解密16G MLC NAND閃存表象下的技術(shù)細(xì)節(jié)

作者：時(shí)間：2009-01-17 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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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(qiáng)大的IP庫(kù)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)工藝可以顯著地改變消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(tǒng)(受到微軟、Sandisk和希捷的支持)得以實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)很可能出現(xiàn)在那些需要大量存儲(chǔ)器的產(chǎn)品中，例如臺(tái)式電腦和筆記本電腦。微型MLC NAND閃存器件可以存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，這些器件不需要供電就能保持?jǐn)?shù)據(jù)。因?yàn)殚W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(jiān)固性非常適合移動(dòng)應(yīng)用，特別是汽車(chē)應(yīng)用，比如GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以及高端汽車(chē)娛樂(lè)系統(tǒng)。

采用混合HD或Robson閃存緩存實(shí)現(xiàn)的閃存的數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度可以比傳統(tǒng)的USB閃存盤(pán)快100倍，這一點(diǎn)有助于提高那些蜂窩電話和PDA等移動(dòng)設(shè)備的移動(dòng)性和功能性。包括U盤(pán)、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)刻錄機(jī)在內(nèi)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(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)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(zhǎng)達(dá)7年。因此這種卡在真正壽終正寢之前還有機(jī)會(huì)在新的相機(jī)中重復(fù)使用。

從50納米啟程

為滿足英特爾-美光合作項(xiàng)目的高預(yù)期，IMFT必須縮小與關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)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(bào)告中詳細(xì)指出，IMFT為實(shí)現(xiàn)在2006年的第三季度發(fā)布50納米、4Gb SLC閃存產(chǎn)品煞費(fèi)苦心。從分析報(bào)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(tǒng)策略。美光從一個(gè)成本和制造創(chuàng)新者轉(zhuǎn)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手東芝公司一直以來(lái)使用MLC技術(shù)優(yōu)化存儲(chǔ)器密度，能用8Gb、70納米閃存工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)高達(dá)56.5Mb/mm2的存儲(chǔ)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(dá)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(xiàn)了銅連接，但I(xiàn)MFT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(xiàn)具有交互多晶硅電容結(jié)構(gòu)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(qū)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(類似于氮化物頂層)替代傳統(tǒng)的氮化硅，因此與傳統(tǒng)方法的差別更加擴(kuò)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(nèi)嵌多晶硅層。在厚的高壓氧化物生長(zhǎng)的區(qū)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(qū)域。在晶體管柵電極將被形成的區(qū)域中， ONO層將被完全清除掉。

16Gb超級(jí)大轉(zhuǎn)變

IMFT的“下一代”50納米16Gb MLC工藝實(shí)際上是一種不嚴(yán)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(zhǎng)時(shí)間吧)。但是，這只是表面現(xiàn)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(xì)了解器件的內(nèi)部。

首先，IMFT的工程師已從基于鋁的互連技術(shù)轉(zhuǎn)向了銅互連技術(shù)。這種新的工藝將更容易地調(diào)整金屬化層來(lái)適應(yīng)接近40納米的設(shè)計(jì)。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(zhuǎn)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(chǔ)器陣列中的有效區(qū)域間距提供了可縮放性(這對(duì)于IMFT推動(dòng)下一代工藝節(jié)點(diǎn)很關(guān)鍵)，Semiconductor Insights對(duì)此有很詳細(xì)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(shì)。有人不禁會(huì)認(rèn)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(yīng)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(duì)下一代技術(shù)節(jié)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(chǔ)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(xì)節(jié)。東芝在其推出的16Gb、56納米MLC器件上實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的94.5Mb/mm2存儲(chǔ)位密度；但是IMFT在其16Gb MC器件上實(shí)現(xiàn)了98.7Mb/mm2的密度，已經(jīng)超過(guò)了東芝的存儲(chǔ)位密度，并且?guī)缀跖c競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星公司的51納米、16Gb NAND器件的101.7MB/mm2存儲(chǔ)密度相當(dāng)。

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(duì)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)一步接近更高性價(jià)比的固態(tài)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)超越時(shí)，必將出現(xiàn)新的消費(fèi)產(chǎn)品，并產(chǎn)生對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域更高容量的需求。過(guò)去幾年中我們?cè)诎雽?dǎo)體行業(yè)獲益良多，我非常期待這樣的技術(shù)進(jìn)步。