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图解3D NAND的关键制造工艺,英特尔/三星/美光有何技术进展?

2016-08-17 莫大康 阅读:
3D NAND的制造工艺十分复杂,以下把关键部分列出。

自2013年8月三星首先宣布它的3DNAND成功推出,之后的每年它都会前进一步,由24层,32层,48层,到今年第四代的64层,以及2017年可能是80层。WP0ednc

三星存储器的领军人物金永南说,它有近1000名的研发人员,一起共同工作己有约20年之久,共有480篇文章在Sciences and Nature等杂志发表,及拥有130项专利。WP0ednc

有分析师预测在2018年中期时全球NAND闪存在3D堆叠技术的推动下,价格可能低到每Gb约3美分。WP0ednc

3DNAND制造关键工艺WP0ednc

3D NAND的制造工艺十分复杂,以下把关键部分列出:WP0ednc

• High aspect ratio trenchesWP0ednc

高深宽比的沟开挖WP0ednc

• No doping on source or drainWP0ednc

在源与漏中不掺杂WP0ednc

• Perfectly parallel wallsWP0ednc

完全平行的侧壁WP0ednc

• Tens of stairstepsWP0ednc

众多级的楼梯(台阶)WP0ednc

• Uniform layer across waferWP0ednc

在整个硅片面上均匀的淀积层WP0ednc

• Single-Litho stairstepWP0ednc

一步光刻楼梯成形WP0ednc

• Hard mask etchingWP0ednc

硬掩模付蚀WP0ednc

• Processing inside of holeWP0ednc

通孔工艺WP0ednc

• Deposition on hole sidesWP0ednc

孔内壁淀积工艺WP0ednc

• Polysilicon channelsWP0ednc

多晶硅沟道WP0ednc

• Charge trap storageWP0ednc

电荷俘获型存储WP0ednc

• Etch through varying materialsWP0ednc

各种不同材料的付蚀WP0ednc

• Deposition of tens of layersWP0ednc

淀积众多层材料WP0ednc

3DNAND制造中的关键工艺如下图所示;WP0ednc

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3DNAND的竞争加剧WP0ednc

近期全球3D NAND的发展迎来少见的红火,之前认为仅三星独家领先的态势,可能需要重新来思考,至少各方之间的差距正逐步缩小,因为谁都不愿落后,从3DNAND的技术与产能方面都在积极的进行突破,近期它们的战况分别如下;WP0ednc

英特尔WP0ednc

英特尔大连厂带来震惊的消息,经过仅8个多月的努力,英特尔大连非易失性存储制造新项目于今年7月初实现提前投产。WP0ednc

去年10月,英特尔公司宣布投资55亿美元将大连工厂建设为世界上最先进的非易失性存储器制造工厂。WP0ednc

东芝WP0ednc

东芝在2016年春季开始量产48层3D NAND,紧接着7月15日在它的三重县四日市的半导体二厂中举行启动仪式,未来该厂将量产64层3D NAND闪存。此举表示东芝可能领先于三星,因为三星原先的计划是2017年下半年在韩国京畿道平泽市厂量产它的64层3D NAND闪存。WP0ednc

东芝在3D NAND闪存方面的决心很大,计划2017年它的3D NAND占它的NAND出货量的50%,至2018财年增加到占80%。WP0ednc

另外,由于2016年5月威腾(WD,western digital)并购新帝(Sandisk)之后,现在决定延续与东芝的合作关系。东芝与威腾双方各自出资50%,在未来2016 to 2018的三年内总投资1.5兆日园,相当于147亿美元。WP0ednc

美光WP0ednc

美光(Micron)在新加坡与英特尔合资的12英寸厂于2016年Q1开始量产3D NAND,月产3,000片,并计划于今年底扩充产能至40,000片。WP0ednc

8月9日美光正式推出了首款面向中高端智能手机市场的32GB 3D NAND存储产品。WP0ednc

该款3D NAND芯片是业内首款基于浮栅技术的移动产品,也是业内最小的3D NAND存储芯片,面积只有60.217 mm2,同时采用UFS 2.1标准的存储设备,让移动设备实现一流的顺序读取性能;基于3D NAND的多芯片封装 (MCP) 技术和低功耗LPDDR4X,使得该闪存芯片比标准的LPDDR4存储的能效多出20%。此外,与相同容量的平面NAND芯片相比,美光3D NAND芯片的尺寸可以缩小30%。WP0ednc

海力士WP0ednc

海力士也不甘示弱,它的利川M14厂近期改造完毕。SK海力士进一步表示,2016年底将建立2万~3万片的3D NAND Flash产能,以因应市场需求。第3季之前的3D NAND Flash投资与生产重心会放在36层产品,预计今年的第4季将计划扩大48层产品的投资与生产能力。另外海力士也计划投资15.5兆韩元,约134亿美元,新建一座存储器制造厂。WP0ednc

三星WP0ednc

显然,三星的优势尚在,据J.P.摩根发表研究报告指出,三星应该会在2016年底将3D NAND的月产能拉高至接近16万片晶圆(西安厂12万片、及Line 16厂接近4万片)。三星的西安厂目前已接近(100,000片)产能全开,且该公司还计划把Line 16厂的部分2D NAND产能转换为3D。WP0ednc

另外,三星也将调用Line 17厂在二楼的空间,于明年投产3D NAND。依据上述假设,J.P.摩根估计三星明年底的3D NAND月产能将攀升至22万片(西安厂12万片、Line 16厂近6万片、Line 17厂近4万片),等于是比今年底的月产能(16万片)再扩充37.5%。WP0ednc

在近四个月以来发生最大变化的是东芝及英特尔。因为现阶段三星在NAND方面领先,估计平均领先两年左右,而目前它的3D NAND产出己经占它NAND的比重达40%。但是东芝正后续赶上来,因为它的64层提前量产,可能与三星几乎同步,但是它的目标更为诱人,它的3D NAND在2017年目标要占它的NAND产出50%,(目前仅5.4%)以及2018年的80%。WP0ednc

另外,英特尔大连厂仅用8个月时间完成NAND闪存生产线的改造。目前尚不清楚英特尔大连厂将在今年下半年量产的是3D NAND,或是它的Xpoint新型存储器。非常可能2017年东芝和英特尔的3D NAND产能将是三星西安厂的2~3倍,将直接威胁到三星的霸者地位。WP0ednc

结语WP0ednc

由于平面NAND闪存的量产己经达15纳米,几乎接近它的物理极限,因此为了提高存储器的容量及带宽,向3D NAND技术迈进是必然趋势。WP0ednc

但是3D NAND技术很复杂,相比较而言由于成品率低,导致成本高。据目前的水平,依三星的技术作例,它的平面NAND,2015年采用16纳米制程,容量为64Gb,芯片面积为86.4平方毫米,折算每平方毫米为740Mb,而与三星的48层3D NAND相比较,2016年采用21纳米制程,容量达256Gb,芯片面积为99平方毫米,折算每平方毫米可达2,600Mb。WP0ednc

依三星的技术水平,据估计它的48层3D NAND的成本己经接近2D NAND,未来64层时可能会占优势。而其它的各家,不知东芝怎么样?反正如果成本优势不足,它们也不可能去积极的扩充产能。WP0ednc

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