Dreidimensional gestapelte Speicherzellen Was ist BiCS-Flash-Speicher?

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BiCS-Flash-Speicher ist ein nichtflüchtiger Speicher mit hoher Speicherdichte, bei dem die Speicherzellen dreidimensional in mehreren Layern übereinandergestapelt sind. Die Technologie verwendet im Vergleich zu herkömmlichem 3D-NAND-Flash eine spezielle Stapel- und Herstellungstechnik, die besonders gut skaliert und die Kosten pro Bit senkt.

BiCS-Flash-Speicher ist eine spezielle Art von 3D-NAND-Flash-Speicher (V-NAND). Das Kürzel BiCS steht für „Bit Cost Scalable“. Die Speichertechnologie basiert auf dem Grundprinzip dreidimensional übereinandergestapelter Speicherzellen, verwendet aber eine spezielle Stapel- und Herstellungstechnik.

BiCS-Flash-Speicher erreicht eine hohe Speicherdichte und lässt sich effizient produzieren, was die Kosten pro Bit in der Herstellung senkt. Entwickelt wurde BiCS-Flash-Speicher von Kioxia (ehemals Toshiba Memory). Kioxia gilt als einer der Pioniere in der Entwicklung von 3D-NAND-Flash-Technologien. Die BiCS-Flash-Speichertechnologie wurde im Jahr 2007 vorgeschlagen und hat sich mittlerweile als eigene Produktfamilie am Markt etabliert. Sie wurde in mehreren Generationen stetig optimiert. 2015 erschien BiCS-Flash-Speicher mit 48 Layern, 2018 mit 96 Layern, 2020 mit 112 Layern und 2022 mit 162 Layern. BiCS-Flash-Speicher der achten Generation stapelt 218 Layer.

BiCS-Flash-Speicher wird in Geräten wie SSDs, Speicherkarten, Smartphones und Tablets sowie für Industrieanwendungen und für All-Flash-Storage-Arrays in Datenzentren eingesetzt. Auch KI-Anwendungen und das High-Performance-Computing profitieren von der Speichertechnologie.

Grundprinzip von BiCS-Flash-Speicher

BiCS-Flash-Speicher basiert wie 3D- und 2D-NAND-Speicher auf der NAND-Flash-Technologie. Daten werden als elektrische Ladungszustände in nichtflüchtigen Speicherzellen gespeichert. Realisiert sind die Speicherzellen mithilfe von Floating-Gate-Transistoren oder Charge-Trapping-Speicherelementen, die in Gruppen als NAND-Gatter hintereinander in Reihe verschaltet sind.

NAND-Flash hat grundsätzlich eine page- und blockorientierte Arbeitsweise. Die Programmierung der NAND-Zellen erfolgt durch Anlegen einer Spannung an das Control-Gate. Bei 2D-NAND sind die Speicherzellen planar auf einer Chipfläche angeordnet. Die Miniaturisierung der einzelnen Speicherzellen und die Dichte ihrer Anordnung lassen sich auf der begrenzten Chipfläche aber nicht beliebig steigern. Je kleiner die Zellen werden, desto schwieriger wird es, verschiedene Ladungszustände zu unterscheiden. Zudem kommt es irgendwann zu Störungen durch die benachbarten Zellen.

Bei herkömmlichem 3D-NAND werden die Speicherzellen in mehreren Ebenen vertikal übereinandergestapelt und miteinander verbunden. Die BiCS-Technologie wendet für das vertikale Stapeln von Speicherarrays das sogenannte Punch-and-plug-Verfahren an. Dabei werden eine als Steuergate fungierende, plattenförmige Elektrode und ein Isolator abwechselnd übereinandergestapelt. Anschließend werden Löcher senkrecht zur Oberfläche gestanzt. Diese werden innen mit einem Ladungsspeicherfilm und säulenförmigen Elektroden gefüllt. Der Schnittpunkt zwischen der plattenförmigen Elektrode und der säulenförmigen Elektrode bildet die Speicherzelle. Die Struktur der einzelnen Zellen ist quasi um 90 Grad gedreht. Anstatt also die Speicherzellen einfach Schicht für Schicht zu stapeln, werden erst die plattenförmigen Elektroden gestapelt, anschließend Löcher durch sie geöffnet und die Elektroden verbunden. Das hat den Vorteil, dass die Speicherzellen für alle Schichten auf einmal entstehen, was die Herstellungskosten deutlich senkt. Moderne BiCS-Generationen nutzen zudem die CBA-Technologie (CMOS directly Bonded to Array), bei der die CMOS-Wafer und die Cell-Array-Wafer zunächst getrennt hergestellt und dann erst zusammengefügt werden.

Vorteile von BiCS-Flash-Speicher

Als Vorteile von BiCS-Flash-Speicher lassen sich aufführen:

• hohe Speicherdichte und mehr Speicherkapazität auf gleicher Grundfläche im Vergleich zu herkömmlichen, planaren Flash-Speichern,

• effiziente und kostengünstige Fertigungstechnologie,

• hohe Lese-/Schreibgeschwindigkeit und geringerer Stromverbrauch dank optimierter Struktur und Steuerung,

• hohe Zuverlässigkeit.

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