隨著摩爾定律的逐步失效，數(shù)字邏輯芯片和DRAM芯片隨著制程工藝提升所帶來(lái)的密度優(yōu)勢(shì)正在降低，成本卻在高速提升。相比之下，NAND Flash閃存的情況卻并非如此。與半導(dǎo)體行業(yè)的其他行業(yè)不同，NAND每年的成本都在大幅下降。
這主要是因?yàn)镹AND顛覆了摩爾定律，不再依賴對(duì)于晶體管的微縮。相反，NAND轉(zhuǎn)向了全新的3D NAND架構(gòu)，并于2013年首次商業(yè)化。從那時(shí)起，NAND制造商通過(guò)添加越來(lái)越多的存儲(chǔ)單元層的堆疊來(lái)提高NAND的密度和成本結(jié)構(gòu)。制造的焦點(diǎn)也幾乎完全從光刻轉(zhuǎn)移到了沉積和蝕刻處理步驟。結(jié)果，自從引入3D NAND以來(lái)，NAND的密度以非常一致的速度每年提高30%。
近日，半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)Semianalysis發(fā)布文章，對(duì)NAND半導(dǎo)體市場(chǎng)、工藝技術(shù)擴(kuò)展途徑、制造工藝、NAND定價(jià)趨勢(shì)、當(dāng)前供過(guò)于求/未來(lái)短缺、2023年至2025年NAND晶圓制造設(shè)備支出前景、西部數(shù)據(jù)和Kioxia的未來(lái)進(jìn)行了分析，并深入探討了NAND高縱橫比蝕刻市場(chǎng)、3D DRAM的可能性。Semianalysis認(rèn)為，沉積方面也即將發(fā)生的重大材料變化，以及由于兩次制造變化，代表超過(guò)10億美元的收入可能易手，市場(chǎng)份額可能從泛林集團(tuán)（Lam Research）大幅轉(zhuǎn)移到東京電子（TEL）。
一如既往，技術(shù)背景將為每個(gè)人詳細(xì)介紹。NAND的沉積和蝕刻、3D DRAM的可能性、業(yè)務(wù)影響、變化、高層成果和WDC/Kioxia評(píng)論方面的兩項(xiàng)新發(fā)展也將詳細(xì)介紹。包括從超大規(guī)模集成電路日本和半導(dǎo)體西部的工具公司和NAND制造商那里收集的市場(chǎng)情報(bào)。
自引入3D NAND以來(lái)，這種密度的增加使每比特的NAND成本每年下降約21%，盡管未來(lái)可能會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)，但預(yù)計(jì)仍將繼續(xù)擴(kuò)展。
美光認(rèn)為，NAND每比特的成本可以繼續(xù)以每年低至百分之十幾的速度下降，而DRAM更難擴(kuò)展，只能以每年高個(gè)位數(shù)的成本下降為目標(biāo)。這是DRAM行業(yè)最近經(jīng)歷的21%的倒退。
NAND中這些大規(guī)模成本改進(jìn)的主要原因是晶圓廠可以在工藝步驟數(shù)沒(méi)有大規(guī)模相應(yīng)增加的情況下增加密度。3D NAND中最關(guān)鍵的步驟是薄膜沉積和高縱橫比蝕刻。
NAND的一個(gè)過(guò)于簡(jiǎn)單的制造過(guò)程是沉積交替的薄膜，然后有一些不同的蝕刻穿過(guò)堆疊，將cell分開(kāi)/連接到外部世界。Lam Research是許多工藝步驟的領(lǐng)導(dǎo)者，包括最關(guān)鍵的高縱橫比蝕刻。
NAND擴(kuò)展的四條大道
有4種主要途徑可以擴(kuò)展NAND閃存每片的存儲(chǔ)容量。
邏輯縮放：每個(gè)單元存儲(chǔ)的位數(shù)。這需要每個(gè)單元存儲(chǔ)2^n個(gè)電壓電平；
垂直縮放：垂直堆疊的NAND單元的數(shù)量；
橫向縮放：可以在2D矢量上擬合的單元格的大小/數(shù)量；
體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展：各種技術(shù)可提高密度并減少單元/外圍的開(kāi)銷。
首先是邏輯縮放，即每個(gè)物理存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)更多的位。每個(gè)單元存儲(chǔ)的每個(gè)附加位需要將單元必須保持的可辨別電壓狀態(tài)的數(shù)量增加一倍。IE：每個(gè)單元1bit（SLC）的2個(gè)電壓電平，每個(gè)單元2bit（MLC）的4個(gè)電壓電平、每個(gè)單元3bit（TLC）的8個(gè)電壓電平以及每個(gè)單元4bit（QLC）的16個(gè)電壓電平和每個(gè)單元5bit（PLC）的32個(gè)電壓電平。
理想情況下，這通過(guò)增加存儲(chǔ)字節(jié)而不增加存儲(chǔ)單元的物理數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)“自由”縮放。每個(gè)單元4bit的QLC NAND于2018年問(wèn)世，SK海力士從英特爾收購(gòu)的Solidigm團(tuán)隊(duì)一直在談?wù)撁總€(gè)單元5bit PLC浮柵NAND。Kioxia的研究人員甚至在2021年證明了在低溫條件下每個(gè)Cell可以達(dá)到7bit。
然而，邏輯縮放的主要缺點(diǎn)是減少每個(gè)存儲(chǔ)狀態(tài)的電子數(shù)量。增加每個(gè)單元的電壓狀態(tài)的數(shù)量意味著劃分每個(gè)存儲(chǔ)單元的電子存儲(chǔ)容量。每個(gè)狀態(tài)的電子數(shù)量減少會(huì)增加可變性并破壞可靠性。2D NAND已經(jīng)達(dá)到了TLC技術(shù)的極限，3D NAND也很快接近了類似的極限。展望未來(lái)，我們開(kāi)始看到這種影響，這標(biāo)志著邏輯縮放的結(jié)束。
制造商發(fā)現(xiàn)，制造更小的Cell（橫向+垂直），每個(gè)Cell容納更少的電子，使每個(gè)Cell的高位無(wú)法維持。例如，Solidigm的192層PLC出現(xiàn)故障，由于成本結(jié)構(gòu)較差，不會(huì)大量生產(chǎn)。
三星的大于236層V9代3D NAND也顯示出QLC與TLC的代擴(kuò)展性較差。在V7代中，QLC比TLC密度高40%。使用V9時(shí)，QLC的密度僅為T(mén)LC的20%。這是因?yàn)镼LC存儲(chǔ)單元不能像TLC單元那樣收縮得那么多。因此，美光和SK海力士相信TLC（每個(gè)單元3bit）NAND將是最具成本效益的長(zhǎng)期解決方案。
其次是垂直縮放，這是過(guò)去十年中NAND密度增長(zhǎng)的主要途徑。當(dāng)前的高縱橫比（HAR）蝕刻深度限制為6至7微米，每個(gè)單元的最小厚度約為40nm。到目前為止，制造商只能實(shí)現(xiàn)多達(dá)128個(gè)字線層堆疊（每個(gè)約50nm）。除此之外，還需要將多個(gè)單獨(dú)蝕刻并組合在另一個(gè)deck（層面）上的deck串堆疊。Solidigm的192層設(shè)計(jì)使用了四個(gè)48層deck，而海力士最新一代238層設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)deck，每個(gè)deck有119條活動(dòng)字線。
理想情況下，deck越少越好，因?yàn)樾枰貜?fù)的制造步驟越少，堆疊deck時(shí)出現(xiàn)對(duì)齊錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)越低。否則，垂直縮放的唯一其他方式是減小每個(gè)存儲(chǔ)器單元和字線的Z方向厚度，或者增加HAR蝕刻深度，下面詳細(xì)說(shuō)明。這就是為什么東京電子可以從泛林集團(tuán)公司獲得大量業(yè)務(wù)的原因。稍后描述的沉積變化可能同樣具有影響力。
第三是在X和Y方向上進(jìn)行傳統(tǒng)的橫向縮放。這可以通過(guò)增加存儲(chǔ)器溝道孔的密度或通過(guò)減少狹縫和存儲(chǔ)器塊細(xì)分的面積開(kāi)銷來(lái)實(shí)現(xiàn)。前者已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)了，因?yàn)樾枰獙⑺袑佣及惭b在側(cè)壁上以形成電荷陷阱單元，所以空穴不會(huì)變得更小?？字g的間距目前也盡可能小。
對(duì)于后者，美光和西部數(shù)據(jù)/鎧俠（WDC/Kioxia）增加了狹縫之間的通道孔的數(shù)量，減少了狹縫的總數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了通孔的更好面積利用。這意味著它們的替換柵極工藝必須水平地深入層中，以正確地去除所有SiN（氮化硅）殘留物并干凈地進(jìn)行隨后的W（鎢）填充。
自64層NAND產(chǎn)生以來(lái)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一直是狹縫之間的9根支柱。美光的232層NAND在狹縫之間變成了19個(gè)支柱，而西部數(shù)據(jù)/鎧俠 BiCS6 162層在狹縫間變成了24個(gè)支柱，盡管我們尚未發(fā)現(xiàn)這種情況在市場(chǎng)上廣泛普及。他們的 218 層 BiCS8 將會(huì)更進(jìn)一步，不再需要一排虛擬孔來(lái)分隔子塊。
雖然與垂直縮放相比，這些橫向縮放技術(shù)的密度增益較小，但它確實(shí)能夠在不增加WFE（晶圓廠設(shè)備投資）強(qiáng)度的情況下線性降低成本。除此之外，還可以通過(guò)使用交錯(cuò)“樓梯”設(shè)計(jì)來(lái)減少陣列兩側(cè)“樓梯”的頭頂面積，從而實(shí)現(xiàn)橫向縮放。然而，這是以增加布線密度和字線連接區(qū)域的復(fù)雜性為代價(jià)的。
最后是架構(gòu)縮放。它關(guān)注CMOS邏輯外圍電路的放置位置。設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單的CMOS Next to Array，到最近的CMOS Under Array，通過(guò)在NAND堆棧下方構(gòu)建電路來(lái)節(jié)省芯片面積。然而，由于NAND陣列處理步驟的苛刻性質(zhì)，CMOS邏輯處理技術(shù)存在限制。CMOS鍵合陣列（CBA）通過(guò)在單獨(dú)的芯片上制造邏輯來(lái)解決這一問(wèn)題，然后通過(guò)混合鍵合將該芯片鍵合到存儲(chǔ)器陣列芯片上。
這使得更高級(jí)的邏輯和更高的布線密度能夠?qū)崿F(xiàn)階梯和子塊劃分的進(jìn)一步橫向縮放。由于并行制造邏輯和存儲(chǔ)器，可以通過(guò)降低設(shè)計(jì)/工藝復(fù)雜性和循環(huán)時(shí)間來(lái)抵消接合多個(gè)芯片帶來(lái)的成本增加。YMTC憑借其64層X(jué)tacking 1.0和令人驚嘆的1.0微米間距混合粘合引領(lǐng)潮流。西部數(shù)據(jù)/鎧俠 BiCS8 218層也將采用混合鍵合工藝，其他制造商也將效仿。
這些擴(kuò)大規(guī)模的途徑大多已經(jīng)被挖掘出來(lái)。雖然垂直擴(kuò)展一直是擴(kuò)展的主要方式，但即使如此，目前的制造設(shè)備也開(kāi)始采用這種方式。
3D NAND結(jié)構(gòu)和制造流程
氧化物和氮化物薄膜的交替層首先沉積在基底芯片上。每個(gè)層的厚度在20至30nm之間。每個(gè)疊層的理論極限可以超過(guò)250層高并且接近7微米的高度。然后添加厚的硬掩模以準(zhǔn)備高縱橫比（HAR）溝道空穴蝕刻。這種反應(yīng)離子蝕刻工藝挖掘出比寬度深70倍的孔陣列。通道孔在圓度和整個(gè)孔深度上的均勻性對(duì)于降低存儲(chǔ)單元性能的可變性至關(guān)重要。對(duì)于具有多個(gè)deck的設(shè)計(jì)，重復(fù)這些步驟，然后將這些deck堆疊在彼此的頂部。
由此，用多層填充溝道空穴以形成電荷陷阱單元，每一層沉積在側(cè)壁上使得空穴逐漸變窄。接下來(lái)是金屬置換柵極工藝。狹縫通過(guò)所有層被蝕刻下來(lái)，形成暴露出堆疊側(cè)面的溝槽。這允許通過(guò)ALD和鎢字線填充進(jìn)行氮化物層的挖掘和隨后的勢(shì)壘沉積。在陣列的側(cè)面蝕刻階梯以將字線層暴露于垂直接觸。
最后，位線和金屬互連形成在所制造的CMOS電路之上，并與所制造的包括字線驅(qū)動(dòng)器和用于NAND接口的其他外圍電路的CMOS電路連接。由此，我們看到3D NAND高度依賴于HAR蝕刻和沉積能力來(lái)縮放密度和性能。
如前所述，3D NAND主要限制是在制造工藝中蝕刻溝道通孔。這就是為什么每GB的原始處理時(shí)間（以及因此的處理成本）擴(kuò)展預(yù)計(jì)將從我們觀察到的歷史趨勢(shì)放緩的原因。這是這篇文章的重點(diǎn)。
NAND市場(chǎng)信息更新
目前NAND市場(chǎng)持續(xù)疲軟，產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩。由于供應(yīng)過(guò)剩，目前晶圓產(chǎn)能利用率在60%的范圍內(nèi)。庫(kù)存情況也是巨大的。這是自1997年以來(lái)我們看到的最嚴(yán)重的供需不匹配。
現(xiàn)在，主要的NAND制造商都在降低產(chǎn)能利用率，試圖減少庫(kù)存，使市場(chǎng)恢復(fù)平衡。然而，技術(shù)轉(zhuǎn)型仍需要一些投資。三星做為最大的NAND生產(chǎn)商（34%的市場(chǎng)份額）在NAND工藝上已經(jīng)落后了。它目前的die仍然主要是128層，176層NAND仍然只是一小部分。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于SK海力士和美光，后者處于超過(guò)200層的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
三星正試圖將今年的大部分產(chǎn)能轉(zhuǎn)移到236層。他們實(shí)際上在很大一部分生產(chǎn)中跳過(guò)了一個(gè)節(jié)點(diǎn)。雖然他們?cè)诩夹g(shù)轉(zhuǎn)型方面的投資將在今年支持NAND WFE，但這只會(huì)推遲NAND市場(chǎng)復(fù)蘇，因?yàn)槊鎸?duì)不斷增強(qiáng)的產(chǎn)出能力，需求能力顯得更加疲軟。一旦三星技術(shù)轉(zhuǎn)型完成，他們將為市場(chǎng)帶來(lái)另外70%的NAND容量增長(zhǎng)。三星想強(qiáng)行進(jìn)行整合，這是一種從公司最高層開(kāi)始的策略。
Semianalysis相信，與2023年相比，2024年將是NAND資本支出更加精簡(jiǎn)的一年。預(yù)計(jì)到2025年NAND供需將強(qiáng)勁復(fù)蘇，因?yàn)榫薮蟮膸?kù)存和低產(chǎn)能利用率提供了緩沖。長(zhǎng)期需求將繼續(xù)增長(zhǎng)，該行業(yè)最終需要持續(xù)投資來(lái)滿足這一需求。但是，對(duì)于NAND制造的資本支出增長(zhǎng)可能將會(huì)相對(duì)較少，而且頭部的西部數(shù)據(jù)和鎧俠的可能的合并可能也將抑制這方面的資本支出。
東京電子將突破泛林集團(tuán)在NAND刻蝕設(shè)備領(lǐng)域的壟斷？
由于這篇報(bào)告后半部分為收費(fèi)內(nèi)容，因此這里只能給出Semianalysis的最新研究的結(jié)論，即隨著3D DRAM的可能性和即將到來(lái)的沉積材料的重大變化，NAND制造設(shè)備市場(chǎng)將會(huì)面臨重大改變，市場(chǎng)份額可能將更多的從泛林集團(tuán)轉(zhuǎn)向東京電子，這可能意味著超過(guò)10億美元的收入的易手。
芯智訊此前3D DRAM相關(guān)文章：《DRAM將進(jìn)入3D時(shí)代？230層堆棧，容量可提升8倍！》
正如前面所介紹的，3D NAND制造過(guò)程當(dāng)中，最多的制造步驟是刻蝕和薄膜沉積。而在全球刻蝕設(shè)備和薄膜沉積設(shè)備市場(chǎng)，美國(guó)泛林集團(tuán)、日本東京電子和美國(guó)應(yīng)用材料這三家廠商占據(jù)主導(dǎo)地位。
Gartner數(shù)據(jù)顯示，在2020年的全球干法刻蝕設(shè)備市場(chǎng)（目前應(yīng)用主要以干法刻蝕為主，占比90%以上），泛林集團(tuán)（46.71%）、東京電子（26.57%）和應(yīng)用材料（16.96%）合計(jì)占據(jù)90%以上的全球刻蝕設(shè)備市場(chǎng)份額，日立高新和細(xì)美事緊隨其后分別占3.45%和2.53%。國(guó)內(nèi)刻蝕設(shè)備廠商當(dāng)中，中微公司占比1.37%，北方華創(chuàng)占比0.89%，屹唐股份占比0.10%。有數(shù)據(jù)顯示，2022年，泛林集團(tuán)在刻蝕設(shè)備的市場(chǎng)的份額已經(jīng)高達(dá)55%。
顯然，目前泛林集團(tuán)在刻蝕設(shè)備市場(chǎng)的份額大幅高于東京電子，特別是在NAND刻蝕設(shè)備領(lǐng)域居于近乎壟斷的優(yōu)勢(shì)地位。雖然芯智訊并未觀察到Semianalysis所說(shuō)的材料變化對(duì)于NAND制造設(shè)備領(lǐng)域的重大影響，但是芯智訊注意到，東京電子在今年6月的的半導(dǎo)體國(guó)際會(huì)議報(bào)告中，展示一項(xiàng)新的蝕刻技術(shù)（疑似命名為MolyDep＋），可以在400層以上的3D NAND堆疊結(jié)構(gòu)形成存儲(chǔ)通道孔洞（memory channel holes）。
據(jù)介紹，原本無(wú)法在極低溫環(huán)境下實(shí)際運(yùn)作的絕緣膜蝕刻，現(xiàn)在東京電子開(kāi)發(fā)出新的制程技術(shù)，并制作出相應(yīng)的設(shè)備，首次將電介質(zhì)蝕刻應(yīng)用帶入低溫范圍，從而打造了一個(gè)具有極高蝕刻率的系統(tǒng)?？稍诙潭痰?3分鐘內(nèi)形成高縱橫比的10微米的蝕刻深度，縮減了耗時(shí)，而且蝕刻結(jié)構(gòu)的幾何形狀相當(dāng)明顯，也有助于制造更高容量的3D NAND閃存芯片。且比以前減少84%的全球暖化潛能值（Global warming potential），也就是說(shuō)整體所需的能耗得到了大幅降低。
東京電子還提供了蝕刻后的相關(guān)圖像，展示了開(kāi)發(fā)的成果。其中包括顯示了蝕刻后通孔圖案的橫截面SEM圖像，以及孔底的FIB切割圖像，另外還有東京電子的3D NAND閃存芯片的一個(gè)案例。
或許東京電子最新的這項(xiàng)在蝕刻技術(shù)上的突破，將有助于其提升在刻蝕設(shè)備市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，從而搶下更多屬于泛林集團(tuán)的市場(chǎng)份額。
