平面架構(gòu)1x納米NAND揭密！

　　過去的一年半以來，主要NAND快閃記憶體制造商已經(jīng)開始銷售1x奈米等級的平面快閃記憶體;根據(jù)我們調(diào)查開放市場上所銷售元件的供應(yīng)來源，美光(Micron)是從2014年2月開始供應(yīng)1x奈米元件的第一家記憶體廠商，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奈米與東芝(Toshiba) 15奈米產(chǎn)品。

　　針對平面NAND快閃記憶體的微影尺寸終點，在文獻(xiàn)中已經(jīng)有很多討論;其替代方案是垂直堆疊式的快閃記憶體，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奈米節(jié)點終結(jié)，也就是目前TechInsights剛完成分析的15/16奈米NAND快閃記憶體的下一代或兩代。因此我們認(rèn)為，現(xiàn)在正是來看看這些15/16奈米快閃記憶體的一些制程特征的時候。

　　不同年份的美光與海力士NAND記憶體制程節(jié)點 (來源：TechInsights)

　　TechInsights這幾年來為了拆解分析報告買過一些NAND快閃記憶體，下圖是我們從美光與SK海力士所采購之NAND快閃記憶體的年份與制程節(jié)點對照;這兩家通常是最快推出最新制程節(jié)點產(chǎn)品的記憶供應(yīng)商。半對數(shù)圖(斜線)顯示，美光與海力士每一年的NAND制程節(jié)點通常約微縮23%。

　　TechInsights采購過的1x奈米等級NAND快閃記憶體(來源：TechInsights)

　　制程微縮速度在25奈米節(jié)點以下顯著趨緩，這可能反映了實現(xiàn)雙重曝光(double patterning，DP)微影與減少相鄰記憶體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)用在邏輯制程，而利用側(cè)壁間隔(sidewall spacers)的自對準(zhǔn)雙重曝光(self-aligned double patterning，SADP)則被記憶體業(yè)者所采用。

　　但到目前16奈米節(jié)點的NAND快閃記憶體元件可適用以上方法，10奈米以下元件恐怕就無法適用。微縮至平面10奈米制程的NAND快閃記憶體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快閃記憶體。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快閃記憶體產(chǎn)品。

　　雙重曝光已經(jīng)成為生產(chǎn)16奈米NAND快閃記憶體的必備技術(shù)，記憶體制造商使用SADP以完成活性、控制閘、浮動閘以及位元線曝光;SADP制程的步驟，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)雙重曝光制程(來源：Wikipedia、TechInsights)

　　雙重曝光微影制程通常會導(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奈米NAND快閃記憶體的淺溝槽隔離(shallow trench isolation ，STI)圖案輕易看出。

　　美光的16奈米NAND快閃記憶體矽通道與STI (來源： TechInsights)

　　圖中可看到一條鎢(tungsten)金屬字元線(word line)從左至右橫過一連串與底層矽通道對齊的浮動閘結(jié)構(gòu)上方;浮動閘與矽通道已經(jīng)采用SADP制程一起進(jìn)行圖案化與蝕刻，STI底部與相鄰的矽通道之間，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奈米浮動閘NAND快閃記憶體(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奈米與東芝的15奈米NAND快閃記憶體看到類似的隨機(jī)圖案，也許這意味著他們都是使用四重間隔曝光制程。

　　海力士的的16奈米NAND快閃記憶體矽通道與STI (來源： 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，同時將相鄰記憶體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快閃記憶體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矽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奈米快閃記憶體控制閘包裹(Wrap) (來源： TechInsights)

　　美光已經(jīng)在16奈米NAND快閃記憶體避免采用包裹式(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奈米NAND快閃記憶體產(chǎn)品也觀察到該種架構(gòu)，如下圖所示。

　　美光保留了多晶矽浮動閘，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奈米快閃記憶體控制閘包裹(來源：TechInsights)

　　字元線與位元線間距的微縮，加重了相鄰記憶體單元之間的電容耦合;這會是一個問題，因為一個記憶體單元的編程狀態(tài)可能會與相鄰記憶體單元電容耦合，導(dǎo)致記憶體閾值電壓(threshold voltages，VT)被干擾，或是位元誤讀。在相鄰字元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奈米NAND快閃記憶體。

　　東芝15奈米16GB NAND快閃記憶體浮動閘氣隙(來源：TechInsights)

　　三星16奈米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元件，這意味著三星的記憶體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奈米NAND浮動閘氣隙(來源：TechInsights)

　　氣隙并不限于活性基板(active substrate)與字元線，美光也在16奈米NAND快閃記憶體采用的metal 1位元線采用了氣隙，如下圖所示。平面NAND快閃記憶體持續(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奈米節(jié)點而受限;而氣隙已經(jīng)被廣泛使用于抑制記憶體單元與單元之間的干擾。

　　美光的16奈米NAND位元線氣隙(來源：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奈米節(jié)點，美光的平面浮動閘技術(shù)則能達(dá)到次10奈米節(jié)點。不過到最后，NAND快閃記憶體將會走向垂直化結(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。