存儲領(lǐng)域競爭加劇，3D NAND蝕刻逐步明朗化

　　3D NAND的出現也是因為2D NAND無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求。NAND閃存不僅有SLC、MLC和TLC幾種類(lèi)型之分，為了提高其容量、降低成本，NAND的制造工藝也在不斷進(jìn)步，厚度開(kāi)始不斷降低，但NAND閃存和處理器還是有很大不同的。雖然先進(jìn)的工藝帶來(lái)了更大的容量，但是其可靠性和性能卻在下降，因為工藝越先進(jìn)，NAND的氧化層越薄，其可靠性也就越差，廠(chǎng)商就需要采取額外手段彌補這一問(wèn)題，這必然會(huì )提高成本，以至于在達到某個(gè)最高點(diǎn)之后完全抵消掉制造工藝帶來(lái)的優(yōu)勢。

　　3D NAND將思路從提高制造工藝轉移到了堆疊更多層數，這樣就可以兼顧容量、性能和可靠性了。但隨著(zhù)3D NAND的興起，在價(jià)格和競爭壓力期間，3D NAND供應商正準備迎接新的戰斗，相互競爭下一代技術(shù)。

　　NAND美日韓壟斷局面

　　2016年全球半導體的銷(xiāo)售額之和為3389.31億美元，其中集成電路為2766.98億美元，占82%。但存儲器市場(chǎng)容量約780-800億美元，占全球半導體市場(chǎng)的23%，是僅次于邏輯電路的第二大產(chǎn)品。

　　從存儲器的種類(lèi)看，主要分DRAM和Flash，2016年DARM市場(chǎng)容量約414億美元，NAND Flash約346億美元，Nor Flash市場(chǎng)容量較小，約33億美元。據預測2017年，DRAM市場(chǎng)將達到720億美元的規模，DRAM預計將成為2017年半導體行業(yè)最大的單一產(chǎn)品類(lèi)別，超出NAND閃存市場(chǎng)222億美元。

　　根據OFweek分析師整理的調查報告顯示，目前全世界前十大半導體廠(chǎng)商中，從事內存和閃存芯片的設計與制造的，主要有5家：三星電子、SK 海力士、英特爾、鎂光科技、東芝半導體，韓國和美國的廠(chǎng)商，幾乎已經(jīng)壟斷了全球的存儲器市場(chǎng)。

　　DRAM方面，根據某半導體研究中心調查數據顯示2017年第三季度DRAM產(chǎn)業(yè)營(yíng)收數據顯示，三星、SK海力士?jì)纱箜n廠(chǎng)的市占各為45.8%與28.7%，合計已囊括74.5%的市占率。美光市占21.0%，三家企業(yè)的市占率已達95.5%。

　　NAND Flash方面，2017年全球NAND Flash品牌廠(chǎng)商產(chǎn)能市占率中，三星占據36.9%、東芝及西數占據34.4%，加上SK海力士、美光及英特爾，五大廠(chǎng)商壟斷市場(chǎng)。

　　Nor Flash方面，2016年全球市場(chǎng)份額美國Cypress第一25%、臺灣旺宏第二24%、美光第三18%、臺灣華邦第四17%、我國兆易創(chuàng )新第五7%。

　　以上可見(jiàn)，在占據絕大部分市場(chǎng)容量的DRAM和NAND Flash方面，中國基本為零，僅在市場(chǎng)容量不及DRAM 1/10容量的Nor Flash上有兆易創(chuàng )新入圍。

　　新玩家進(jìn)入3D NAND市場(chǎng)，競爭加劇

　　2018年全球NAND Flash價(jià)格一路走跌，由于市場(chǎng)需求增長(cháng)平緩，業(yè)者預期下半年將延續跌勢，隨著(zhù)國際NAND Flash大廠(chǎng)紛紛加碼投資，2019年QLC NAND將邁入百家爭鳴時(shí)代，帶動(dòng)消費性SSD容量快速升級至TB等級。

　　另外，據最新消息稱(chēng)加上長(cháng)江存儲繼32層3D NAND于2018年底前投入量產(chǎn)，目前Xtacking?架構的64層NAND樣品已經(jīng)送至合作伙伴進(jìn)行測試，讀寫(xiě)質(zhì)量大致穩定，預計最快將在2019年第3季投產(chǎn)。長(cháng)江存儲更計劃在2020年跳過(guò)96層3D NAND，直接進(jìn)入128層堆疊，發(fā)布新一代3D NAND架構Xtacking。這一系列舉動(dòng)都標志著(zhù)長(cháng)江存儲試圖超車(chē)追趕國際大廠(chǎng)，因此，全球NAND Flash產(chǎn)量持續增加，戰火愈益激烈，2019年NAND Flash市場(chǎng)恐將大幅震蕩。

　　長(cháng)江存儲采用Xtacking?架構的64層3D NAND跟傳統架構的96層相比，容量?jì)H低15%左右，據OFweek小編整理的數據，預計2020年其推出的128層堆疊可與國際大廠(chǎng)展開(kāi)競爭，同時(shí)也標志著(zhù)我國的閃存技術(shù)又邁向了新的高峰。

　　擴展3D NAND

　　3D NAND是當今平面NAND閃存的后續產(chǎn)品，用于存儲應用，如智能手機和SSD。與平面NAND不同，3D NAND類(lèi)似于垂直摩天大樓，其中水平層的存儲器單元被堆疊，然后使用微小的垂直通道連接。

　　3D NAND通過(guò)設備中堆疊的層數來(lái)量化，隨著(zhù)更多層的添加，位密度增加。在研發(fā)方面，供應商也在開(kāi)發(fā)下一代技術(shù)，分別為256層和512層。

　　其實(shí)這就是一場(chǎng)比賽，是最高籌碼間的競賽?，F有的3D NAND供應商：英特爾、美光、三星、SK海力士和東芝，他們都并沒(méi)有停滯不前，并在競爭中保持領(lǐng)先地位，但是每個(gè)供應商都采用兩種方法：?jiǎn)螌?、串堆疊來(lái)擴展3D NAND。

　　傳統架構的96層，雙層堆疊已經(jīng)略顯常規，其中會(huì )加入一些單層堆疊。在單層方法中，供應商一次性制造單個(gè)設備。理論上，這可以降低成本和周期時(shí)間。但在晶圓廠(chǎng)，單層方法很難實(shí)現。

　　3D NAND挑戰從光刻轉向沉積和蝕刻

　　在晶圓廠(chǎng)中，3D NAND與平面NAND不同。在2D NAND中，該過(guò)程取決于使用光刻縮小尺寸，雖然光刻仍然用于3DNAND，但它不是最關(guān)鍵的一步。對于3D NAND，挑戰從光刻轉向沉積和蝕刻。

　　3D NAND流以襯底開(kāi)始。然后，供應商在流動(dòng)交替堆疊沉積中經(jīng)歷了第一個(gè)挑戰。使用CVD，該方法包括在襯底上沉積和堆疊交替的薄膜。

　　首先，在基板上沉積一層材料，然后在頂部上施加另一層。該過(guò)程重復幾次，直到給定的設備具有所需的層數。

　　每個(gè)供應商使用不同的材料例如，三星在基板上沉積交替的氮化硅和二氧化硅層，這取決于你制造的器件類(lèi)型，可以在基板上堆疊數百層。但隨著(zhù)更多層的添加，面臨的挑戰是在高產(chǎn)量下堆疊具有精確厚度和良好均勻性的層。壓力和缺陷控制面臨巨大挑戰。此外，堆疊往往在壓力下彎曲，尤其在單層方法中表現明顯。為此，供應商將在基板上堆疊96層薄膜。

　　避免壓力的另一種方法是使用串型堆疊。例如，將圖層存放在一個(gè)48層設備上，然后在另一個(gè)設備上重復該過(guò)程，形成一個(gè)96層產(chǎn)品。通常，48層交替堆疊沉積工藝是成熟的并且產(chǎn)生相對較小的應力，但是存在挑戰。之后，在膜疊層上施加硬掩模，并在頂部圖案化孔。然后，這是流動(dòng)高縱橫比(HAR)蝕刻中最難的部分。

　　為此，蝕刻工具必須從器件疊層的頂部到底部基板上鉆出微小的圓孔或通道。通道使得單元在垂直堆疊中彼此連接。一個(gè)器件可能在同一芯片中有250萬(wàn)個(gè)微小通道。每個(gè)通道必須平行且均勻。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，蝕刻器通過(guò)用離子轟擊表面來(lái)產(chǎn)生微小的通道，但這種蝕刻非常困難且非常耗時(shí)，根據蝕刻中縱橫比縮放的基本定律表明，縱橫比越高，沉積層的厚度越大，孔越小，蝕刻越慢。隨著(zhù)蝕刻工藝更深地滲透到通道中，離子的數量可能減少。這會(huì )降低蝕刻速率。更糟糕的是，可能會(huì )發(fā)生不需要的CD變化。

　　因此，可以想象供應商可以使用串型堆疊從96層遷移到128層以上。理論上，使用傳統的蝕刻工具，供應商可以處理兩個(gè)64層設備，從而實(shí)現128層。傳統的蝕刻器涉及在室溫下交替蝕刻和鈍化步驟的過(guò)程。相反，低溫蝕刻在低溫下進(jìn)行，大大提高了蝕刻速率，雖然低溫蝕刻是困難且昂貴的，但其好處超過(guò)了增加的成本。