Oyuna yeni oyuncular giriyor - 3D NAND için savaş başladı! Aşındırma, fotolitografiden daha önemlidir
Kaynak: semiengineering
Fiyat ve rekabet baskısı döneminde, 3D NAND tedarikçileri yeni savaşlara hazırlanıyor ve yeni nesil teknolojiler için birbirleriyle rekabet ediyor.
Yeni oyuncular 3D NAND pazarına - Çin'in Yangtze Deposu'na (bundan sonra YMTC olarak anılacaktır) girdikçe rekabet yoğunlaşmaktadır. Çin hükümeti tarafından tahsis edilen milyarlarca dolar desteğiyle YMTC, kısa süre önce ilk 3D NAND teknolojisini başlattı. Hareket, yeni girenlerin pazarın kötüleşmesini etkileyebileceği yönündeki endişeleri artırdı. 3D NAND işi, uzun vadeli aşırı arz ve düşen fiyatlar durumuna doğru ilerliyor.
3D NAND, günümüzün düzlemsel NAND flash belleğinin halefidir ve akıllı telefonlar ve katı hal depolama (SSD) gibi depolama uygulamalarında kullanılır. Düzlemsel NAND'den (2D yapı) farklı olarak, 3D NAND, yatay katmanlardaki bellek hücrelerinin yığıldığı ve ardından küçük dikey kanallar kullanılarak bağlandığı dikey bir gökdelene benzer.
Şekil 1: 2D NAND mimarisi. Kaynak: Western Digital.
Şekil 2: 3D NAND mimarisi. Kaynak: Western Digital
3D NAND, cihazda istiflenen katman sayısı ile ölçülür. Daha fazla katman eklendikçe, bit yoğunluğu artar. Bugün, 3D NAND satıcıları 64 katmanlı cihazları piyasaya sürüyorlar, ancak şu anda 96 katmana sahip yeni nesil teknolojiyi geliştiriyorlar. Analistler, 2019 ortasına kadar satıcıların yeni nesil 128 katmanlı ürünleri geliştirmek ve piyasaya sürmek için yarıştığını söyledi.
Araştırma ve geliştirme açısından, tedarikçiler ayrıca sırasıyla 256 katmanlı ve 512 katmanlı yeni nesil teknolojiler geliştiriyor. TechInsights'ta analist olan Jeongdong Choe, "Bu bir oyun" dedi. "Bu, en yüksek desteye sahip yarış."
Bazı insanlar yol haritasından saptı. Bir durumda, tedarikçi oyunun bir adım önünde olmak için eninde sonunda yarım düğüme geçecektir. Ardından, yarışmanın arkasındaki YMTC, 2019 ortasından önce 64 katmanlı bir cihaz yayınlamayı planlıyor, ancak 96 katmanı atlayacak ve doğrudan 128 katmana geçecek. Choe, "Görevleri Samsung ve diğer şirketlere yetişmek. Belki 2020 veya 2021'de 128 yapacaklardır" dedi.
Mevcut 3D NAND tedarikçileri - Intel, Micron, Samsung, SK Hynix ve Toshiba - durgun değil, rekabette önde olacaklar. Ancak her tedarikçi, 3D NAND'ı genişletmek için farklı bir yöntem kullanır.
Her durumda, 3D NAND ölçeklendirmesi zordur. Bir dizi teknik ve maliyet sorunu nedeniyle, 96 katmandan ve üstünden geçiş yapmak daha göz korkutucu.
96 katman ve üzeri için, 3D NAND tedarikçilerinin fabrikalarda yeni ve eski teknolojilere geçmesi gerekebilir. Aslında, düşük sıcaklıkta aşındırmanın yeniden ortaya çıkışı ilk olarak 1980'lerde ortaya çıktı. Yeni bağlar ve diğer teknolojiler geliştirme aşamasındadır.
Şekil 3: 3D NAND flash bellek yol haritası. Kaynak: Imec
İş ortamı başka bir zorluk teşkil ediyor. Geçen yıl, NAND pazarı ürün kıtlığı, tedarik zinciri sorunları ve teknolojik dönüşümdeki zorluklarla boğuşuyordu.
Nesnel Analiz analisti Jim Handy (Jim Handy), bugünkü durumun farklı olduğunu çünkü 3D NAND pazarının bu yılın sonuna kadar "çökmesi" beklendiğini söyledi. "Bazı fiyat düşüşleri gördük. Spot piyasa fiyatları yıl boyunca düştü."
Bu durum, zayıf talep ve aşırı arz ile karakterize edilen birçok aşağı döngüden farklıdır. Handy, "Fazla arzın eşiğindeyiz," dedi. "Sorun şu ki, insanlar 3DNAND yapımında daha verimli hale geliyor. Bu, arz odaklı. Talep kıtlığı yok."
Gartner verilerine göre, NAND için ortalama satış fiyatının (ASP) 2018'de% 24 ve 2019'da% 23 düşmesi bekleniyor. Gartner verilerine göre 2018'deki toplam NAND gelirinin, 2017'nin 53,7 milyar ABD dolarından daha yüksek olan 58,7 milyar ABD dolarına ulaşacağı tahmin ediliyor.
Şekil 4: İkinci çeyrek için NAND gelir tahmini Kaynak: Gartner
Ancak uzun vadede bazı tahminler biraz iyimser. YMTC CEO'su, "Buna en üst seviyeden bakarsanız, sağlıklı bir pazar" dedi. "Çin'in bellek yongası tüketimine bakarsanız, bu hatırı sayılır bir rakam."
Aynı zamanda, yarı iletken ekipman üreticileri de piyasaya yakın ilgi gösteriyor. Bazı tedarikçilerin bellek siparişleri bir yavaşlama yaşadı, ancak genel pazarın büyümesi bekleniyor. TEL, genel olarak, fabrika ekipmanı pazarının 2017'de 51 milyar ABD dolarından 2018'de 56 milyar ABD dolarına yükselmesinin beklendiğini söyledi. TEL'in başkanı ve CEO'su Toshiki Kawai, yakın tarihli bir raporda, "Yarı iletken uygulamalarının sürekli genişlemesiyle, ekipman pazarı bir sonraki aşamaya giriyor" dedi.
Belirsiz iş ortamına ek olarak, teknik zorluklar da var. Sektör, uzun yıllar boyunca depolama uygulamaları için düzlemsel NAND cihazları sattı. NAND flash bellek, veri bitlerini depolayan depolama hücrelerinden oluşur. En yeni NAND cihazları, birden çok veri biti (hücre başına 3 veya 4 bit) depolar. NAND'da, sistemdeki güç kapatıldıktan sonra bile veriler depolanmaya devam eder.
Düzlemsel NAND hücreleri, yüzer bir geçit transistör yapısına dayanır. Yıllar geçtikçe, satıcılar mantık hücrelerinin boyutunu 120 nanometreden günümüzün 1xnm düğümüne genişletmiş ve kapasiteyi 100 kat artırmıştır. Ancak, 15nm / 14nm'de düzlemsel NAND ivme kaybediyor.
Sektörün 3D NAND'a geçmesinin nedeni budur. Düzlemsel NAND'de bellek hücreleri yatay dizelerle bağlanır. 3D NAND'de dizeler katlanır ve dikey olarak durur. Aslında, bellek hücreleri yoğunluğu ölçeklendirmenin bir yolu olarak dikey bir şekilde istiflenir.
Dikey yığının birden çok düzeyi veya katmanı vardır. Bit yoğunluğu, daha fazla katman tarafından artırılır. Örneğin, Toshiba'nın 64 katmanlı aygıtı (birim başına 3 bit), 48 katmanlı bir yonganınkinden% 65 daha büyük birim yonga boyutuna sahip 512 Gb bir aygıttır.
Toshiba'nın en yeni 96 katmanlı ürünü (birim başına 4 bit) 1,33 T (terabit) kapasiteye sahiptir ve yonga boyutu 64 katmanlı ürünlerinkinden% 40 daha küçüktür. Toshiba'nın bellek iş birimi kıdemli başkan yardımcısı Scott Nielsen, "QLC'nin birçok farklı pazarda ezber bozan bir etkisi olacak" dedi.
Genel olarak, tedarikçiler 3D NAND'ı her yıl yaklaşık bir nesil teknolojiyle genişletiyor. 2018 yılında tedarikçiler 64 katmanlı ürünlerden 96 katmanlı ürünlere geçiyor. Daha sonra Imec'e göre, tedarikçilerin 2019'da 96 kattan 128 kata, ardından 2020/2021'de 256 kat ve 2022/2023'te 512 kata geçmesi bekleniyor.
Diğerleri farklı bir ritim izler. YMTC, katman 64'ten katman 128'e hareket edecek ve böylece 96 katmanı atlayacaktır. YMTC birçok nedenden dolayı 96. katmanı atlıyor. Her şeyden önce, 64 katmanlı ekipman fiyat açısından rekabetçidir ve bir süre için en iyi seçim olmaya devam edecektir. Daha sonra yoğunluk açısından bakıldığında YMTC, 64 katmanlı ekipmanının rakiplerinin 96 katmanlı ürünlerine yakın olduğunu söyledi.
YMTC CEO'su, "Mevcut hızımıza bakarsanız, çok hızlı ilerliyoruz" dedi. "64'ten sonraki nesil için, 12 ila 18 ay arasında ertelemeyi planlıyoruz. Yeni nesil için doğrudan 128'e girmeyi planlıyoruz. Bu hızda diğerlerine çok yakın kalacağız."
Bununla birlikte, 128. tabakadan 256. tabakaya atlama basit değildir. Bazı insanlar 256 seviyeye geçmeden önce yarım düğüme geçecekler. Örneğin, TechInsights'a göre Samsung, 128 kattan yaklaşık 180 veya 190 kata çıkacak.
3D NAND'ı genişlet
Her durumda, satıcılar 3D NAND'ı genişletmek için iki yöntemden birini kullanır - tek katmanlı veya dizeli yığınlama. Her iki yöntem de uygulanabilir, ancak farklıdır ve çeşitli ödünleşimleri vardır.
Lam Research CTO'su Rick Gottscho, yakın tarihli bir raporda, "Bu cihazları genişletmenin ilk yolu, giderek daha fazla katmana taşınmaktır. Katman 96 şimdi ortaya çıktı. 256 çifte tek bir yol görüyoruz" dedi. Konuşmada söyledi. "Bu cihazları ölçeklendirmenin ikinci yolu, bir platform kullanmak ve başka bir platformu üstüne yığmaktır. Bu, başka bir dizi zorluk yaratır."
Samsung, tek katmanlı bir yaklaşım benimsiyor. Analistler, en son cihazında aslında 92 katman olduğunu ve Samsung'un 92 katmanı aynı tek kalıpta istiflediğini söyledi.
Diğerleri dizi istifleme yöntemlerini benimsiyor. Örneğin, 64 katmanlı cihazlarda, bazı cihazlar iki bağımsız 32 katmanlı bileşen geliştirmiştir. Daha sonra 64 katmanlı yongaları etkinleştirerek üst üste istiflediler.
Daha sonra 96 katman için bazıları iki ayrı 48 katmanlı yongayı birleştirir. Her iki durumda da, iki yonga bir yalıtım tabakası ile ayrılır.
Tek katman ve istifleme olmak üzere iki yöntem de uygulanabilir. Applied Materials'ın proses geliştirme genel müdürü MahendraPakala, "96 katmanda, çift katmanlı istifleme gittikçe daha geleneksel hale gelebilir. Bazı tek katmanlı istifleme olabilir." Dedi.
Her yöntemin bazı teknik ve maliyet sorunları vardır. Örneğin, dizi istiflemede tedarikçi iki cihaz yapıyor. Aslında tedarikçi, maliyet ve döngü süresi anlamına gelen tek bir cihazı üretmek için gereken adım sayısını ikiye katladı.
Tek katmanlı yöntemde, tedarikçi bir seferde tek bir cihaz üretir. Teorik olarak bu, maliyetleri ve döngü süresini azaltabilir. Ancak fabrikada, tek katmanlı yöntemin uygulanması zordur. Bazı insanlar bu yaklaşımın zamanla ivme kaybedebileceğini düşünüyor.
Her iki yöntem de aynı işlem adımlarını takip eder. Fabrikada, 3D NAND, düzlemsel NAND'den farklıdır. 2D NAND'de süreç, boyutu küçültmek için fotolitografinin kullanılmasına bağlıdır.
Litografi hala 3D NAND için kullanılıyor, ancak en kritik adım değil. Bu nedenle, 3D NAND için, zorluk fotolitografiden biriktirme ve dağlamaya kayar.
3D NAND akışı, alt tabakayla başlar. Ardından tedarikçi, akış dönüşümlü yığın biriktirmede ilk zorluğu yaşadı. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) kullanan yöntem, bir substrat üzerine alternatif ince filmlerin biriktirilmesini ve istiflenmesini içerir.
Önce, alt tabaka üzerine bir malzeme tabakası yerleştirilir ve ardından üstüne başka bir tabaka uygulanır. Bu işlem, belirli bir cihaz gerekli sayıda katmana sahip olana kadar birkaç kez tekrarlanır.
Her tedarikçi farklı malzemeler kullanır: Örneğin, Samsung alt tabaka üzerine alternatif silisyum nitrür ve silikon dioksit katmanları bırakır. Lam's Gottscho sunumda "Yaptığınız cihazın türüne bağlı olarak oksit-nitrür veya oksit-polisilikon biriktireceksiniz" dedi.
Alt tabaka üzerine yüzlerce katman istiflenebilir. Ancak daha fazla katman eklendikçe zorluk, katmanları yüksek verimle hassas kalınlıkta ve iyi bir homojenlikte istiflemektir. Basınç ve kusur kontrolü büyük zorluklarla karşı karşıyadır. Ek olarak, istif basınç altında eğilme eğilimindedir.
Şekil 5: İnce film yığını biriktirme zorlukları. Kaynak: LamResearch.
Bu, tek katmanlı yaklaşımda daha belirgin hale gelir. Bu amaçla, tedarikçi alt tabakaya 96 kat film istifleyecektir. Gottscho, "Bu çok fazla biriktirme. Geleneksel DRAM cihazları, mantık cihazları veya 2D NAND flash bellek gibi diğer cihazlara daha önce bakarsanız, 96 katmanlı biriktirme filmlerine sahip değiller" dedi.
Bir çözüm var. Örneğin Lam, ön taraftaki gerilimi telafi etmek için arka tarafa bırakılabilen bir ürün çıkardı.
Stresi önlemenin bir başka yolu da dizi istifleme kullanmaktır. Örneğin, katmanları 48 katmanlı bir cihazda depoluyor ve ardından 96 katmanlı bir ürün oluşturmak için işlemi başka bir cihazda tekrar ediyorsunuz.
Genel olarak, 48 katmanlı dönüşümlü yığın biriktirme işlemi olgunlaşmıştır ve nispeten az stres yaratır, ancak zorluklar vardır. Gottscho, "Bir desteyi diğeriyle hizalamanız gerekiyor. Eğer hepsi çok deforme olmuşsa, büyük hizalama hatalarınız olacak" dedi.
Yüksek en boy oranı aşındırma
Bu aşamadan sonra, film istifinin üzerine sert bir maske uygulanır ve üstte delikler açılır. O halde, bu akış yüksek en boy oranı (HAR) dağlamasının en zor kısmıdır.
Bu amaçla, dağlama aracı, aygıt yığınının üstünden alt tabakaya küçük dairesel delikler veya kanallar açmalıdır. Kanallar, üniteleri dikey bir yığın halinde birbirine bağlar. Bir cihaz aynı çipte 2,5 milyon küçük kanala sahip olabilir. Her kanal paralel ve tek tip olmalıdır.
Bu adım, günümüzün reaktif iyon aşındırma (RIE) sistemi kullanılarak gerçekleştirilir. Basit bir ifadeyle, etcher, yüzeyi iyonlarla bombardıman ederek minik kanallar oluşturur. Lam'dan Gottscho, "Bu gravür çok zor ve çok zaman alıcı" dedi. "Aşındırmada en boy oranı ölçeklendirmesinin temel yasası, en-boy oranı ne kadar yüksekse, biriken katmanın kalınlığı o kadar büyük, delik o kadar küçük ve aşındırma o kadar yavaş olduğunu belirtir."
Ardından, dağlama işlemi kanalın derinliklerine nüfuz ettikçe iyon sayısı azalabilir. Bu, dağlama oranını azaltacaktır. Sorunları daha da kötüleştirmek için, istenmeyen CD değişiklikleri meydana gelebilir.
Şekil 6: Kanal aşındırma zorluğu. Kaynak: LamResearch.
64 katmanlı cihazların en boy oranı 60: 1 ve 32/48 katmanlı cihazların en boy oranı 40: 1'dir. Bununla birlikte, bugünün dağlama makineleri bu işi en azından bir dereceye kadar başarabilir. TechInsights'tan Choe, "32 katmanlı, 48 katmanlı ve 64 katmanlı cihazlar, HAR için delikler aracılığıyla geleneksel oyma araçlarını kullanıyor" dedi.
Bu önermeye dayanarak, tedarikçilerin dizgi istiflemeyi 96 katmandan 128 katmandan fazlasına geçmek için kullanabileceği düşünülebilir. Teorik olarak, tedarikçi, geleneksel dağlama araçlarını kullanarak, 128 katman elde etmek için 64 katmanlı iki cihazı kullanabilir.
Tek katmanlı yöntem başka bir hikaye çünkü en boy oranı 70: 1'i aşıyor. Choe, "96 katman için, tek adımlı oyma kullanabiliriz. Ancak aşındırma hasarına veya zayıf konturlara sahip olabilirsiniz. Tek aşamalı aşındırma kullanırsak, bu zor" dedi.
Tek katmanlı 96 katmanlı cihazlar ve diğer cihazlar için endüstri, HAR adımları için geleneksel gravür araçlarına ihtiyaç duyar. Choe, "Bununla birlikte, başka bir plazma aleti ve yöntemi gereklidir. Düşük sıcaklıkta dağlama buna bir örnektir," dedi.
Geleneksel dağlayıcılar, oda sıcaklığında sırayla aşındırma ve pasifleştirme adımlarından oluşan bir süreci içerir. Bunun aksine, düşük sıcaklıkta dağlama, düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilir. Flor bazlı yüksek yoğunluklu plazma kullanırlar.
Applied'den Pakala, "Düşük sıcaklıkta dağlama yeni değil. İnsanlar bunu zaten başka uygulamalar için kullanıyor" dedi. "Atomlar yüksek sıcaklıklarda hareket eder. Aşındırma sırasında atoma ihtiyacınız yoksa, sıcaklığı düşürebilirsiniz."
Bununla birlikte, düşük sıcaklıkta dağlama zor ve pahalıdır. Lam'dan Gottscho, "Geleceğe geri döndük. Yaptığımız şey, düşük sıcaklıkta aşındırmayı tanıtmak. 1980'lerin ortalarından beri literatürde yer alıyor, ancak çağının çok ötesinde," dedi. "Bu zor bir teknolojidir, ancak çok ilerleme kaydettik. Düşük sıcaklıkta aşındırmanın avantajı, bu yüksek en boy oranı özelliğinin altındaki aşındırma cephesinde daha fazla reaktant elde edebilmenizdir. Bu, aşındırma oranını artırır. Bu Uygulanması pahalı bir teknolojidir, ancak faydaları artan maliyetlerden ağır basmaktadır. "
Daha fazla adım
Bu süreçten sonra her tedarikçi farklı bir süreç izler. Bazı işlemlerde kanallar polisilikon ile kaplanır ve silikon dioksit ile doldurulur.
Daha sonra yığındaki orijinal nitrür tabakası kaldırılır. Kapı dielektriği biriktirilir ve ardından kelime hattının iletken metal geçit dolgusu için tungsten kullanılır. Bu, karmaşık sürecin basitleştirilmiş bir versiyonudur.
Şekil 7: 3D NAND işlem kaynağı: nesnel analiz
Genellikle tüm süreç fabrikada sürekli bir süreç içinde gerçekleştirilir. Tedarikçi önce alt tabakayı benimseyecek ve bunun üzerine mantık devreleri ve ardından NAND yapısını oluşturacaktır.
Ancak YMTC'nin başka bir yöntemi vardır. Şirket bir gofret üzerindeki devreleri ve başka bir gofret üzerindeki NAND yapılarını yönetiyor. Ardından, iki yongayı elektriksel olarak bağlamak ve bağlamak için milyonlarca metal dikey ara bağlantı erişim yapısı kullanılır. Xtacking adı verilen YMTC yöntemi, üretim döngüsü süresini% 20 azaltır ve daha yüksek bit yoğunluklarına izin verir.
YMTC'nin yükselip üretime geçmesi biraz zaman alacak, bu nedenle mevcut oyuncular öngörülebilir gelecekte rekabet ortamına hakim olmaya devam edecek.
Ancak bunun OEM için iyi bir zaman olduğu kesindir. 3D NAND ürünleri, rekabetçi fiyatlarla zengin ürünler sağlayacaktır.
