編者按：NAND是非揮發性記憶體的一種，由於NAND擁有在斷電的情況下保存資料的特性，因此被用做Pen Drive、Flash Card 和SSD來儲存資料。然而，隨著人們需求的不斷增加，受到儲存器的面積限制，平面的2D-NAND容量已達到其開發的極限，利用2D-NAND已很難在SSD容量上持續擴張，於是，3D-NAND應運而生。在 3D-NAND 中，多層的記憶儲存格垂直堆疊，層間互連。垂直堆疊多層的記憶儲存格，可以用較小的空間來建立更大的儲存容量，並透過縮短每個記憶儲存格的連接，提升效能。與 2D-NAND 相比，它也降低了每個位元的成本。本文介紹一款由台灣新創公司漢薩科技自行研發的立體堆疊技術的快閃記憶體FanFET 3D-NAND Flash，是GAA （Gate-All-Around）結構外的另一種選擇。

圖片來源 : shutterstock、達志影像

3D快閃記憶體(3D-NAND Flash)是一款在晶圓廠使用立體堆疊技術製造出的快閃記憶體晶片，廣泛應用於記憶卡、行動裝置、3C電子，和雲端儲存系統。目前全球的快閃記憶體製造商皆以環繞式閘極(Gate-All-Around，GAA) 的技術為主，全球快閃記憶體四大晶片製造商分別是日本的鎧俠( Kioxia，包括西方數位WDC、晟碟 San Disk)、美國的美光(Micron，包括Intel)、南韓的三星(Samsung)，和海力士(SK Hynix)，總市佔率約為 99%。3D快閃記憶體於2020年全球營收大約是550億美金，平均年複合成長率(CAGR)為9%。

本文介紹的立體堆疊技術的快閃記憶體FanFET 3D-NAND Flash具有高容量密度、製程模組化、開發成本低的特點，並且使用 DUV 黃光機台即可完成奈米級的創新半導體技術。在深入介紹FanFET 3D-NAND Flash的概要和與 GAA 的相關評比前，先簡介目前主流的 GAA 電晶體並引入與鰭式電晶體電晶體 (FinFET) 技術的關係，接著說明 GAA的3D-NAND Flash技術。.

GAA 與FinFET

目前全球晶圓大廠的電晶體技術競賽幾乎聚焦在 5nm~3nm 鰭式電晶體(FinFET) 或是 3nm~2nm 環繞式閘極 (GAA) 的製程，而半導體界的巨人台積電 (TSMC)、三星 (Samsung)、英特爾 (intel)和萬國機器 (IBM)將在未來電晶體盟主的擂台爭戰中，摩拳擦掌、精銳盡出，爭取成為最後大贏家的機會。目前主流的邏輯產品為5nm FinFET，未來5nm以下的FinFET結構將「進化」成GAA結構，電流是水平的。現今主流的快閃記憶體產品3D-NAND Flash的3D結構為GAA，但電流是垂直式的。嚴格來說，GAA可做為是垂直電流3D-NAND Flash，或是做為水平電流的邏輯產品 (此技術或稱為GAAFET、MBCFET、CFET)，但記憶體與邏輯產品的製程整合與流程迥然不同。本文的GAA技術描述以垂直電流的 3D-NAND Flash快閃記憶體為主。圖1 為全球記憶體的種類和年複合成長率，主流的記憶體DRAM和NAND佔全部記憶體約95%左右。

圖1. 全球記憶體各類別的市佔率和年複合成長率：主流記憶體DRAM和NAND佔全部記憶體市場約95%左右

資料來源：Yole Development；July,2020

GAA 的 3D-NAND Flash 技術

現在回到立體結構的快閃記憶體 3D-NAND Flash。圖2(a)是單一GAA電晶體的外觀、座標與端點；圖2(b)是顯示其單位面積的大小 (特徵尺度) 為2F*2F=4F²，F為奈米節點技術，特徵尺度的單位面積愈大，則填入記憶體晶片的整體容量密度愈小。圖2(c)的俯視圖是圓柱形結構(若包括絕緣層則為正方體結構)，由於黃光曝光均勻度的關係，串列的記憶體晶胞則以行的正方形交錯排列結構呈現。以目前GAA 4F²為例，F大約是220～240 nm，因此，在100mm²的晶片面積，144層的堆疊中，大約可製造完成57.6Gb的容量密度，相當於在成人的小指指甲上儲存576億顆電晶體。

圖2(a). GAA 電晶體的結構、座標與端點 (左)　圖2(b). GAA單位面積的特徵尺度(Feature Size)，2F*2F = 4F² (右)
　　　
資料來源：漢薩科技製作，2021年3月

圖2(c).  GAA 3D-NAND Flash圓柱形串列結構俯視圖

資料來源：漢薩科技製作，2021年3月

記憶體儲存的訊號判斷，以儲存電荷的有或無，以及電荷的多寡而定。應用在快閃記憶體的 GAA電晶體具有兩種不同的主材料結構，一種是加入多晶矽 (Poly-Si) 材料的浮動閘 (Floating Gate，FG) 結構的快閃記憶體，電荷儲存在具有導體性質的多晶矽材料的表面，另一種是加入氮化矽 (SiN)材料的電荷捕捉 (Charge Trapping，CT) 結構的快閃記憶體。電荷儲存在於具有絕緣體性質的氮化矽材料的裡面。為了符合產品規格的要求，包括儲存電荷的多寡、有效偏壓、多晶矽或氮化矽的厚度變化，以及儲存電荷信賴度的問題，目前似乎以氮化矽為主的技術較為穩定；由於氮化矽的厚度比多晶矽薄，因此可完成更多單位面積的晶胞數目.

由於GAA的3D-NAND Flash結構是多層堆積而成的，且GAA是垂直電流，所以GAA的 3D-NAND Flash可以堆疊成為立體結構。至於應用在邏輯產品、且具有水平電流的GAA是無法堆疊的，其閘極結構的疊層只是並聯通道的寬度，增加通道寬度的長度，亦即增加汲極電流，卻無法在電晶體之間堆疊。因此，無論是FinFET或是GAA在邏輯產品應用上的電晶體結構，只能是2D的加強版。

由於GAA的孔洞為其記憶晶胞的位置，因此GAA是封閉式的結構。為了完成電晶體的閘極與通道寬度的結構，縮小節點技術中的通道寬度會限制電晶體薄膜 (或是氧化製程) 的縱向填充能力，因此，GAA只能透過增加堆疊的層數來補償容量變大但增幅變小的本質性問題。

GAA電晶體的通道長度是由沉積 (或是氧化製程) 的厚度來定義的，所以GAA 是垂直電流。因此，目前的技術藍圖即以堆疊的層數做為技術演進的主要參數，例如48層～176層，目前以 DUV 等級的黃光機台即可完成圖案的轉移與相關的製程。記憶體的製程在晶圓廠是一門高深的技術，結合不同的製程與設備儀器，繁雜且多元，製程可高達500～600道工序，由於目前的記憶體是立體堆疊，因此製程將更為繁瑣與複雜。所幸我們仍可以模組化的角度來設計，並透過GAA 3D-NAND Flash的結構分析，將製程標準化。GAA 3D-NAND Flash製程整合大略可歸納為多層薄膜堆疊、GAA的光罩轉移與晶胞的製程整合、適當的隔絕層的尺寸與建置、中段製程：位元線、字元線，最後是後段金屬層等製程模組化流程。

FanFET3D-NAND Flash  vs. GAA 3D-NAND Flash：
體積 性能 的新選擇

FanFET單一電晶體的結構不同於近似甜甜圈的 GAA 外型 (參考圖2(a))，而是類似扇型的結構，端點與座標如圖3(a)。因其特有的外型，故被稱為扇型場效電晶體 (Fan type Field Effect Transistor, FanFET)。此電晶體結構的特性是以六角最密排列為出發點，不同於GAA以Z軸為對稱軸的結構，FanFET以Y軸為對稱軸。相較於GAA的特徵尺度4F²，FanFET的是 2F²。圖3(b)為示FanFET單位面積的特徵尺度(Feature Size) 示意圖，顯示在單位面積的晶胞數，FanFET是GAA密度的兩倍。從圖3(c)的FanFET 3D-NAND Flash串列的俯視圖可見，FanFET的NAND 記憶體串列的方式是晶胞以行互相交錯排列，然後行與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記憶體串列具有黃金比例的特點。

圖3(a) FanFET電晶體的扇型的結構、座標與端點（左）；圖3(b) FanFET單位面積的特徵尺度，2F*2F/2 = 2F²　(右)
　　　
資料來源：漢薩科技製作，2021年3月

圖3(c) FanFET 3D-NAND Flash 串列結構俯視圖：記憶體串列的排列方式是晶胞以行互相交錯排列，
然後行與行互相平行或是互相反平行成列而成

資料來源：漢薩科技製作，2021年3月

至於FanFET的3D-NANDFlash結構皆可使用浮動閘或電荷捕捉的材料，端看產品的應用、設計、與製程而定。

記憶體密度的大小，取決於奈米節點技術大小、晶胞面積的大小、記憶體晶胞的結構，和堆疊層數的多寡等因素；密度愈大者、則儲存資料愈多。由於FanFET的密度是GAA的兩倍，因此在相同的節點技術、相同的堆疊層數下，根據以上的計算，FanFET預估的容量密度可達115.2Gb，即在成人的小指指甲上，可儲存1,152億顆電晶體，此密度大約是2019 年底Apple發表的7nm A13 CPU電晶體密度的10倍左右。一片FanFET記憶體晶片(20nm節點技術，堆疊176層)可存35分鐘4K的影片，一片小小的記憶卡將可存儲 2～4小時以上的4K影片。

相較於GAA的製程與架構，FanFET 3D-NAND Flash為六角最密堆積、符合元件與製程的設計規則、記憶體反及閘電路的排列、製程模組化和立體堆疊製程，製程可系統性地歸納為多層薄膜堆疊、適當的隔絕層的尺寸與建置、FanFET的光罩圖案轉移與晶胞的製程整合；中段製程：位元線、字元線；最後是後段金屬層等製程模組化工序。再則，GAA和FanFET的3D-NAND Flash 皆可透過薄膜堆疊數目、薄膜堆疊厚度變化、疊層與疊層的連結、或結合邏輯產品形成4D-IC，可完成多樣性的產品類別與應用。

由於FanFET的架構是開放式的，因此電晶體的製程不受薄膜 (或是氧化製程) 填入製程的物理極限所限制。同樣的，使用 DUV黃光機台即可滿足圖案的曝光與轉移，亦即FanFET的節點技術藍圖可從120nm微縮至2nm (此為通道寬度的直徑)。而GAA的晶胞孔洞是封閉式的，據估計其薄膜填入的物理極限大約直徑為50 nm (此為通道寬度的直徑)。因此，可以說，FanFET的創新結構具有延伸型的摩爾定律 ( extended Moore's law) 的開發潛力。詳細技術及FanFET在各參數上之性能表現細節請參考表1「FanFET與GAA在記憶體與邏輯產品之評比」。

表1: FanFET與GAA在記憶體與邏輯產品之評比及性能表現

資料來源：漢薩科技製作，2021年3月

小結

FanFET為一新創的3D的電晶體結構，是具有垂直電流、高密度、簡單可堆疊等創新特性的 3D-NAND Flash應用；由於以DUV黃光機台即可完成節點技術的製程，因此在研發與量產過程的成本控制上，只須投入極少量的資本支出。再者，記憶體為半導體晶片之母，可搭配高容量的記憶卡、SSD、嵌入式系統(Embedded System)、記憶體內運算(Computing in Memory)、雲端系統、機器人、自駕車、人工智慧、物聯網、資料中心，在未來高速度、高流量的智慧整合及更加輕薄短小的特質上，發揮其高性能表現，符合市場上海量儲存密度的需求。

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