內存顆粒漲價(jià)狂潮，來(lái)了解一下MLC NAND閃存下的技術(shù)細節

　　2006年初，美光科技公司與英特爾公司的合作企業(yè)IM Flash Technologies公司（IMFT）在市場(chǎng)上閃亮登場(chǎng)。通過(guò)整合Intel公司的NOR多層單元（MLC）閃存技術(shù)與美光的DRAM和NAND閃存的制造效率和創(chuàng )新性，并且在兩個(gè)母公司強大的IP庫支持下，IMFT在同一年推出的第一個(gè)產(chǎn)品就讓市場(chǎng)深受震動(dòng)。

　　IMFT使用的先進(jìn)工藝可以顯著(zhù)地改變消費電子產(chǎn)品的設計和使用方式。這些高密度、高性能閃存器件使得Intel支持的Robson閃存緩存技術(shù)以及混合SSD/HD系統（受到微軟、Sandisk和希捷的支持）得以實(shí)現。這些技術(shù)很可能出現在那些需要大量存儲器的產(chǎn)品中，例如臺式電腦和筆記本電腦。微型MLC NAND閃存器件可以存儲大量的數據，這些器件不需要供電就能保持數據。因為閃存器件中沒(méi)有可移動(dòng)的部件，因此它比硬盤(pán)更能承受震動(dòng)，最終有可能替代硬盤(pán)。這種堅固性非常適合移動(dòng)應用，特別是汽車(chē)應用，比如GPS導航系統以及高端汽車(chē)娛樂(lè )系統。

　　采用混合HD或Robson閃存緩存實(shí)現的閃存的數據訪(fǎng)問(wèn)速度可以比傳統的USB閃存盤(pán)快100倍，這一點(diǎn)有助于提高那些蜂窩電話(huà)和PDA等移動(dòng)設備的移動(dòng)性和功能性。包括U盤(pán)、MP3播放器、數碼相機、導航系統以及數據刻錄機在內的其它產(chǎn)品也必將從這些新一代閃存器件中獲益。

　　如果是從閃存而不是從硬盤(pán)中加載，典型的微軟Word文檔的打開(kāi)時(shí)間將不到十分之一秒 （即使是非常大的文檔也不會(huì )超過(guò)5秒），而Windows XP的啟動(dòng)時(shí)間也不會(huì )超過(guò)15秒鐘，而且還具有將所有移動(dòng)部件用一個(gè)元件整體替代的固有可靠性。閃存的優(yōu)點(diǎn)還不止這些，就拿數碼相機存儲卡來(lái)說(shuō)，如果每天讀寫(xiě)約1000幅照片，那么在需要更換之前可以使用的時(shí)間將長(cháng)達7年。因此這種卡在真正壽終正寢之前還有機會(huì )在新的相機中重復使用。

　　從50納米啟程

　　為滿(mǎn)足英特爾-美光合作項目的高預期，IMFT必須縮小與關(guān)鍵競爭者東芝和三星公司之間的技術(shù)差距。Semiconductor Insights公司在2006年9月份的報告中詳細指出，IMFT為實(shí)現在2006年的第三季度發(fā)布50納米、4Gb SLC閃存產(chǎn)品煞費苦心。從分析報告中可以明顯看出，IMFT放棄了它的兩個(gè)母公司采用的傳統策略。美光從一個(gè)成本和制造創(chuàng )新者轉變?yōu)榱饲把丶夹g(shù)的創(chuàng )新企業(yè)，這個(gè)變化是非常巨大的。

　　但是IMFT并沒(méi)有完全彌合上述差距，還差那么一點(diǎn)點(diǎn)。競爭對手東芝公司一直以來(lái)使用MLC技術(shù)優(yōu)化存儲器密度，能用8Gb、70納米閃存工藝技術(shù)實(shí)現高達56.5Mb/mm2的存儲器位密度。IMFT的4Gb SLC閃存器件即使采用其先進(jìn)的50納米技術(shù)，也不能達到東芝的41.8Mb/mm2密度。

　　IMFT公司的4Gb器件采用三層金屬、三種聚合物、50納米CMOS工藝制造。盡管美光公司很早就以DRAM互連工藝實(shí)現了銅連接，但IMFT在金屬層2和3中采用了一種更保守的鋁互連工藝，而金屬層1則采用了創(chuàng )新的鎢過(guò)孔優(yōu)先的雙鑲嵌（dual damascene）技術(shù)。

　　用于4Gb器件的特殊淺溝道隔離工藝可以用來(lái)實(shí)現具有交互多晶硅電容結構的三柵氧工藝技術(shù)。這是一種創(chuàng )新的隔離方法：在有效區域硬掩膜/STI拋光阻隔層形成之前形成柵極電介質(zhì)。IMFT使用了多晶硅硬掩膜（類(lèi)似于氮化物頂層）替代傳統的氮化硅，因此與傳統方法的差別更加擴大。

　　在經(jīng)過(guò)STI蝕刻、填充和平整后，就形成了與隔離表面共面的內嵌多晶硅層。在厚的高壓氧化物生長(cháng)的區域，這種多晶硅層被用作多晶硅電容的低極板，并且具有高質(zhì)量的CMP完工界面。屏蔽式清除隨后沉積的ONO電容電介質(zhì)即可提供第二個(gè)聚合物層到低位電容極板的接觸區域。在晶體管柵電極將被形成的區域中， ONO層將被完全清除掉。

　　16Gb超級大轉變

　　IMFT的“下一代”50納米16Gb MLC工藝實(shí)際上是一種不嚴格的“近似40納米”的工藝技術(shù)。與前一代技術(shù)一樣，這種器件也是采用三層金屬、三種聚合物工藝制造的。粗看起來(lái)，這種宣稱(chēng)的50納米16Gb MLC器件并無(wú)什么特別的，甚至感覺(jué)它推出得遲了（想一想自從4Gb SLC閃存產(chǎn)品推出以來(lái)過(guò)了多長(cháng)時(shí)間吧）。但是，這只是表面現象，真正要理解這種產(chǎn)品和早期的50納米產(chǎn)品有多大的差異，必須要詳細了解器件的內部。

　　首先，IMFT的工程師已從基于鋁的互連技術(shù)轉向了銅互連技術(shù)。這種新的工藝將更容易地調整金屬化層來(lái)適應接近40納米的設計。使用鎢過(guò)孔優(yōu)先的雙鑲嵌技術(shù)形成的金屬層1可以很簡(jiǎn)單地從4Gb版本轉移到新的16Gb閃存器件；我們可以看到金屬層1是否會(huì )在40納米工藝時(shí)第二次用到。

　　IMFT還修改了淺溝道隔離的集成順序。這種修改為存儲器陣列中的有效區域間距提供了可縮放性（這對于IMFT推動(dòng)下一代工藝節點(diǎn)很關(guān)鍵），Semiconductor Insights對此有很詳細的研究。有趣的是，盡管這種修改允許縮放，但在這個(gè)順序中的某些步驟看起來(lái)并不具有任何技術(shù)優(yōu)勢。有人不禁會(huì )認為，這種方法是否是為了回避其他閃存提供商擁有的STI工藝順序。

　　最后，這個(gè)器件上幾乎20%的陣列聚合物寬度減少應該能降低陣列中的電容性耦合，并改善整體的功率和速度性能。這將進(jìn)一步確定針對下一代技術(shù)節點(diǎn)的工藝，特別是如果低k值材料被用來(lái)進(jìn)一步降低存儲器陣列中的耦合。

　　揭開(kāi)表象

　　東芝和IMFT的16Gb MLC NAND閃存器件背后具有不同的細節。東芝在其推出的16Gb、56納米MLC器件上實(shí)現了令人印象深刻的94.5Mb/mm2存儲位密度；但是IMFT在其16Gb MC器件上實(shí)現了98.7Mb/mm2的密度，已經(jīng)超過(guò)了東芝的存儲位密度，并且幾乎與競爭對手三星公司的51納米、16Gb NAND器件的101.7MB/mm2存儲密度相當。

　　再加上IMFT的浮柵寬度已經(jīng)降低了20%，你就不會(huì )意外地看到明年初他們推出采用對目前50納米工藝稍加修改的新工藝開(kāi)發(fā)的樣片。從更大的角度來(lái)說(shuō)，每次技術(shù)遷移都能讓我們進(jìn)一步接近更高性?xún)r(jià)比的固態(tài)驅動(dòng)器。當我們實(shí)現超越時(shí)，必將出現新的消費產(chǎn)品，并產(chǎn)生對半導體技術(shù)領(lǐng)域更高容量的需求。過(guò)去幾年中我們在半導體行業(yè)獲益良多，我非常期待這樣的技術(shù)進(jìn)步。

　　圖1：多晶硅電容結構。底部的黑線(xiàn)是低位多晶硅板。

　　圖2：16Gbit閃存的多晶硅電容結構，圖中顯示了低位板接頭。IMFT的4G、16Gbit NAND閃存

　　圖3：IMFT的16Gbit MLC閃存的金屬層2和層3采用銅雙鑲嵌工藝，金屬層1采用鎢雙鑲嵌工藝。

　　IMFT公司16Gb閃存的多晶硅電容結構不同于早期的50nm 4Gb，它從基于鋁的互連技術(shù)轉向了銅互連技術(shù)，并且修改了STI整合的順序。