Pamięci 3D NAND - perspektywy i wyzwania

Głównym powodem napędzającym rozwój nowych konstrukcji pamięci NAND było osiągnięcie granic możliwości tradycyjnej technologii planarnej. Co prawda próbowano je jeszcze przekraczać dzięki technologii MLC (Multi Level Cell), która umożliwia zmieszczenie w pojedynczej komórce pamięci dwóch, a nawet większej liczby bitów danych, jednak rezultaty okazywały się nie do końca zadowalające. W tym przypadku bowiem zwiększenie gęstości upakowania danych oraz poprawę stosunku ceny pamięci do jej pojemności uzyskiwano kosztem szybkości oraz niezawodności w dostępie do informacji i trwałości zapisu danych.

Od 2D do 3D

Dlatego zaczęto szukać innego rozwiązania. Konstruktorzy pamięci NAND doszli ostatecznie do wniosku, że jeśli zaczyna brakować miejsca w poziomie, należy go poszukać w pionie. Wzorowali się w tym zakresie na swoich kolegach architektach, którzy mierząc się z podobnym problemem w aglomeracjach miejskich o dużej gęstości zaludnienia, projektują drapacze chmur.

W technologii pamięci NAND nastąpiło zatem przejście z 2D w 3D. W praktyce realizuje się to, układając wiele warstw komórek pamięci, jedną na drugiej.

Rys. 1. Cena 1 GB pamięci wykonanych w technologii 2D i 3D NAND

Dzięki temu na tej samej powierzchni można ich zmieścić znacznie więcej. Uzyskuje się zatem większą gęstość upakowania danych i poprawę stosunku ceny do pojemności w porównaniu do pamięci wykonanych w technologii planarnej. Jednocześnie nie jest konieczne zmniejszanie rozmiarów pojedynczej komórki do poziomu trudnego do wykonania z powodu ograniczonej rozdzielczości litografii, przy którym dodatkowo przestają obowiązywać prawa fizyki klasycznej, przez co wiarygodność i trwałość zapisu danych stałby pod znakiem zapytania.

Zalety pamięci 3D NAND

Porównania gęstości upakowania danych i stosunku ceny do pojemności w przypadku technologii 2D i 3D dokonali m.in. analitycy Objective Analysis, zestawiając pamięci NAND o pojemności 128 Gb wyprodukowane w technologii planarnej 16 nm, z 32-warstwowymi pamięciami o pojemności 384 Gb wykonanymi w technologii TLC 3D NAND.

Według Objective Analysis w tradycyjnej technologii planarnej w cenie 1200 dol. można wyprodukować pamięci o pojemności 5,6 TB. W przeliczeniu na gigabajt danych daje to koszt 0,21 dol. W technologii 3D natomiast w cenie 2000 dol. można wyprodukować pamięci o pojemności 17,2 TB. W przeliczeniu na gigabajt danych uzyskujemy zatem niższy koszt, wynoszący 0,12 dol.

Pamięci 3D NAND przewyższają również te wyprodukowane w technologii planarnej pod względem szybkości i niezawodności w dostępie do danych.

Warto przy tym zaznaczyć, że powyższe przeliczenia i stwierdzenia mają charakter uogólniony. W rzeczywistości można wskazać przykłady konkretnych modeli pamięci, które je podważają. Wszystko zależy od konkretnej technologii i w ogromnym stopniu od producenta.

Wyjątki od reguły

Chociaż pamięci 3D NAND powinny być o około 30-40% tańsze niż te wykonane w technologii planarnej, to na przykład dyski SSD MX300 firmy Micron, wykonane w technologii TLC 3D NAND, zbudowane z 32 warstw, są droższe niż dyski SSD PLUS firmy SanDisk wykonane w technologii planarnej, MLC, 19 nm. Z drugiej jednak strony te pierwsze są rzeczywiście o około 30% tańsze od dysków SSD MX200, również wyprodukowanych przez firmę Micron, ale w technologii planarnej MLC 16 nm.

Podobnie jest w przypadku niezawodności. Na przykład pamięci TLC 3D NAND przewyższają pod tym względem pamięci planarne TLC. Z drugiej jednak strony te pierwsze są mniej niezawodne niż pamięci w technologii planarnej MLC. Na przykład w takim zestawieniu gorzej wypadają dyski SSD MX300 w porównaniu do dysków SSD MX200.

Produkcja się komplikuje

Pierwsze pamięci NAND wyprodukowane w technologii 3D wprowadzono na rynek w 2013 roku. Dokonała tego firma Samsung. Obecnie w sprzedaży dostępne są pamięci składające się z 32 i 48 warstw komórek, natomiast produkowane są już także pamięci zbudowane z 64 i 72 warstw. Jeżeli chodzi o przyszłość, to prace badawcze nad rozwojem technologii produkcji pamięci z 96 oraz 128 warstwami komórek już się rozpoczęły.

Wraz ze wzrostem liczby warstw zwiększa się też gęstość upakowania danych. Jednocześnie jednak rośnie stopień skomplikowania ich wytwarzania, co branża wyraźnie odczuła, kiedy przestawiała się z produkcji pamięci 3D NAND 32- i 48-warstwowych, na wytwarzanie pamięci zbudowanych z 64 i 72 warstw komórek. Niestety oba wzrosty nie są jednakowe.

Gęstość upakowania danych w pamięciach 3D NAND co prawda znacznie wzrosła w porównaniu do pamięci wyprodukowanych w technologii planarnej, jednak w przypadku przejścia ze struktur 32- i 48 warstwowych, na te 64- i 72-warstwowe wzrost ten był już mniejszy. Tego samego nie można jednak powiedzieć o stopniu skomplikowania ich produkcji, który wzrósł niestety porównywalnie.

Co oznacza HAR?

W technologii planarnej procesem, który decydował o możliwości zwiększenia gęstości upakowania danych dzięki zmniejszeniu rozmiarów pojedynczych komórek pamięci, była litografia. W produkcji pamięci 3D NAND natomiast w centrum zainteresowania producentów są procesy osadzania kolejnych warstw materiałów i ich wytrawiania.

Powinna je charakteryzować duża precyzja oraz powtarzalność. Wynika to stąd, że pamięci tego typu są strukturami o wysokim współczynniku kształtu (High Aspect Ratio, HAR), co oznacza, że stosunek wysokości do szerokości jest w ich przypadku bardzo duży.

Produkcja pamięci 3D NAND rozpoczyna się od naprzemiennego układania kolejnych warstw w procesie CVD (Chemical Vapor Deposition). Czynność ta jest powtarzana do czasu uzyskania ich wymaganej liczby. Producenci wykorzystują w tym celu różne materiały.

Na przykład pamięci firmy Samsung powstają przez układanie na zmianę warstw azotku krzemu oraz SiO2. W teorii można ich ułożyć nieskończenie wiele, jednak w praktyce im więcej warstw, tym trudniej zapewnić ich jednakową grubość i jednorodność. Na skutek nasilających się naprężeń warstwy ulegają również odkształceniom, wybrzuszając się albo uginając.

Rys. 2. Szkic struktury pamięci NAND Flash w technologii 2D i 3D oraz widok przekroju struktury dla wersji 32-warstwowej

Wyzwania

Jeszcze trudniejszy jest następny etap, którym jest wytrawianie kanałów przechodzących przez wszystkie warstwy, od góry do dołu tej struktury, typowo na głębokość 3 μm lub więcej. Jednocześnie trzeba wykonać nawet kilka milionów takich długich, wąskich wydrążeń.

Na przykład w przypadku pamięci zbudowanych z 32 i 48 warstw ich współczynnik kształtu wynosi 40:1, zaś w pamięciach z 64 warstwami - 60:1. Dla porównania największy współczynnik kształtu wymagany do uzyskania w pamięciach NAND wykonanych w technologii planarnej jest zwykle mniejszy niż 15:1.

Ponadto kanały powinny być prowadzone równoległe do siebie i na całej długości muszą mieć jednakową średnicę. Spełnienie jednocześnie tych wszystkich warunków jest bardzo trudne. W związku z tym występują różne defekty.

Na przykład nie udaje się wytrawić ich na całej wymaganej głębokości (nie sięgają dna struktury), na niektórych odcinkach są szersze albo węższe niż na innych i nie są prowadzone prostopadle do podstawy, na przykład w końcowym odcinku się wypaczają. Wszelkie tego typu niedoskonałości są groźne, ponieważ mogą m.in. powodować zwarcia i wzajemne zakłócanie się sąsiadujących komórek pamięci.

Wyjście awaryjne

W przypadku kolejnych generacji pamięci 3D NAND problem z wykonywaniem struktur o coraz większym współczynniki kształtu będzie narastał. Przy 96 i 128 warstwach kanały trzeba będzie bowiem drążyć na głębokość 6 i więcej mikrometrów. Niektórzy przewidują, że wtedy zostanie osiągnięty kres możliwości technik produkcji, jakie aktualnie mamy do dyspozycji.

Rozwiązaniem awaryjnym może być wykonywanie oddzielnych, na przykład 64-warstwowych struktur, a potem ich łączenie w celu uzyskania struktur zbudowanych przykładowo ze 128 warstw. Minusem takiego podejścia będzie konieczność powtarzania dwukrotnie tych samych operacji w celu zbudowania jednego układu, co z pewnością negatywnie odbije się na wydajności produkcji oraz na cenie pamięci.

W kolejnym kroku wykonywana jest bramka, a następnie połączenia pomiędzy poszczególnymi komórkami pamięci w obrębie warstwy. Na tych etapach także kluczowe znaczenie mają procesy osadzania kolejnych warstw materiałów i wytrawiania w nich struktur o dużym współczynniku kształtu.

Rosną wydatki na sprzęt

Według Apllied Materials rok temu całkowita zainstalowana moc produkcyjna pamięci 3D NAND na świecie mieściła się w przedziale od 350 do 400 tys. wspm (wafer starts per month). Przewiduje się, że do końca 2017 roku zwiększy się ona do co najmniej 500 tys. wpsm, a być może nawet osiągnie poziom 700 tys. wpsm.

Przestawienie się z technologii produkcji w 2D na 3D pociąga za sobą znaczący wzrost wydatków kapitałowych. Pacific Crest Securities przewiduje, że te całkowite, jakie producenci pamięci Flash zamierzają ponieść w 2017 roku, przekroczą 23 mld dol. Oznaczać to będzie wzrost aż o 24% w porównaniu do wartości środków przeznaczonych na zwiększenie potencjału produkcyjnego w 2016 roku.

Co warte podkreślenia, będzie on nawet większy niż wzrost wydatków kapitałowych, jakie w 2017 planuje ponieść cała branża półprzewodnikowa. Jak przewiduje Pacific Crest Securities, wyniosą one prawie 77 mld dolarów, będą zatem o 15% większe niż rok temu.

Sytuację tę najlepiej podsumowali analitycy z Lam Research. Stwierdzili oni mianowicie, że wydatki kapitałowe w segmencie pamięci 3D NAND mogą się okazać główną siłą napędową dla całego rynku sprzętu do produkcji półprzewodników.

Monika Jaworowska