如何制作3D NAND?（上）

2013年，三星发售全球首款3D NAND设备，在IC(集成电路)业界达到了一个里程碑。现在，经过一些延迟与不确定性后，英特尔，美光，海力士，闪迪/东芝二人组对3D NAND最终加大产能或进行取样。

相对现有平面或2D NAND，3D NAND无疑是翘首以待的“继承者”，它适用于内存卡，SSD，USB闪存驱动器等产品。

虽然我们依然对现有平面NAND有极大的需求量，但该项技术的微细化基本已经达到物理极限。今天，NAND闪存供应商正在通过Mid-1x纳米技术发售平面部件，这表示该技术的缩放之路已经走向终结。

那么为了延展NAND市场，OEM(原始设备制造商)势必需要3D NAND。3D NAND正在发售，但是该技术预计到2017年才有资本进军主流市场，比之前的预期要长1到2年。

3D NAND比之前想象的更难制作。它不像2D NAND，后者是平面结构，3D NAND类似于一栋垂直的摩天大楼。一款3D NAND设备包含多层面或层，这些层要进行堆栈然后利用极小的垂直通道相互连接。

现如今领先的3D NAND部件是32和48层设备。将3D NAND微细化至64层及以上时就有了一些巨大挑战。事实上，现在的3D NAND也只是有望堆叠到近128层。

Applied Materials公司硅晶系统事业部门内部存储部与材料总经理Er-Xuan Ping表示：“这就是局限性。达到某一个临界点，单个字符串受到蚀刻或其它制程的限制。”

为了让3D NAND超越128层，该行业正在秘密开发一项称作string stacking(字符串堆叠)的技术。在研发中，string stacking包含一个单个3D NAND设备相互向上堆叠的进程。比如，如果将3个64层3D NAND设备垂直堆叠，那么产生的晶片会是一款192层的产品。这个方式是采用某类互联方案联合单个64层设备。

String stacking已经处于准备阶段。比如，据多方资源称，美光近期展示了一款通过将2个32层芯片串联在一起组成的64层3D NAND设备。

然而，这并不能一劳永逸。据预测称，采用string stacking，3D NAND或将在300层左右达到极限。

总而言之，3D NAND预计至少到2020年都能够保持可行性。“这是一个10+技术蓝图，而且我们才只是刚刚开始，”泛林半导体公司全球产品事业部首席技术官，Yang Pan如是说。

为了对自身的设计进度有更切实的期望，无论何种情况，OEM都要解决3D NAND的生产问题。为了帮助OEM，Semiconductor Engineering了解了一些极具挑战性的3D NAND制程步骤。其中包括交替式(alternating step)沉积，高纵横比蚀刻，金属沉积和string stacking。

为什么出现3D NAND?

现在，存储体系相当明确。SRAM被集成到加速器用于高速缓存。DRAM用于主要内存。磁盘驱动器和基于NAND的SSD用于存储。

NAND，非易失性存储技术，基于传统浮栅晶体管结构。得益于193纳米的浸润式光刻技术和多重图形技术，供应商已经将平面NAND压缩至1x纳米。

可到了1x纳米，问题就来了。“实际上浮栅已经看到了电容耦合到控制栅的不良降低。” Objective Analysis公司分析师，Jim Handy。

Handy称，因此现在的平面NAND不久将会停止缩放，继而加大对3D NAND的需求。基本上，3D NAND类似一栋垂直的摩天楼或千层糕。层是横向的，活跃字线。“位线也在芯片顶部的金属层中水平运行。垂直通道是NAND‘strings’，属于位线。”

与此同时，供应商正在从各个阶段提高该技术。三星，3D NAND领导厂商，去年发售第三代3D NAND设备——48层芯片。除此之外，美光和它的3D NAND合作伙伴——英特尔，近期已经开始发售它们的首款3D NAND芯片——32层设备。海力士和闪迪/东芝二人组也分别在对48层芯片进行取样。

2016年预计对3D NAND是一个大关口。据泛林半导体公司称，2015年末，全球3D NAND晶圆月产能(wspm)总计160000。“我们预计2016年末行业3D NAND晶圆月产能约为350000到400000。” Pan如是说。

3D NAND仍然表现了一小部分的NAND(2D和3D)设备总产量，后者晶圆月产能大概为1300000到1400000。“最后，我们希望绝大多数基于NAND的总产能全部成为3D产能。” Pan表示。

供应商正在自家新型或改装的3D NAND晶圆厂中升级这些设备。据SEMI行业研究&统计小组分析师Christian Dieseldorff,称，一家2D NAND晶圆厂，晶圆月产能1000，其设备成本约为3000万美元到4500万美元，。

而相比之下，一家3D NAND晶圆厂，晶圆月产能1000，其设备成本为5000万美元到6500万美元，Christian表示，“因为3D NAND设备需要比如CVD(化学气相沉积)和蚀刻工具，所以设备成本会更高。”

对比成本，一些供应商选择将它们现有的晶圆厂改建为3D NAND晶圆厂。“从2D到3D，我们认为需要扩大2到4倍的空间。在这种情况下，大多数设备已经有了，现在只需进行高度再利用即可，此外再配上必需的CVD(化学气相沉积)和蚀刻工具。”他表示。

一家3D NAND晶圆厂并不比一家领先的逻辑晶圆厂贵到哪里。比如，高德纳称，一个7纳米逻辑制程，1000月晶圆产能，需要1.6亿美元的晶圆设备投资。

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