15/16納米閃存的工藝特征

過去的一年半以來，主要NAND閃存制造商已經(jīng)開始銷售1x納米等級的平面閃存；根據(jù)我們調(diào)查開放市場上所銷售組件的供應(yīng)來源，美光 （Micron）是從2014年2月開始供應(yīng)1x納米組件的第一家內(nèi)存廠商，隨后是在同年10月推出產(chǎn)品的SK海力士（Hynix）。在近六個月之 后，TechInsights實驗室才出現(xiàn)三星（Samsung） 16納米與東芝（Toshiba） 15納米產(chǎn)品。

針對平面NAND閃存的微影尺寸終點(diǎn)，在文獻(xiàn)中已經(jīng)有很多討論；其替代方案是垂直堆棧式的閃存，例如三星的3D V-NAND與東芝的BiCS。業(yè)界有一個共識是平面NAND將在差不多10納米節(jié)點(diǎn)終結(jié)，也就是目前TechInsights剛完成分析的15/16納米NAND閃存的下一代或兩代。因此我們認(rèn)為，現(xiàn)在正是來看看這些15/16納米閃存的一些工藝特征的時候。

不同年份的美光與海力士NAND內(nèi)存工藝節(jié)點(diǎn)

Source：TechInsights

TechInsights 這幾年來為了拆解分析報告買過一些NAND閃存，下圖是我們從美光與SK海力士所采購之NAND閃存的年份與工藝節(jié)點(diǎn)對照；這兩家通常是最快 推出最新工藝節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品的記憶供貨商。半對數(shù)圖（斜線）顯示，美光與海力士每一年的NAND工藝節(jié)點(diǎn)通常約微縮23%。

TechInsights采購過的1x納米等級NAND閃存

Source：TechInsights

工藝微縮速度在25納米節(jié)點(diǎn)以下顯著趨緩，這可能反映了實現(xiàn)雙重曝光（double patterning，DP）微影與減少相鄰內(nèi)存單元之間電氣干擾的困難度。DP有兩種方法：LELE （Litho-etch-litho-etch）通常運(yùn)用在邏輯工藝，而利用側(cè)壁間隔（sidewall spacers）的自對準(zhǔn)雙重曝光（self-aligned double patterning，SADP）則被內(nèi)存業(yè)者所采用。

但 到目前16納米節(jié)點(diǎn)的NAND閃存組件可適用以上方法，10納米以下組件恐怕就無法適用。微縮至平面10納米工藝的NAND閃存仍然遭遇顯著 的挑戰(zhàn)，這也促使廠商著手開發(fā)3D垂直NAND閃存。如上圖所示，我們也將三星的首款3D V-NAND納入，不久的將來東芝、海力士與美光也可能會推出3D NAND閃存產(chǎn)品。

雙重曝光已經(jīng)成為生產(chǎn)16納米NAND閃存的必備技術(shù)，內(nèi)存制造商使用SADP以完成活性、控制閘、浮動閘以及位線曝光；SADP工藝的步驟，從初始曝光經(jīng)過側(cè)壁間隔蝕刻，回到第二重曝光，如下圖所示。

自對準(zhǔn)雙重曝光工藝

Source：Wikipedia、TechInsights

雙重曝光微影工藝通常會導(dǎo)致最終的側(cè)壁間隔結(jié)構(gòu)之間的空間不對稱，被視為一種AB圖案（AB patterning），這可以從下圖美光16納米NAND閃存的淺溝槽隔離（shallow trench isolation ，STI）圖案輕易看出。

美光的16納米NAND閃存硅通道與STI

Source：TechInsights

圖中可看到一條鎢（tungsten）金屬字符線（word line）從左至右橫過一連串與底層硅通道對齊的浮動閘結(jié)構(gòu)上方；浮動閘與硅通道已經(jīng)采用SADP工藝一起進(jìn)行圖案化與蝕刻，STI底部與相鄰的硅通道之間，在其蝕刻深度展示了AB圖案特性，并顯示使用了SADP技術(shù)。

SK海力士在其M1x納米浮動閘NAND閃存（于2013年IEDM會議上發(fā)表），使用的是四重間隔曝光（quad spacer patterning）技術(shù)，如下圖所示；溝槽底部的AB圖案幾乎是不存在，而是被更隨機(jī)的圖案所取代。我們可以在三星的16納米與東芝的15納米NAND閃存看到類似的隨機(jī)圖案，也許這意味著他們都是使用四重間隔曝光工藝。

海力士的的16納米NAND閃存硅通道與STI

Source：TechInsights

接下來的設(shè)計問題是維持控制閘（control gate，CG）與浮動閘（floating gate，F(xiàn)G）之間的高電容耦合，同時將相鄰內(nèi)存單元之間的電容耦合最小化。傳統(tǒng)上，CG是被FG的三側(cè)所包圍，如下圖所示。層間介電質(zhì) （interpoly dielectric，IPD）提供了CG與FG之間的電容耦合，因此需要優(yōu)異的電流阻擋特性，以及高介電常數(shù)K。

下圖也可看到海力士的氧化物-氮化物-氧化物（oxide/nitride/oxide，ONO）層；IPD相當(dāng)厚，減少了CG填補(bǔ)相鄰FG的間隙。海力士 已經(jīng)將FG側(cè)邊薄化，以提供更多空間給CG；不過要利用這種方式持續(xù)微縮NAND閃存單元間距是有限制的，因為CG得維持被FG的三側(cè)所包圍。我們也注意到海力士在硅通道之間加入了活性氣隙（active air gap），以降低其電容耦合。

海力士的16納米閃存控制閘包裹（Wrap）

Source：TechInsights

美光已經(jīng)在16納米NAND閃存避免采用包裹式（wrap-around）的CG，轉(zhuǎn)向平面式的CG與FG結(jié)構(gòu)；這并非該公司第一次采用平面閘結(jié)構(gòu)，我們在美光20納米NAND閃存產(chǎn)品也觀察到該種架構(gòu)，如下圖所示。

美光保留了多晶硅浮動閘，但它看起來不是很薄，這讓二氧化鉿（HfO2）/氧/ HFO2層間介電質(zhì)幾乎是平躺在浮動閘上方，而HFO2層之間非常高的介電常數(shù)，能讓CG與FG之間產(chǎn)生足夠的電容耦合，免除了海力士、三星與東芝所采用的包裹式閘極架構(gòu)。

美光的16納米閃存控制閘包裹

Source：TechInsights

字元線與位線間距的微縮，加重了相鄰內(nèi)存單元之間的電容耦合；這會是一個問題，因為一個內(nèi)存單元的編程狀態(tài)可能會與相鄰內(nèi)存單元電容耦合，導(dǎo)致記憶 體閾值電壓（threshold voltages，VT）被干擾，或是位誤讀。在相鄰字符線使用氣隙以降低其電容耦合已經(jīng)有多年歷史，下圖顯示的案例是東芝第一代15納米NAND快閃內(nèi)存。

東芝15納米16GB NAND閃存浮動閘氣隙

Source：TechInsights

三星16納米NAND所使用的浮動閘氣隙如下圖所示，那些氣隙的均勻度不如東芝組件，這意味著三星的內(nèi)存單元會顯示單元與單元之間串?dāng)_的更大可變性，而且可能使得單元寫入與抹除時間增加。

三星的16納米NAND浮動閘氣隙

Source：TechInsights

氣隙并不限于活性基板（active substrate）與字符線，美光也在16納米NAND閃存采用的metal 1位線采用了氣隙，如下圖所示。平面NAND閃存持續(xù)微縮之機(jī)會，似乎隨著浸潤式微影以及四重曝光可能只能達(dá)到低1x納米節(jié)點(diǎn)而受限；而氣隙已經(jīng)被廣泛使用于抑制內(nèi)存單元與單元之間的干擾。

美光的16納米NAND位線氣隙

Source：TechInsights

三星、海力士與東芝采用的閘包裹結(jié)構(gòu)可能微縮至到10納米節(jié)點(diǎn)，美光的平面浮動閘技術(shù)則能達(dá)到次10納米節(jié)點(diǎn)。不過到最后，NAND閃存將會走向垂直化結(jié)構(gòu)；在此三星是第一個于2014年夏季推出3D V-NAND產(chǎn)品的業(yè)者。