) 1 Control Gate Tunnel Oxide Floating ONOGate WSi LOCOS 0.25um Multi Level Cell 0.1 Control Gate Floating Gate Tunnel Oxide ONO WSi 0.175um STI 0.13um 0.01 ‘93 ‘94 ‘95 ‘96 ‘97 ‘98 ‘99 ‘00 ‘01 ‘02 ‘03 ‘04 Start of Mass Production TOSHIBA 8 Top View NAND Flash memory cells Bit-line contact 16 word-lines 2 select gates Active area STI Source-line contact Ｔｏｐ View Equivalent Circuit TOSHIBA Low Ion / Ioff Ratio is Allowable Bit Line １ cell ０ cell ０Ｖ 3.5Ｖ Ｉｃｅｌｌ (A) Ion 3.5v 3.5v Selected Block Ioff ０v 3.5v Selected cell Vcg of Selected WL （Ｖ） ０v ０v Non-selected Block ０v Select Transistor （shut down from BL） Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ≧10 → １ ／ ０ Ｓｅｎｃｉｎｇ OK Short Channel Effect is negligible ! ０v Scaling of Gate Length is easy TOSHIBA 9 STI NAND Cell Structure GC(Word Line) SL SL Floating Gate Substrate STI STI TOSHIBA プロセスフロー Mask SiN 0.25µm 0.30µm Spacer SiN SiN 0.4µm 1st poly-Si 0.15µm Tunnel Oxide P-well (a) (c) Mask SiN 2nd Si Control Gate poly- Inter-poly (ONO) STI (b) (d) TOSHIBA 10 Ｓｅｌｆ‐Ａｌｉｇｎｅｄ ＳＴＩ Cell Micro-Photograph CG 2nd FG 1st FG STI 0.3μm 0.25μm Cell size : 0.29μm2 TOSHIBA 講演の概要 １．各種次世代メモリの紹介 ２．浮遊ゲートを有する各種フラッシュメモリの比較 ３．ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの開発戦略 ¾ デバイス技術 ¾ 微細化 ¾ 多値化 ¾ 回路技術 ４．大容量フラッシュメモリの応用技術と将来方向 TOSHIBA 11 NAND Flash Memory ロードマップ 4Gbit MLC MLC Technology 2Gbit MLC MLC : Multi Level Cell MLC MLC NAND NAND 1Gbit MLC 2Gb SLC Capacity 0.10um 0.10um 1Gb SLC SLC SLC NAND NAND 0.13um 0.13um LC @2 512Mb 512Mb SLC i ty ens mD u 256Mb 256Mb SLC xim Ma 0.25um 0.25um 0.16um 0.16um 128Mb 128Mb SLC 0.4um 0.4um ule nR s ig e D 1996 1997 1998 Large Capacity 1999 2000 Year 2001 2002 2003 2004 TOSHIBA 多値技術の長所・短所 Ｖｔｈ（Ｖ） 長 所 (0) 大容量化の加速 低コスト化の加速 次世代容量の先取り メガバイト単価の圧縮 Number of Bit (1) 2値 NAND(1 bit/cell) 短 所 パフォーマンスの低下 信頼性の低下 Ｖｔｈ（Ｖ） (1,0) (0,0) (1,0) (1,1) 大ブロックサイズの導入 複数ページ同時書込モードの導入 多ビット訂正能力を有するECCの提供 多値 NAND(2 bit/cell) TOSHIBA 12 講演の概要 １．各種次世代メモリの紹介 ２．浮遊ゲートを有する各種フラッシュメモリの比較 ３．ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの開発戦略 ¾ デバイス技術 ¾ 微細化 ¾ 多値化 ¾ 回路技術 ４．大容量フラッシュメモリの応用技術と将来方向 TOSHIBA ビット線シールド技術 シールド無 シールド有 Shielded Bitline Ｃ３ Ｃ３ ＢＬ１ ＢＬ０ ＢＬ１ Ｃ１ ＢＬ２ Ｃ１ Ｃ２ ＢＬ０ ＢＬ２ Ｃ１ Ｃ２ Cell Current ＢＬ２ Cell Current ＢＬ０ ＢＬ０ ＢＬ１ Ｃ１ ∆VBL ∆VBL ≅ 0V ＢＬ１ ＢＬ２ TOSHIBA 13 小面積・低消費電力センスアンプ SEN1 CLAMP N1 M1 PRE SEN0 BLT1 BLS1 BL1 BL0 BLT0 SGS BLS0 VSH TOSHIBA センス方式 Sense amplifier LATCH PRE PRE CLAMP Nsense Vbl Nsense Vbl Bit line CLAMP VG1 VG1-Vt VG3-Vt VG3-Vt VG3 ΔVbl Vdd-Vt ΔNsense ΔVbl > VG1 - VG3 ΔNsense = Vdd - VG3 TOSHIBA 14 NAND vs. NOR : Fast Program NAND technology can realize fast program. NOR （Hot-Electron） NAND （FN-Tunnel ） ２０Ｖ NAND ０Ｖ ０Ｖ N (Tunneling） NOR １２Ｖ Small Current Large Current FN-Tunnel ５Ｖ ０Ｖ Hot-Electron N N N (Hot Electron） Ｐ Low Power Ｐ (Ｓｉ-Sub) Tunnel Electron High Power 512B/2KB Program Hot-Electron Ｓｉ-Sub Bit Program SiO2 Ｓｉ-Sub SiO2 Floating Gate Floating Gate Fast Program 1Cell : ５×１０-９Ａ Slow Program 1 Cell : １×１０-４Ａ Page Program １〜８ Bit Program File Application Code Application TOSHIBA NANDフラッシュ 高速書込技術 ① ①Register Serial Data in (512+16Byte) 2.3 MB/s ②Program Page Block Block 16Byte 512Byte ① ② ③ ④ Serial Data in (512+16Byte)ｘ４ ①Register ⑤ ②Register ⑤ ③Register ⑤ ④Register ⑤ 6.8 MB/s 528Byte 528Byte 528Byte 528Byte TOSHIBA 15 Fast Program with Write Cache Total Program Time ＝ Data Load Time + Actual Program Time 528B Page：Tprog. = 26.4µs + 200µs Row Decoder 2KB Page： Tprog. = 26.4µs × 4 + 200µs Page Prog. 1KB Data Load 1KB TOSHIBA Program Speed (MB/sec) Write Cache and Page Size 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Appropriate Density → With Write Cache 10.56 MB/s 6.91 MB/s Without Write Cache 512B 1KB 2KB 4KB 8KB 64M 256M 1G 4G 16G Page Size TOSHIBA 16 電源高圧回路 (VDC) 周辺回路Tr.はセルのトンネル膜を使用(〜2.5V) 外部電源仕様：Max 3.6V 条件 Vext • ワイドレンジ VDC • 安定性 Vint • 低スタンドバイパワー Flash chip TOSHIBA プログラム・ディスターブ・モード Initial Vth = ‑2V 0V Cell A Stress Time ＝ ８４ｍｓ 7V 1 ∆Vth (V) 20V Cell A 0 VM 20V Selected Cell 0 5 10 15 Cell B セルＢ 1 VM Cell B Stress Time ＝ １２ｍｓ ∆Vth (V) VM 0V 0 0 5 10 15 VM (V) TOSHIBA 17 NAND列のチャネル・カップリング容量 Ｖpass Ｖpgm Ｖpass Ｃono Ｖfg Ｖfg Ｖfg Ｃtunnel Ｃchannel Ｃj TOSHIBA プログラム禁止電圧のバイアス条件 Programming Cell Inhibit ＢＬ＝３．３Ｖ Program ＢＬ＝０Ｖ １８Ｖ ０Ｖ ０Ｖ ＳＳＬ Ｖｃｃ １０Ｖ Ｖpass Ｖpgm ０Ｖ １８Ｖ ＧＳＬ １８Ｖ ０Ｖ １０Ｖ Ｖpass ０Ｖ Inhibiting Cell ８Ｖ ８Ｖ ０Ｖ ０Ｖ ０Ｖ TOSHIBA 18 ビット毎ベリファイ方式 Vth Vth Vth 5V Vth 5V Fast Prog. Cell Slow Prog. Cell Prog. Stop Vref Vref 0V 0V No. of Cells 1 2 3 4 5 No. of Cells 1 No. of Program Cycles 2 3 4 5 No. of Program Cycles (a) Without Verify (b) With Verify TOSHIBA プログラム電圧固定vs.ステップ・アッププログラム Vth （ V ） Electric Field ２ （i）Constant Prog. Voltage （ii）Step‑up Prog. Voltage １ ０ −１ （i）Constant Prog. Voltage （ii）Step‑up Prog. Voltage −２ ０ ５０ １００ １５０ Program Time（ µs ） (a) Program Characteristics Program Time ２００ Program Start (b) Electric Field through Tunnel Oxide TOSHIBA 19 講演の概要 １．各種次世代メモリの紹介 ２．浮遊ゲートを有する各種フラッシュメモリの比較 ３．ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの開発戦略 ¾ デバイス技術 ¾ 微細化 ¾ 多値化 ¾ 回路技術 ４．大容量フラッシュメモリの応用技術と将来方向 TOSHIBA NAND Flash Card Line Up Industrial Use Digital Consumer Smart MediaTM SD Card Multi Media Compact Card FlashTM ~128MB Thin ! Lowest Cost ~128MB ~128MB ~64MB ~64MB ~1GB ~1GB Small Secured Small Thin Mid Capacity Compact ATA Card NAND Flash Drive ~2GB ~2GB Large Capacity Large Capacity PC Card Compatible w/ HDD NAND + Controller NAND No controller inside Digital Camera MP3 , IC Recorder Mobile Phone PDA Digital CAM Coder Note PC Car NAVI FA Robot Networking Server ATM / CD POS System TOSHIBA 20 HDD vs. Flash Cost Trend TOSHIBA HDD Sales Dependent on Capacity 1 8 .6 17 .3 HDD SALES REVENUE [B$] 16 .0 YEAR 14 .2 1 0 .2 1 1.7 8 .8 1 0.1 12 .1 2.9 1 0.6 7 .6 3.4 12 .3 0 .7 1 .0 0 .2 2 .3 9 .2 0 .0 6 .1 2.0 2002 0.5 0 .1 0 .2 0 .1 1 .6 20 0 1 1.8 0.3 3.7 0 .0 0 .3 0 .1 2 0 00 3 .9 1 .2 0 .0 0.1 0 .2 0 .1 1999 0 .4 1 9 98 ove r 40203 - 5 G 5 - 10 G 1 0 80G 80G u n de r 2 - 3 G 40 G 20G 2G HDD容量 Source：1999 DISK/TREND Report TOSHIBA 21 HDD vs. FDD Price Projection 100 Flash Disk Target Price 512MB〜 Price [10K¥] 10 128MB〜 1 HDD ASP 0.1 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 YEAR Source： (NSC) TOSHIBA NANDフラッシュドライブ THNIDxxxxBA (2.5インチ) THNIDxxxxBB (3.5インチ) TOSHIBA 22 デジタルスチルカメラ市場動向 市場規模 1995年 カシオのQV-10出現に続き、カメラメーカ、 家電メーカ参入で年率 36% で成長中 ・DSC台数: 1030万台 ／ 2000年 1480万台 ／ 2001年 2000万台／ 2002年(ｿｰｽ：日本写真機工業会） 高画素化 ﾌﾗｯｼｭﾒﾓﾘの大容量化がデジカメの高画質化を援護 128MB 80〜60枚 ﾌﾗｯｼｭﾒﾓﾘ容量 64MB 64枚 32MB 52枚 16MB 40〜30枚 8MB 40枚 4MB 画素数 銀塩フイルムカメラの 置き換えが進む 36枚 35万 ‘96 80万 50万 ‘97 150万 ‘98 200万 ‘99 300万 500〜600万 ‘00 ‘01 TOSHIBA シリコンオーディオ市場動向 市場規模 1999年 MP３プレーヤの市場導入を契機に 年率 72% の成長が期待される ・ｼﾘｺﾝｵｰﾃﾞｨｵ台数 : 270万台 ／ 2000年 1000万台 ／ 2003年 ( ｿｰｽ ： 野村証券金融研究所) Toshiba Axia Maxell Hagiwara syscom ■ CD並の音質を1分/1メガバイトで実現 MP3 / AAC / Twin VQ / Atrack3等の圧縮技術 64Mﾊﾞｲﾄで1時間録音再生 Sony ■ ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ配信 / CDからのRipping Kiosk端末等からのダウンロード ページプログラムによる高速書込み Diamond Multimedia ■ 音楽著作権に対応 メモリースティック / SDカード / ID付きSmartMedia Creative TOSHIBA 23 その他の市場動向 TV ゲーム ■ ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ通信等の高機能化によるﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾝﾃﾝﾂ等の格納 大容量ﾌﾗｯｼｭﾒﾓﾘの搭載 PS2用ﾒﾓﾘｰｶｰﾄﾞに内蔵 Set Top Box ■ ｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝｿﾌﾄ、ﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾝﾃﾝﾂ等の格納 大容量ﾌﾗｯｼｭﾒﾓﾘの搭載 任天堂 携帯電話 ■ データ転送速度の大幅向上 (exp.CDMA2000,WCDMA) 静止画/動画、デジタルコンテンツ等の本格通信始まる データ格納先として大容量ﾌﾗｯｼｭ / ﾘﾑｰﾊﾞﾌﾞﾙﾒﾃﾞｨｱの搭載 TOSHIBA Flash Memory Market Forecast $14,000 $12,000 $10,000 $8,000 $6,000 $4,000 $2,000 $0 1999 2000 2001 NOR 2002 Combo 2003 2004 2005 2006 Source: web-Feet Research NAND NAND market will grow $8kM in year 2006！ TOSHIBA 24 NAND Development Direction High Density Ｖｔｈ（Ｖ） Low Cost (1,0) (0,0) (1,0) Fast Program Program: 2 MB/S Number of Bit (1,1) HＶ ０Ｖ Fast Program ０Ｖ N Ｖｔｈ（Ｖ） N Ｐ-Sub (0) 20 MB/S Number of Bit Unit Cell 4F2 FN-Tunnel (1) Small Current Only NAND Flash Can Cover this field. TOSHIBA Focus on a Few but Strong Market Concepts Byte EEPROM ¾Dismiss Byte Reprogram ¾Attain Small Cell Size NOR NAND ¾Dismiss Random Read ¾Attain Small Cell Size ¾Attain Fast Program ? TOSHIBA 25 裏表紙 TOSHIBA Semiconductor Company http://www.semicon.toshiba.co.jp TOSHIBA 26
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