编者按：NAND是非挥发性内存的一种，由于NAND拥有在断电的情况下保存数据的特性，因此被用做Pen Drive、Flash Card 和SSD来储存数据。然而，随着人们需求的不断增加，受到储存器的面积限制，平面的2D-NAND容量已达到其开发的极限，利用2D-NAND已很难在SSD容量上持续扩张，于是，3D-NAND应运而生。在 3D-NAND 中，多层的记忆单元格垂直堆栈，层间互连。垂直堆栈多层的记忆单元格，可以用较小的空间来建立更大的储存容量，并透过缩短每个记忆单元格的连接，提升效能。
与 2D-NAND 相比，它也降低了每个位的成本。本文介绍一款由台湾新创公司汉萨科技自行研发的立体堆栈技术的闪存FanFET 3D-NAND Flash，是GAA （Gate-All-Around）结构外的另一种选择。

图片来源 : shutterstock、达志影像

3D闪存(3D-NAND Flash)是一款在晶圆厂使用立体堆栈技术制造出的闪存芯片，广泛应用于记忆卡、行动装置、3C电子，和云端储存系统。目前全球的闪存制造商皆以环绕式闸极(Gate-All-Around，GAA) 的技术为主，全球闪存四大芯片制造商分别是日本的铠侠( Kioxia，包括西方数字WDC、晟碟 San Disk)、美国的美光(Micron，包括Intel)、南韩的三星(Samsung)，和海力士(SK Hynix)，总市占率约为 99%。3D闪存于2020年全球营收大约是550亿美金，平均年复合成长率(CAGR)为9%。

本文介绍的立体堆栈技术的闪存FanFET 3D-NAND Flash具有高容量密度、制程模块化、开发成本低的特点，并且使用 DUV 黄光机台即可完成奈米级的创新半导体技术。在深入介绍FanFET 3D-NAND Flash的概要和与 GAA 的相关评比前，先简介目前主流的 GAA 晶体管并引入与鳍式晶体管晶体管 (FinFET) 技术的关系，接着说明 GAA的3D-NAND Flash技术。.

GAA 与FinFET

目前全球晶圆大厂的晶体管技术竞赛几乎聚焦在 5nm~3nm 鳍式晶体管(FinFET) 或是 3nm~2nm 环绕式闸极 (GAA) 的制程，而半导体界的巨人台积电 (TSMC)、三星 (Samsung)、英特尔 (intel)和万国机器 (IBM)将在未来电晶体盟主的擂台争战中，摩拳擦掌、精锐尽出，争取成为最后大赢家的机会。目前主流的逻辑产品为5nm FinFET，未来5nm以下的FinFET结构将「进化」成GAA结构，电流是水平的。现今主流的闪存产品3D-NAND Flash的3D结构为GAA，但电流是垂直式的。严格来说，GAA可做为是垂直电流3D-NAND Flash，或是做为水平电流的逻辑产品 (此技术或称为GAAFET、MBCFET、CFET)，但内存与逻辑产品的制程整合与流程迥然不同。本文的GAA技术描述以垂直电流的 3D-NAND Flash闪存为主。图1 为全球内存的种类和年复合成长率，主流的内存DRAM和NAND占全部内存约95%左右。

图1. 全球内存各类别的市占率和年复合成长率：主流内存DRAM和NAND占全部内存市场约95%左右

数据源：Yole Development；July,2020

GAA 的 3D-NAND Flash 技术

现在回到立体结构的闪存 3D-NAND Flash。图2(a)是单一GAA晶体管的外观、坐标与端点；图2(b)是显示其单位面积的大小 (特征尺度) 为2F*2F=4F²，F为奈米节点技术，特征尺度的单位面积愈大，则填入内存芯片的整体容量密度愈小。图2(c)的俯视图是圆柱形结构(若包括绝缘层则为正方体结构)，由于黄光曝光均匀度的关系，串行的内存晶胞则以行的正方形交错排列结构呈现。以目前GAA 4F²为例，F大约是220～240 nm，因此，在100mm²的芯片面积，144层的堆栈中，大约可制造完成57.6Gb的容量密度，相当于在成人的小指指甲上储存576亿颗晶体管。

图2(a). GAA 晶体管的结构、坐标与端点 (左)　图2(b). GAA单位面积的特征尺度(Feature Size)，2F*2F = 4F² (右)

数据源：汉萨科技制作，2021年3月

图2(c). GAA 3D-NAND Flash圆柱形串行结构俯视图

数据源：汉萨科技制作，2021年3月

内存储存的讯号判断，以储存电荷的有或无，以及电荷的多寡而定。应用在闪存的 GAA晶体管具有两种不同的主材料结构，一种是加入多晶硅 (Poly-Si) 材料的浮动闸 (Floating Gate，FG) 结构的闪存，电荷储存在具有导体性质的多晶硅材料的表面，另一种是加入氮化硅 (SiN)材料的电荷捕捉 (Charge Trapping，CT) 结构的闪存。电荷储存在于具有绝缘体性质的氮化硅材料的里面。为了符合产品规格的要求，包括储存电荷的多寡、有效偏压、多晶硅或氮化硅的厚度变化，以及储存电荷信赖度的问题，目前似乎以氮化硅为主的技术较为稳定；由于氮化硅的厚度比多晶硅薄，因此可完成更多单位面积的晶胞数目.

由于GAA的3D-NAND Flash结构是多层堆积而成的，且GAA是垂直电流，所以GAA的 3D-NAND Flash可以堆栈成为立体结构。至于应用在逻辑产品、且具有水平电流的GAA是无法堆栈的，其闸极结构的迭层只是并联信道的宽度，增加信道宽度的长度，亦即增加汲极电流，却无法在晶体管之间堆栈。因此，无论是FinFET或是GAA在逻辑产品应用上的晶体管结构，只能是2D的加强版。

由于GAA的孔洞为其记忆晶胞的位置，因此GAA是封闭式的结构。为了完成晶体管的闸极与信道宽度的结构，缩小节点技术中的通道宽度会限制晶体管薄膜 (或是氧化制程) 的纵向填充能力，因此，GAA只能透过增加堆栈的层数来补偿容量变大但增幅变小的本质性问题。

GAA晶体管的通道长度是由沉积 (或是氧化制程) 的厚度来定义的，所以GAA 是垂直电流。因此，目前的技术蓝图即以堆栈的层数做为技术演进的主要参数，例如48层～176层，目前以 DUV 等级的黄光机台即可完成图案的转移与相关的制程。内存的制程在晶圆厂是一门高深的技术，结合不同的制程与设备仪器，繁杂且多元，制程可高达500～600道工序，由于目前的内存是立体堆栈，因此制程将更为繁琐与复杂。所幸我们仍可以模块化的角度来设计，并透过GAA 3D-NAND Flash的结构分析，将制程标准化。GAA 3D-NAND Flash制程整合大略可归纳为多层薄膜堆栈、GAA的光罩转移与晶胞的制程整合、适当的隔绝层的尺寸与建置、中段制程：位线、字符线，最后是后段金属层等制程模块化流程。

FanFET3D-NAND Flash vs. GAA 3D-NAND Flash：
体积 性能 的新选择

FanFET单一晶体管的结构不同于近似甜甜圈的 GAA 外型 (参考图2(a))，而是类似扇型的结构，端点与坐标如图3(a)。因其特有的外型，故被称为扇型场效晶体管 (Fan type Field Effect Transistor, FanFET)。此晶体管结构的特性是以六角最密排列为出发点，不同于GAA以Z轴为对称轴的结构，FanFET以Y轴为对称轴。相较于GAA的特征尺度4F²，FanFET的是 2F²。图3(b)为示FanFET单位面积的特征尺度　(Feature Size)　示意图，显示在单位面积的晶胞数，FanFET是GAA密度的两倍。从图3(c)的FanFET 3D-NAND Flash串行的俯视图可见，FanFET的NAND 内存串行的方式是晶胞以行互相交错排列，然后行与行互相平行或是互相反平行成列而成，而形成的六角最密排列的 3D-NAND Flash内存串行具有黄金比例的特点。

图3(a) FanFET晶体管的扇型的结构、坐标与端点（左）；图3(b) FanFET单位面积的特征尺度，2F*2F/2 = 2F²　(右)
　　　
数据源：汉萨科技制作，2021年3月

图3(c) FanFET 3D-NAND Flash 串行结构俯视图：内存串行的排列方式是晶胞以行互相交错排列，然后行与行互相平行或是互相反平行成列而成

数据源：汉萨科技制作，2021年3月

至于FanFET的3D-NANDFlash结构皆可使用浮动闸或电荷捕捉的材料，端看产品的应用、设计、与制程而定。

内存密度的大小，取决于奈米节点技术大小、晶胞面积的大小、内存晶胞的结构，和堆栈层数的多寡等因素；密度愈大者、则储存数据愈多。由于FanFET的密度是GAA的两倍，因此在相同的节点技术、相同的堆栈层数下，根据以上的计算，FanFET预估的容量密度可达115.2Gb，即在成人的小指指甲上，可储存1,152亿颗晶体管，此密度大约是2019 年底Apple发表的7nm A13 CPU晶体管密度的10倍左右。一片FanFET内存芯片(20nm节点技术，堆栈176层)可存35分钟4K的影片，一片小小的记忆卡将可存储 2～4小时以上的4K影片。

相较于GAA的制程与架构，FanFET 3D-NAND Flash为六角最密堆积、符合组件与制程的设计规则、内存与非门电路的排列、制程模块化和立体堆栈制程，制程可系统性地归纳为多层薄膜堆栈、适当的隔绝层的尺寸与建置、FanFET的光罩图案转移与晶胞的制程整合；中段制程：位线、字符线；最后是后段金属层等制程模块化工序。再则，GAA和FanFET的3D-NAND Flash 皆可透过薄膜堆栈数目、薄膜堆栈厚度变化、迭层与迭层的链接、或结合逻辑产品形成4D-IC，可完成多样性的产品类别与应用。

由于FanFET的架构是开放式的，因此晶体管的制程不受薄膜(或是氧化制程)填入制程的物理极限所限制。同样的，使用 DUV黄光机台即可满足图案的曝光与转移，亦即FanFET的节点技术蓝图可从120nm微缩至2nm (此为通道宽度的直径)。而GAA的晶胞孔洞是封闭式的，据估计其薄膜填入的物理极限大约直径为50 nm (此为通道宽度的直径)。因此，可以说，FanFET的创新结构具有延伸型的摩尔定律 ( extended Moore's law) 的开发潜力。详细技术及FanFET在各参数上之性能表现细节请参考表1「FanFET与GAA在内存与逻辑产品之评比」。

表1: FanFET与GAA在内存与逻辑产品之评比及性能表现

数据源：汉萨科技制作，2021年3月

小结

FanFET为一新创的3D的晶体管结构，是具有垂直电流、高密度、简单可堆栈等创新特性的 3D-NAND Flash应用；由于以DUV黄光机台即可完成节点技术的制程，因此在研发与量产过程的成本控制上，只须投入极少量的资本支出。再者，内存为半导体芯片之母，可搭配高容量的记忆卡、SSD、嵌入式系统(Embedded System)、内存内运算(Computing in Memory)、云端系统、机器人、自驾车、人工智能、物联网、数据中心，在未来高速度、高流量的智能整合及更加轻薄短小的特质上，发挥其高性能表现，符合市场上海量储存密度的需求。

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