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

IMFT使用的先進工藝可以顯著地改變消費電子產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閃存緩存技術以及混合SSD/HD系統(受到微軟、Sandisk和希捷的支持)得以實現。這些技術很可能出現在那些需要大量存儲器的產品中,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。因為閃存器件中沒有可移動的部件,因此它比硬盤更能承受震動,最終有可能替代硬盤。這種堅固性非常適合移動應用,特別是汽車應用,比如GPS導航系統以及高端汽車娛樂系統。

采用混合HD或Robson閃存緩存實現的閃存的數據訪問速度可以比傳統的USB閃存盤快100倍,這一點有助于提高那些蜂窩電話和PDA等移動設備的移動性和功能性。包括U盤、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中加載,典型的微軟Word文檔的打開時間將不到十分之一秒 (即使是非常大的文檔也不會超過5秒),而Windows XP的啟動時間也不會超過15秒鐘,而且還具有將所有移動部件用一個元件整體替代的固有可靠性。閃存的優點還不止這些,就拿數碼相機存儲卡來說,如果每天讀寫約1000幅照片,那么在需要更換之前可以使用的時間將長達7年。因此這種卡在真正壽終正寢之前還有機會在新的相機中重復使用。

從50納米啟程

為滿足英特爾-美光合作項目的高預期,IMFT必須縮小與關鍵競爭者東芝和三星公司之間的技術差距。Semiconductor Insights公司在2006年9月份的報告中詳細指出,IMFT為實現在2006年的第三季度發布50納米、4Gb SLC閃存產品煞費苦心。從分析報告中可以明顯看出,IMFT放棄了它的兩個母公司采用的傳統策略。美光從一個成本和制造創新者轉變為了前沿技術的創新企業,這個變化是非常巨大的。

但是IMFT并沒有完全彌合上述差距,還差那么一點點。競爭對手東芝公司一直以來使用MLC技術優化存儲器密度,能用8Gb、70納米閃存工藝技術實現高達的存儲器位密度。IMFT的4Gb SLC閃存器件即使采用其先進的50納米技術,也不能達到東芝的密度。

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則采用了創新的鎢過孔優先的雙鑲嵌(dual damascene)技術。

用于4Gb器件的特殊淺溝道隔離工藝可以用來實現具有交互多晶硅電容結構的三柵氧工藝技術。這是一種創新的隔離方法: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。IMFT使用了多晶硅硬掩膜(類似于氮化物頂層)替代傳統的氮化硅,因此與傳統方法的差別更加擴大。

在經過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,并且具有高質量的CMP完工界面。屏蔽式清除隨后沉積的ONO電容電介質即可提供第二個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工藝實際上是一種不嚴格的“近似40納米”的工藝技術。與前一代技術一樣,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,這種宣稱的50納米16Gb MLC器件并無什么特別的,甚至感覺它推出得遲了(想一想自從4Gb SLC閃存產品推出以來過了多長時間吧)。但是,這只是表面現象,真正要理解這種產品和早期的50納米產品有多大的差異,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轉向了銅互連技術。這種新的工藝將更容易地調整金屬化層來適應接近40納米的設計。使用鎢過孔優先的雙鑲嵌技術形成的金屬層1可以很簡單地從4Gb版本轉移到新的16Gb閃存器件；我們可以看到金屬層1是否會在40納米工藝時第二次用到。

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推動下一代工藝節點很關鍵),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,但在這個順序中的某些步驟看起來并不具有任何技術優勢。有人不禁會認為,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。這將進一步確定針對下一代技術節點的工藝,特別是如果低k值材料被用來進一步降低存儲器陣列中的耦合。

揭開表象

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器件上實現了令人印象深刻的存儲位密度；但是IMFT在其16Gb MC器件上實現了的密度,已經超過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器件的存儲密度相當。

再加上IMFT的浮柵寬度已經降低了20%,你就不會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發的樣片。從更大的角度來說,每次技術遷移都能讓我們進一步接近更高性價比的固態驅動器。當我們實現超越時,必將出現新的消費產品,并產生對半導體技術領域更高容量的需求。過去幾年中我們在半導體行業獲益良多,我非常期待這樣的技術進步。

圖1:多晶硅電容結構。底部的黑線是低位多晶硅板。

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轉向了銅互連技術,并且修改了STI整合的順序。

作者: John Boyd