應用於3D-NAND Flash的全新電晶體:FanFET

作者 : 王振志,漢薩科技執行長

本文將描述一創新的扇型電晶體(Fan type Field Effect Transistor,FanFET),應用於3D-NAND Flash快閃記憶體的技術、評比與亮點,及延伸於數位邏輯的簡單概念。

想像著在高速與巨量的資訊流與運算流的未來,無論你身在何時何處,你的行動裝置螢幕(NOR+OLED)將即時地在雲端上(DRAM)搜尋與探索強大的邏輯運算與智慧分析(NAND,CPU/AI),並快速地取得全新的訊息與決策。涵蓋智慧家庭,自動運輸,行動執行以及各個領域的大數據分析,高速高容量的記憶體與CPU/AI晶片將扮演無線通訊與智慧運算時代的兩大要角。

本文將描述一創新的扇型電晶體(Fan type Field Effect Transistor,FanFET),應用於3D-NAND Flash快閃記憶體的技術、評比與亮點,及延伸於數位邏輯的簡單概念。

電晶體的演化藍圖

圖1是顯示目前主流電晶體演化與產品應用的技術藍圖,從CMOS技術來看,除邏輯、功率元件產品外,還有NOR Flash技術。而DRAM、NAND與25nm以下的邏輯產品,其電晶體則分別演化成環繞式閘極電晶體(Surrounding Gate Transistor,SGT)、環繞式結構(Gate-all-around,GAA;又稱為GAAFET)、和鰭式電晶體(FinFET)。

舉例來說,NAND Flash在20nm以下(嚴格來說是3D-NAND Flash)由垂直電流的GAA記憶體串聯而成;而鰭式電晶體的邏輯電路乃由CMOS逐步地演變成二維加強版(2D Plus)的結構,由並聯多鰭(Multi-fins)或多奈米薄片(Nano-Sheets,例如MBCFET)來增加電流的大小。而以上的技術則需具備深紫外光(DUV)、甚至極紫外光(EUV)的黃光設備來完成相對應的奈米圖案。

 

圖1:主流電晶體節點技術藍圖。

 

創新的扇型電晶體則是類似扇形(Fan)型態的主動元件。扇型電晶體具有垂直電流與相對應的端點位置、適合立體堆疊以及高容量密度,因此適合未來電晶體與記憶體的應用。

3D-NAND Flash造就新型電晶體

GAA Cell是目前全球記憶體大廠的主流和唯一的立體型快閃記憶體技術(3D-NAND Flash) ,採四方型交錯排列結構,GAA 晶胞依照材料結構區分為GAA CT Cell或GAA FG Cell產品,特徵尺度(Feature Size)約為4F2 以上,GAA 的結構也適合多層的立體堆疊,這也是立體型快閃記憶體的容量密度能夠快速成長的原因。

記憶體節點技術與密度的提升,有賴於新興的材料和創新的結構這兩大關鍵技術。新興材料所衍生的記憶體,例如FRAM以及RRAM,目前已有廠商完成少量的生產和應用。

對於創新結構而言,除提升容量密度外,精簡的方法、高相容性製程,更能擴大未來記憶體的應用與普及性。漢薩科技從最密堆積開始,考慮電路的佈局與連結,並要求立體元件的模型以及立體製程合理化。當完成立體型快閃記憶體時,便衍生一全新的電晶體,我們稱之為扇型電晶體(FanFET),這是一種有別於FinFET、GAA的創新電晶體。圖2顯示FanFET的結構、座標與端點。

 


圖2:FanFET 結構、座標與端點。

兼具電晶體與記憶體:扇型電晶體

扇型電晶體可做為電晶體和記憶體,亦具有與MOS電晶體相同的基本架構。FanFET 具有垂直電流,電晶體結構可透過ArF/DUV黃光設備即可完成,且具有多層堆疊的製造技術。扇型記憶體晶胞具有六方最密堆積,特徵尺度約為2F2,即FanFET記憶晶胞的單位面積密度約為 GAA記憶晶胞的2倍以上。

3D-NAND Flash模組化製程

3D-NAND Flash模組化製程的關鍵在於記憶體晶胞的形成方式和相對排列。圖3為GAA與FanFET立體記憶體結構示意圖。首先的前段製程(FEOL)由多晶矽和氮化矽的薄膜堆疊開始, 其次是記憶晶胞的製造過程,然後為中段的製程(MEOL),最後為後段製程(BEOL)。

 

圖3:Benchmark of 3D NAND Flash Memory Cells

前段製程的薄膜堆疊需考慮沉積薄膜厚度的組合、薄膜均勻度和堆疊的層數;隨後的晶胞製程則考慮晶胞圖案完成的方式與步驟、電晶體操作的通道區域和物理機制、蝕刻時所面臨深寬比(Aspect Ratio )問題。 最後便是中段位元線(BL)、字元線(WL)製程與後段金屬連接線製程, 位元線與字元線摻雜多晶矽或金屬導線的導電性質、高深寬比、黃光對準與金屬污染是關鍵性的問題。

記憶體晶胞模組的關鍵製程與差異

分裂的環繞式結構(Split GAA)是由GAA演化而來(Split GAA為作者暫定的名稱);圖4為四家 廠商的Split GAA與FanFET製程模組化比較,由俯視的角度觀察這四家廠商記憶體晶胞的主要差異(在此省略GAA製程)。前三家廠商所採用的Split GAA Cell製造模式乃是基於GAA的製程,切開由類似橢圓型的GAA即可形成Split GAA。

 

圖4:模組化製程技術特徵。

 

以漢薩科技的FanFET 製程流程為例,首先是晶胞間隔離層(Isolation of intra-cells),內嵌式晶胞製程整合(Recessed Cell),晶胞群隔離層(Isolation of inter-cells),此為閘極後製程(Gate Last)技術。

Split GAA and FanFET記憶體晶胞的評比

以上四家廠商的相似之處包括垂直的電流、具有多層堆疊的製程技術、各個導線連接的方式、位元線與字元線連結的方式。而看似相近的外型,漢薩的記憶體電流操作區域的結構與前面三家炯然迴異。

為了進行記憶體晶胞模組的製程,前三家廠商的晶胞必須固定在一定的數值,以滿足後續的製程,而晶胞的直徑大小──即Split GAA晶胞孔洞的短軸直徑──會影響最後的容量密度; 漢薩科技的扇型記憶體晶胞模組在此晶胞製程整合上無此困擾,因為扇型記憶體晶胞的形狀與特徵尺度可依據開發者的需求自由調配,並可有效地調整容量密度的大小。

前三家廠商的特徵尺度大小約是3.5~6F2這是因為晶胞本身是封閉性結構、晶胞間隔離層和晶胞群隔離層都必須遵守設計規範。另外各家製程的順序與差異,例如閘極前(Gate First)與閘極後(Gate Last)製程技術、隔絕層與晶胞的順序,以及製程上的薄膜殘留和黃光尺寸大小的均勻性,都可能產生不同程度的邊際效應。

分裂的環繞式結構之侷限性

Split GAA 可能有一個嚴峻的問題,就是其本身是一個封閉式晶胞結構,此結構會限制晶胞的大小;當晶胞微縮時,會面臨介電層薄膜填充的問題,且Split GAA會增大特徵尺度,導致單位面積的容量密度變小。

相反地,FanFET可自由地調整晶胞形狀和隔離層的比例,此關鍵的因素在於FanFET是一個開放式內嵌型的晶胞,無論在黃光的曝光顯影與介電薄膜填充製程上,皆可在既有的ArF、DUV 黃光設備12吋晶圓廠完成,製程的節點技術可由90奈米一直延續至10奈米以下。

FanFET技術亮點與優勢

漢薩科技的扇型記憶體有10大技術亮點, 第一組為創新的高密度電晶體晶胞, 從技術的角度而言,包括:

1. 全新的扇型電晶體(FanFET)結構;
2. 可應用於電晶體與記憶體;
3. 多層堆疊的立體結構與技術;
4. 提高單位面積的記憶容量;
5. 多樣性技術:除了獨立記憶體技術外,FanFET技術可延伸至嵌入式系統和記憶體內運算。

第二組為可展延的摩爾定律,扇型電晶體的節點技術可展延從90nm~10nm以下。從商業的角度,亮點更包含:

6. 雙贏的商業模式與獲利策略;
7. 矽相容性:製程技術可相容於目前12吋晶圓廠;
8. 減少開發成本與提升產能利用率;
9. 專利共享:專利池共享、建立相關的技術規範;
10. 建立完整的製造供應鏈。

搶佔未來商業先機

漢薩科技的創新結構扇型立體快閃記憶體,具有既簡單且優美的晶胞、最小的特徵尺度2F2、容量密度最高的3D製程、符合標準的MOST 結構、開發成本最有效率的技術。漢薩科技希望藉由聯盟的商業模式共同合作開發,以便衍生更多的技術層次和商業機會;並且進一步結合新材料技術,在行動通訊與人工智慧的時代,開啟奈米級記憶體應用的新藍海。

FanFET的邏輯應用

透過n-type FanFET與p-type FanFET端點的連結成反向器的雛型,圖5為數位邏輯基本單元FanFET反向器示意圖。 FanFET可透過佈局與模擬,可完成相對應的數位邏輯上的功能,這在特徵尺度上、電性的功能上、3D製程技術上,將有更多的研發動能和想像空間。

FanFET像CMOS一樣,是一個可製造記憶體與邏輯電路的電晶體,在半導體產業上,它是奈米級新創結構的明日新星與具備半導體技術的開發潛力。

 

圖5:數位邏輯基本單元FanFET反向器示意圖。

 

漢薩科技(Hexas Technology Corporation)是一家專業的記憶體晶片智財權研發與授權的新創公司。提供一種全新發明的扇型電晶體FanFET,應用的技術包括3D-NAND、NOR、與DRAM記憶體,奈米節點技術藍圖可從90nm至10nm以下。

漢薩科技提供的智財可讓客戶實現他們未來更尖端的產品,包括手機用的記憶卡、固態硬碟、DRAM 模組、嵌入式(Embedded NOR System) 晶片,和記憶體內運算(Memory in Computing),以及自駕車、機器人、雲端系統、5G 和高效能 AI 運算應用。

漢薩科技的經營理念是「打造無遠弗界的行動儲存技術及資訊流動通道」,歡迎參考公司網站:www.hexas.com.tw或洽電子信箱:fanfet@hexas.com.tw,以便了解更多的技術與服務。

本文作者王振志(Morgan)為漢薩科技執行長,亦為FanFET相關的記憶體專利發明人之一。

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