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NAND市场遭遇瓶颈

从平面NAND到3D NAND的转换比预期的更加困难和耗时。

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对于NAND闪存的需求仍然是由于系统中数据的漏电,但整个NAND闪存市场被产品短缺,供应链问题和困难的技术过渡地困扰着困难的挑战期。

英特尔、美光、三星、SK海力士和东芝/西部数字二人组继续在市场上推出传统平面NAND,但在目前的1xnm节点机制下,该技术已达到其物理极限。因此,一段时间以来,这些厂商一直在开发和提升名为3D NAND的下一代技术,该技术用于智能手机和固态存储驱动器(ssd)等存储应用程序。

3d nand.预计将达到主流以年末。这比预期大约两到三年。事实证明,3D NAND比以前的想法更难以制造。与平面NAND不同,这是一个2D结构,3D NAND类似于垂直摩天大楼,其中堆叠水平层,然后使用微小的垂直通道连接。


图1:2D NAND架构。资料来源:西方数字。


图2:三维NAND体系结构。来源:西部数据


图3:三星的V-NAND。来源:三星

仍然,nand闪光供应商继续将其从平面转换为3D NAND的百分比。但迁移需要更长时间,一些供应商无法速度速度达到3D NAND。一些人正在努力运送3D NAND。

在此期间,需求超出了平面和3D NAND的供应,造成2016年7月开始的零件短缺,直到现在。事实上,2017年,供应商在整个NAND市场计划的40%增长,但根据客观分析,目前的需求图片今年调用约45%的增长。

客观分析公司(Objective Analysis)的分析师吉姆·汉迪(Jim Handy)表示:“短缺情况变得更糟了。”“每个人都计划着约40%的钻头增长。他们计划通过建设新产能和转换成3D NAND来实现这一目标。3D NAND转换并不像预期的那么顺利。因此,生产钻头的增长无法跟上需求钻头的增长。”

NAND的价格一直相对平稳,但供应问题远未结束。Handy说:“我们预计到2018年年中都将出现短缺。”“我们现在关注的是,要解决最后一个问题需要多长时间,才能使3D NAND成为成本效益高的部件。在此之前,我们预计短缺将变得更加严重,因为需求将继续增长,而产量却不会增长。”

此外,今天的NAND市场还有其他问题。以下是主要的:

  • 供应商正在运输他们的上一代3D NAND部件,包括32层和48层设备。但目前过渡到下一个版本——64层或72层3D NAND设备——相对比较困难。
  • 在研发中,供应商现在正在使用下一个产品-96-和128层3D NAND。这些设备的复杂性可能强迫供应商进行一些艰难的决策,并将其两条路径中的一个。一个是缩放3d nand,这是挑战的。另一个是增加成本的堆叠技术。无论哪种方式,3D NAND节点Cadence可能会从一到两年延伸。
  • 世界第二大NAND供应商东芝正在寻求在经济困境中销售其记忆部门。东芝的困境没有导致供应链中的傻瓜。
  • 中国正在花费数十亿美元来获得IC市场的更大立足点,包括3D NAND的发展。然而,中国并未成为一段时间的一个因素。

为什么3d nand?
3D NAND市场并非一片惨淡,因为2017年有望成为3D NAND的重要一年。“到今年年底,3D NAND芯片的出货量预计将超过2D NAND芯片,”硅谷系统集团(Silicon Systems Group)内存和材料董事总经理平二轩(Er-Xuan Ping)表示应用材料

根据应用材料公司的数据,一年前,全球3D NAND晶圆的装机容量为每月35万到40万片。据该公司称,到今年年底,这一数字预计将在50万到70万wspm之间。

此外,从平面到3D NAND的转换导致资本支出飙升。据太平洋徽章证券表示,总共达到整体闪存分部的资本支出将达到2017年的236亿美元,同比增长24%,同比增长24%。据该公司表示,总共预计半导体资本支出达到766亿美元,达到766亿美元,增长了18%。

“我们继续看到3D NAND的强劲势头,”全球产品集团首席技术官杨攀说林的研究。“这是Semi Fab Equipment的最大司机。”

与此同时,平面NAND在数据存储应用(如闪存驱动器、智能手机和ssd)方面的使用多年来经历了巨大的增长。但供应商正从平面转向3D NAND有几个原因。

多年来,供应商今天从120nm扩展了NAND​​小区大小,以至于今天的1xNM节点制度,能够更高100倍。但是,在1xnm,问题开始播出。“浮置栅极看到对控制栅极的电容耦合的不希望的减少,”客观分析“方便说。

基本上,平面的NAND用完了蒸汽。此外,3D NAND的整体晶圆成本较低。在平面上,300mm晶圆耗资1,200美元。根据客观分析,每个晶片有5.6×0.21美元的成本为0.21美元的千兆字节。在3D NAND中,晶圆成本为2,000美元。根据公司的说法,每晶圆有17.2- Tberytes,转化为每千兆字节0.12美元。

除此之外,3D NAND在系统中还有一些优势。“对数据的需求正在增加,”应用软件的平说。“3D NAND在速度和可靠性方面远远优于2D NAND。”

在数据中心,基于3D NAND的ssd正在取代传统的硬盘驱动器(hdd)。一般情况下,ssd盘比hdd盘贵,但ssd盘耗电少,占用空间少。Forward Insights表示:“NAND闪存从2D到3D技术的过渡,已经使企业SSD容量超过了企业hdd。”“QLC(每单元4位)技术的引入预计将推动SSD容量进一步提高。”

然而,3D NAND正在看到一些新的竞争。一个像一个相反的技术,被称为3D xpoint,据说比NAND更快。

仍然,3D NAND预计将成为一个巨大的市场。当三星发货世界上第一个3D NAND设备时,转向3D NAND的转变。如今,供应商正在装运32和48层设备,刚刚开始增加64和72层芯片。96和128层在研发中。

“我们将不断推动世代的行业 - 首先V-NAND生产的极限,在迁移行业越来越靠近T比特V-NAND ERA的出现,”Flash产品和技术团队执行副总裁Kye Hyun Kyung说在三星电子。“我们将继续与全球IT行业同步开发下一代V-NAND产品,以便我们能及时推出新系统和服务,为消费者带来更高水平的满意度。”


图4:3D NAND闪光路线图。来源:IMEC.

在平面NAND中,存储单元通过水平串连接。然而,在3D NAND中,绳子是折叠起来并垂直站立的。实际上,这些单元是以垂直的方式堆叠的。以多晶硅为基础,在结构中使用字符串或条形作为词线。位线与字线垂直。

垂直堆栈有几个级别或层。随着层数的增加,比特密度也会增加,但这也会给fab带来更多的复杂性。Forward Insights的分析师Greg Wong表示:“一般来说,向64 /72层的转移是一个挑战,因为资本支出强度增加,收益增长放缓。”“产量正在提高。他们还能更好吗?是的,但我不认为这是一个引人注目的节目。”

随着行业迁移超过64- / 72层设备,挑战升级。并且位密度不一定在相同的曲线上缩放。“增加了层数越来越具有挑战性,但是至少有四到五代来到3D NAND,”Wong说。“你也在每个晶圆上从2D到3D Nand的比特跳跃,但是一个从一个3D NAND一代到下一个较小的一代。如果您刚刚依赖3D-3D NAND转换,可能还不足以满足需求。因此,可能需要一些容量在2018年以后增加。“

如何制作3D NAND
同时,在晶圆厂中,3D NAND代表了平坦的NAND偏离。在2D NAND中,制造过程取决于使用光刻缩放存储器单元的尺寸。

光刻仍然用于3D NAND,但这不是最关键的步骤。因此,对于3D NAND,挑战从光刻转向沉积和蚀刻。


图5:3D NAND中的关键过程步骤。资料来源:林研究

3D NAND流从基质开始。然后,供应商经历了流动交替堆叠沉积的第一个挑战。利用化学气相沉积(CVD),交替堆叠沉积是在基片上一层一层地沉积和堆积薄膜的过程。

这个过程很像做多层蛋糕。首先,在基材上沉积一层材料,然后在最上面沉积另一层材料。这个过程重复几次,直到给定的设备具有所需的层数。

每个供应商使用不同的材料集来创建一堆层。例如,三星沉积在基材上的氮化硅和二氧化硅的交替层。

从理论上讲,供应商可以堆叠无限层。但随着越来越多的层被添加,挑战是如何以精确的厚度和良好的均匀性来堆叠这些层。这也必须在高吞吐量下完成。

大挑战是压力和缺陷控制。“在整个3D NAND制造过程中,需要仔细控制在薄膜沉积期间引起的应力,”林的潘说。“这尤其重要,因为层数上升了。”


图6:膜堆叠沉积挑战。资料来源:林研究。

高纵横比蚀刻
在交替堆叠沉积步骤之后,施加基于碳的硬掩模在膜堆叠上,并且在顶部上图案化孔。然后,这里是流动高纵横比(Har)蚀刻的最难部分。

对于3D NAND,蚀刻工具必须从设备堆栈的顶部钻出微小的圆形孔或通道到底部的基板。32层和48层设备的高宽比约为40:1,64层设备的高宽比为60:1。

为了说明这一步骤的复杂性,三星的3D NAND设备在同一芯片中具有250万个微小通道。每个通道必须是平行和均匀的。每个频道都是三个或更多微米深。

在这个过程中,该工具使用离子来蚀刻孔。但是随着蚀刻过程深入到通道中,离子的数量可能会减少。这反过来又降低了腐蚀速率。更糟糕的是,可能会出现不必要的乳糜泻变异。

“高纵横比沟道孔形成仍然是最关键和最具挑战性的模块,”林的潘说。“在HAR蚀刻期间管理个人资料,选择性和CD之间的基本权衡需要持续技术和产品创新。”


图7:槽蚀挑战。资料来源:林研究。

如今,Har Etch和其他工具能够开发64层3D NAND器件。它可能是下一个迭代-96-和128层设备的不同故事,以及超出。

“96层可能是一个小点,”应用的ping说。“电流介电蚀刻器可以在96层面对挑战。挑战来自硬面具。“

在96和128层,HAR蚀刻器必须蚀刻更深的结构中的微小孔,大约六个左右的微米。如果没有与当前硬掩模没有不需要的交互,今天的蚀刻器可以在60:1执行此复杂的HAR蚀刻任务。

这个问题?“现在的困难是戴上硬面具,”平说。“硬掩模与介质蚀刻器相互作用。如果你在上面有一个坚硬的面具,你会失去一些来自蚀刻师的能量和力量。”

简单地说,今天的HAR蚀刻工具和硬掩膜材料可能会耗尽蒸汽在96或128层。在这一点上,行业面临着一些艰难的选择。厂商可以选择两种方法来实现3D NAND-single string或string stacking。

单字符串与字符串堆叠
今天,许多供应商都遵循单字符串方法,即将所有层都堆在一个字符串上,否则就完蛋。

相反,串堆叠涉及堆叠在彼此顶部的各个3D NAND器件的过程,其由绝缘层分开。例如,如果彼此顶部堆叠两个64层3D NAND器件,则得到的芯片将表示128层产品。

“有些人会选择推动限制(使用单字符串方法)。其他人将选择字符串堆叠。随着设备和材料的变化,没有单一的食谱,“Ping说。

但是,超过128层,单个串方法可能会击中墙壁。到那时,行业可能需要使用字符串堆叠或开发新技术。“3D NAND无处可行,”他说。“有几代人。我肯定会看到五个。“

单字符串和字符串堆叠都具有一些优点和缺点。通过串堆叠,3D NAND供应商可以减少其风险。例如,供应商开发了成熟的64层过程。然后,供应商可以使用相同的过程和设备来开发和堆叠两个单独的64层设备。

但这也增加了方程的成本。在该示例中,供应商正在加倍制作单个设备的步数。它是值得怀疑的,供应商可以将这些成本转嫁给客户,这意味着供应商可能会受到边缘的击中。

因此,其他人可以在64,96和128层继续单字符串方法。如果此方法逐渐恶化,则串堆叠是备份计划。

基于单个字符串的3D NAND允许更便宜的部分,因为该过程仅涉及一个通过。但它也会带来更多挑战进入Fab流程。例如,根据应用的材料,预期96层装置预计比64层装置高1.2倍。为了获得所需的高度,供应商可以在交替的沉积步骤中减小各层的厚度。

但是降低膜厚度也可以增加结构的电阻,特别是对于128层装置。“一种方法是减少电影,”平说。“但这可能很困难。从设备的角度来看,对厚度缩小很难。“

然后,堆栈必须经过一个HAR蚀刻步骤来创建通道。但如上所述,该行业面临着96或128层的障碍。用今天的硬面具很难进行HAR蚀刻。因此,该行业将需要一个下一代的96层以上的硬掩模。即使使用新的硬掩模,该行业也可能需要新的HAR蚀刻器,其能力为80:1,这代表了物理极限。

另一个问题是渠道移动性。在3D NAND中,目标是通过基于多晶硅的垂直通道移动电流。但是多晶硅遭受缺乏血液的流动性,并且随着沟道高度变得更高,降级增加。

因此,该行业正在探索未来派渠道材料。“我们正在寻找渠道的III-V材料。如果路线图继续,我们可能会考虑这些材料(100层及以后),“纪念总监Arnaud Furnemont说IMEC

盖茨和金属填充
在Har蚀刻过程之后,下一步是栅极的形成。三星,SK Hynix和Western Digital / Toshiba Duo正在利用充电陷阱闪光技术。该技术使用非导电层的氮化硅。围绕电池的控制栅极缠绕的层,其又捕获电荷以保持细胞完整性。相比之下,英特尔/微米二重奏不使用充电陷阱。相反,它们将浮栅结构扩展到3D NAND。

一旦开发了门,设备需要使用金属沉积步骤填充导电钨纹束。“随着越来越多的层数,较窄的圆形填充,较高的纵横比和更复杂的结构是另一个重大挑战,”林的潘说。“原子层沉积以及其他过程优化以及其他过程优化是必需的。”

对于这一步,行业正在从CVD.al。利用基于CVD的钨填充,随着堆叠更高的压力增加。此外,钨中的氟含量引起抗性。同时,ALD基本上降低了该过程中的应力和氟含量。

总而言之,3D NAND面临着一些挑战,尽管行业仍在继续研究解决方案。潘说:“3D NAND的缩放有不同的方式,无论是更多的层,更多的位元,优化阵列效率,还是优化外围设备。”“这将是一个多年的路线图。”

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5点评论

realjjj 说:

奇怪的是,每个人都认为字符串堆叠将是0缩放,那将是什么?他们需要,让我们说,每个Gen的成本降低30%,他们如何获得许多因素的组合。一个人假设字符串堆叠与水平缩放(包括阵列效率)配对,垂直(2个选项,更多的层相同的高度和/或更高堆栈),可以调整提高吞吐量,产量和W / E eyl Else以用于降低成本。所以你要么添加大量的层,那就是那就是堆叠堆叠+小比特,从而让你合理地减少。
如果每个单元4位最终可以服务一个足够大的市场,这在某种程度上也是有帮助的。

盖尔莫里森 说:

优秀的工作标记。真的很享受这个。

MEAMISTER. 说:

添加层增加了通道高度,因此读取电流成反比。去新的渠道材料来补偿似乎抵消了降低成本。

凯尔 说:

缺陷控制是至关重要的!工程师必须注意:“维度的诅咒”(增加另一个维度)。警告Fectum !

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