半导体的3D时代，有哪些技术突破

每年在SPIE高级光刻会议召开之前的星期日，尼康都会举行其Litho Vision研讨会。我有幸连续第三年受邀发言，不幸的是，由于新冠肺炎的影响，该活动不得不取消。但是到活动宣布取消时，我已经完成了演讲文稿，所以在此分享。

概述

我演讲的题目是“ Economics in the 3D Era”。在演讲中，我将讨论三个主要的行业领域，即3D NAND，逻辑和DRAM。对于每个部分，我都会讨论当前的状态，然后进入技术，掩模数量，密度和成本预测的各自路线图。所有状态和预测都将针对公司，并涵盖每个细分市场的领导者。此演示文稿的所有数据，技术，密度，掩模数量和成本预测均来自我们的 IC Knowledge–战略成本和价格模型– 2020 –修订版00模型。该模型基本上是一份详细的行业路线图，可以模拟成本，设备和材料要求。

3D NAND

3D NAND是业界最“ 3D”的细分市场，其层堆叠技术可通过在竖直方向上添加层来提高密度。

图1展示了3D NAND TCAT制程。

图1． 3D NAND TCAT制程。

在3D NAND领域，市场领导者是三星，他们使用的是TCAT制程。市场上排名第二的是Kioxia（前身为Toshiba Memory），他们使用的工艺与三星基本相同。美光也正在采用电荷陷阱技术，我们希望其工艺类似于TCAT制程，从而使TCAT制程能够代表行业大多数。SK海力士使用不同的制程，但在许多关键要素上与TCAT制程相同。唯一不使用电荷陷阱技术的公司是英特尔美光公司，但由于英特尔和美光已经在3D NAND领域分道扬，，英特尔将是唯一一家仍然采用浮栅技术的公司。

TCAT制程包括三个主要部分：

制作CMOS – 这些CMOS用于写入，读取和擦除比特信息。最初，除英特尔－美光公司外，每家公司都在存储器阵列外围制造CMOS，而英特尔－美光公司在存储器阵列下方制造一些CMOS。随着时间的流逝，其他公司已经迁移到阵列下的CMOS，我们希望在几代之内，所有公司都将迁移到阵列下的CMOS，因为它提供了更好的裸片面积利用率。

制作存储阵列–对于电荷陷阱技术，可通过沉积氧化物和氮化物的交替层来进行阵列制造。然后向下蚀刻穿过各层的沟道孔，并重新填充氧化硅／氮化硅／氧化硅（ONO）层，多晶硅管（沟道）并填充氧化物。然后使用光刻－蚀刻－收缩－蚀刻方法制造阶梯。然后穿过阵列向下蚀刻狭隙，并蚀刻掉氮化物膜。然后沉积阻挡层和钨以填充蚀刻氮化物的水平开口。最后，将通孔蚀刻停止到到钨的水平片上。

互连– CMOS和存储器阵列然后互连。对于阵列下的CMOS，一些互连发生在存储器阵列制造之前。

这种技术掩模使用效率非常高，因为可以用若干张掩模对很多层进行构图。整个制程只需要一张沟道孔掩模，若干张阶梯掩模（取决于层数和制程需求）。在早期的工艺中，单张掩模可以制作大约8层，但是如今某些工艺可以通过单张掩模做到32层。狭缝（slot）蚀刻需要一张掩模，有时还有另一个浅狭缝需要一张掩模，最后接触通孔也需要一张掩模。

沟道孔蚀刻是非常难的高深宽比（HAR）蚀刻，一旦达到一定的最大层数，该制程就必须以所谓的“串堆叠”（string stacking）方式分成多个“串”（存储单元串）。基本上，在串堆叠中，沉积一组层，应用掩模，蚀刻，填充沟道。然后沉积另一组层，光刻，蚀刻和填充。理论上，这可以循环很多次。英特尔－美光科技公司使用浮栅工艺，该工艺使用的氧化硅／多晶硅层比氧化硅／氮化硅层更难蚀刻，所以他们是最早使用串堆叠技术的。

图2展示了Intel－Micron串堆叠技术。

图2． Intel－Micron串堆叠制程。

每家公司都有自己的沟道孔蚀刻方法，并且在串堆叠方面有自己的限制。因为使用氧化多晶硅层，所以Intel－Micron通过堆叠2次32层的串制作了64层芯片，然后通过堆叠2次48层的串量产了96层芯片。英特尔已经发布了144层存储芯片，预计将是3次堆叠48层。SK Hynix到72层时开始串堆叠，Kioxia是96层开始堆叠（都是电荷陷阱技术，都是氧化硅／氮化硅层）。三星是最后一个串堆叠技术的支持者，他们量产了一款92层的单串芯片，并发布了一款128层的单串器件。

通过在一个单元中存储多个比特，也可以提高存储密度。NAND闪存已从单层单元（SLC）到2个比特的多层单元（MLC），再到3比特的三层单元（TLC），再到4比特的四层单元（QLC）。业界现在正准备推出5个比特的五层单元（PLC），甚至还有关于6比特的6层单元（HLC）的讨论。增加每个单元的比特数有助于提高密度，但收益却在降低，从SLC到MLC的比特数是2倍，从MLC到TLC的比特数是1．5x，TLC到QLC的比特数是1．33x，从QLC到PLC的比特数是1．25倍。如果业界达到了PLC，则接下来到HLC的比特数将只是1．20倍。

图3在左轴上显示了按年份和公司分类的串堆叠，在右轴上显示了每个单元的最大比特数。

图3．堆叠层数，每单元比特数。

图4展示了我们对按曝光类型，公司和年份划分的掩模数量的分析。虚线是每年的平均掩模数，从2017年的42张增加到2025年的73张，这与层数从2017年的平均60个增加到2025年的512个相对应。换句话说，掩模数量仅增加1．7倍就增加了8．5倍的层数以突出3D NAND工艺的掩模使用效率。

图4．掩模数量趋势。

图5展示了各家公司2D NAND和3D NAND的实际和预测比特密度随年份变化的趋势。这里是整个芯片的比特密度，即芯片的容量除以芯片的尺寸。

图5． NAND比特密度。

从2000年到2010年，在光刻微缩的推动下，2D NAND比特密度每年增长1．78倍。大约在2010年左右，继续缩小2D NAND的难度导致增长减慢至1．43倍，直到2015年左右3D NAND成为驱动力并继续以每年1．43倍的速度增长。我们预计从2020年到2025年的年增长率将略有下降，为1．38倍。与去年相比，这是我们的预测的一项改进，因为我们看到这些公司推动该技术的速度超出了我们最初的预期。最后，SK海力士谈到了2025年的500层和2030年的800层，导致2025年之后的速度进一步放缓。

图6给出了NAND单位比特成本趋势。

图6． NAND单位比特成本。

在该图中，我们采用了使用战略成本和价格模型计算出的晶圆成本，并将其与图5中的位密度相结合以产生单位比特成本趋势。在所有情况下，这些晶圆厂都是新建的月产能75，000片晶圆的工厂，因为这是NAND晶圆厂在2020年的平均产能。这些晶圆厂对应所在的国家分别是新加坡－英特尔美光，英特尔－中国，Kioxia－日本，三星和SK海力士－韩国。这些计算不包括封装和测试成本，不考虑划片槽宽度，并且仅包含粗略的芯片良率假设。

图表中的前三个节点是2D NAND，每个节点的成本趋势为0．7倍。随着向3D NAND的过渡，大多数公司的比特成本最初都增加了，但现在已降至2D NAND比特成本以下，并且每个节点的趋势为0．7倍，直到大约300到400层。我们预计单位比特成本会趋于平缓，除非在工艺或设备效率方面取得一些突破，否则该技术将面临成本极限。

审核编辑：符乾江