已經令人無法捉摸的NAND 快閃記憶體
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2006-06-12 00:00
前言:
以目前變化來看,NAND 快閃記憶體的市場正在持續擴大中,但是在未來是否能夠繼續維持成長,還是將出現停滯的現象?或許在2010年將會是一個分水嶺,這樣的判斷理解是來自於,到目前為止所有業者間的態度與規劃。因為製程細微化所帶來Bit/Cell率增加以及單價下降,是推動NAND 快閃記憶體快速成長最大的原動力,但是,製程細微化不可能永遠繼續下去,所以,在綜合全球NAND 快閃記憶體業者所發布的訊息,可以了解到,到2010年這個時期NAND 快閃記憶體的製程技術將會出現相當大的障礙,使得影響到整個發展的速度與規模。
不過,距離2010年這個時間點尚有3~4年,全球各大快閃記憶體業者無不期望利用這短暫的時間,跨越所能預期的障礙而為2010年以後規模更為龐大的NAND 快閃記憶體做技術開發與準備,相信在2009~2010年之間,各大業者將已有心理準備來面對NAND 快閃記憶體發展以來最惡劣的情況。
因為iPod的效應現象,NAND快閃記憶體規模快速攀昇
根據Gartner的市調資料,2005年全球的半導體市場規模約為2350億美元,比2004年成長了6.9%左右,這個數字已經比半導體有史以來全盛時期2000年的2230億美元還高出120億美元左右。在資料中顯示,這樣大規模的市場值出現應該歸功於可攜式多媒體撥放機的出現,在此之中最具代表性的莫過於蘋果電腦所推出的iPOD。因為可攜式多媒體撥放機的風行直接刺激了NAND快閃記憶體的需求,而這樣的變化,NAND快閃記憶體很明顯地成為全球半導體市場成長推手。
單就NAND快閃記憶體的市場規模來看,2005年便達到了115億美元左右,Gartner預估2006年將會有42%的成長規模,出貨量更比2005年增加186%,就應用市場分布而言,最主要還是來自於快閃記憶卡、可攜式多媒體撥放機等等。不過,這樣的大規模成長,因為前述由於製程的進步所帶來價格下降的刺激,就平均價格而言,2006年的NAND快閃記憶體將會比2005年下跌約50.3%左右,甚至於前三季將會出現短暫的供過於求現象,引發第三季價格快速下跌。因此,iSuppli在2006年3月底便修正了2006年全球NAND快閃記憶體市場規模的預估,這份分析報告將NAND快閃記憶體市場規模,從原本的160億美元降低到138億美元,而這中間所減少的22億美元,便是來自於NAND快閃記憶體價格下跌。
原先iSuppli預測全球NAND快閃記憶體2006年市場規模為160億美元,這個預估值比2005年的107億美元,成長了約49%左右,但是新的報告中,顯示或許2006年只能成長28%。原因就是沒想到NAND快閃記憶體的價格下滑的如此快速。DRAMeXchange的觀察,從2006年初以來,2Gbit與4Gbit NAND快閃記憶體的價格已經下跌63%,價格瞬間下跌63%這是多麼可怕的一個數字。
不過,雖然是如此,相信應該不會影響到NAND快閃記憶體整體的平均毛利率,因為製程又不斷的進步,即使價格一直處於下跌情況,相信毛利率還是能維持一定的水準。
東芝投入5000億日圓擴產NAND快閃記憶體
面對快速成長的NAND快閃記憶體,全球半導體業者無不加速擴充產能來因應接下來,更強勁的市場需求。
根據統計,雖然東芝2005年銷售金額比2004年增加9%,成為達6.3435兆日元,創下紀錄上最高金額,營業利潤增加55%,達2406億日元,這樣的利潤一半來自NAND快閃記憶體。但是,東芝在NAND快閃記憶體營收約為24億美元,這樣的成績還不到三星58億美元的一半。
為了迎頭趕上排名第一的三星電子,積極提高產出能力,已經在2005年計劃投入5000億日圓,在日本三重縣四日市建置第四座半導體廠,新廠的建廠期間約為2年。除此之外,東芝與SanDisk的合作產能也正積極的提昇當中,雙方在2006年初決定追加投資四日市300mm晶圓工廠「Fab3」共計1200億日元,包括東芝的630億日元,SanDisk出資5億美元,計劃將「Fab3」的12吋晶圓產能提高到月產7萬片,並且預計在2006年下半年將製程導由原先的70nm導入52nm。早先,雙方原本在2005年10月已經決定「Fab3」的調升到4.875萬片,但是因為察覺到市場的變化急速後,使得雙方又做了第二次增加產能的決定,再經過第二次的生產設備追加之後,「Fab3」的無塵室面積利用率已經達到70%,未來如果計劃在提高量產能力,勢必需要擴充廠房的面積。
三星電子開發多樣化技術保持領先地位
面對東芝積極擴充產能,全球最大NAND快閃記憶體供應業者韓國三星電子除了彈性的調整展能來因應市場變化之外,並且在技術製程上更是卯盡全力的開發,以期望確保維持全球市場上領先的地位。2006年第一季,三星電子的4Gbit NAND快閃記憶體有強勁的銷售佳績,總位元供貨量比2005年第4季增加了17%,不過因為市場競爭的因素,使得平均單價下跌了25%。
就技術上而言,三星電子在2005年年底提出了幾項未來將面對的極限,包括了,Physical Scaling、Electrical Scaling、Capacity Coupling等,尤其在30nm以後的製程技術問題更大,這些極限大多都是出現在Floating Gate上,因為相鄰儲存Cell間的距離越來越近,Floating Gate之間所產生的Capacity Coupling將會影響到當電晶體進行讀取動作時電壓的穩定度,此外,漏電流的增大也是一個令人困擾的問題,或許導入Fin FET以及SONOS結構可以獲得有效的解決,但是,是否能夠因此在良率及成本上都是可被接受的,就必須有待開發。
雖然有這麼多製程上的問題,不過三星還是持續地進行細微化的工作,並且在2005年年中開發成功Cell的面積0.00625μm2,由164億個電晶體組成的16Gbit NAND快閃記憶體,利用50nm製程技術投入量產,為了確保是在50nm製程下量產,三星電子還開發了立體結構的電晶體。從過去的成果來看,三星電子已經相當穩定的維持每6年就將快閃記憶體的儲存容量增加一倍。
除了解決製程細微化的問題,三星電子在技術上也積極的朝向各方面發展。目前已經開始利用70nm製程來量產內建有緩衝RAM的1Gbit OneNAND快閃記憶體。OneNAND快閃記憶體,同時具備NOR的高速讀取以及NAND大容量和高速寫入的特性。過去,OneNAND快閃記憶體的製程一直是利用90nm,但是在導入70nm製程之後,不僅有效縮小晶片面積之外,同時還提昇了部分的特性,包括了,讀取速度提高了60%達到108Mb/秒,這個速度比16.2Mb/秒NAND快閃記憶體快上了6倍左右,而在寫入速度的部分,可以達到9.3Mb/秒左右。
除此之外,三星電子計劃在2007年開始利用矽貫通電極的技術來量產NAND快閃記憶體。因為製程細微化所帶來IC內部繞線延遲,而影響資料傳輸速度,各業者也都積極的投入開發Si貫通電極(Through Silicon Via)的技術。Si貫通電極並不是只有能解決繞線延遲的問題,更能夠達到多晶片封裝。
三星電子利用矽貫通電極技術,層疊了8個2Gbit NAND 快閃記憶體成為16Gbit MCP高度僅有0.56mm,並且減少15%封裝面積和30%的厚度。除了三星電子,包括爾必達、沖電氣、日立都積極的開發這樣的技術應用在快閃記憶體上。
英特爾與美光並肩搶攻NAND 快閃記憶體
不僅僅只東芝正在加緊努力當中,英特爾和美光除了繼續保有NOR快閃記憶體領先之外,也期望在NAND快閃記憶體能夠儘快趕上三星電子。雖然過去英特爾和美光並未涉獵NAND快閃記憶體的研發,不過,因為看好NAND 快閃記憶體的市場潛力,所以在2005年11月,均為手機用NOR快閃記憶體巨頭的英特爾與美光科技共同成立了公司,合資生產NAND 快閃記憶體,雙方合作的基礎是因為考慮到,如過未來快閃記憶體技術由NOR過渡到NAND,而RAM由SRAM過渡到低功率DRAM的話,那麼就會痛失現有手機記憶體的霸主地位。
先前美光是以換股方式買下Lexar,來達到垂直整合策略,雖然美光一直到2004下半才開始佈局NAND快閃記憶體,但是在2005年美光的NAND 快閃記憶體營收快速攀升到2.38億美元,比2004年成長了2875%,不過,這並不是快速竄起的跡象,而是因為在2004年美光在NAND快閃記憶體上,幾乎沒有什麼營收。美光進入NAND快閃記憶體之後,2006年美光開始採取了平衡生產兩種記憶體的策略,準備按計劃提高NAND快閃記憶體比例。
英特爾和美光雙方所合資的公司,目前的計劃是初期先採用美光的製造技術來生產,並且整體重心先以美光為主,事實上英特爾也承認,以今天而言,在NAND快閃記憶體市場上,包括三星電子和東芝等等確實是具有一定的技術優勢性,不過,接下來在面對未來的市場競爭優勢下,英特爾所考慮的是,如何將拿手的NOR快閃記憶體多值技術移植到NAND 快閃記憶體。
ORNAND是Spansion對抗NAND的法寶
在NOR快閃記憶體市場上與Spansion同是競爭對手的英特爾決定進入NAND快閃記憶體市場後,Spansion也開始開發跨入高速寫入能力的快閃記憶體技術。在2003年,由AMD和富士通的快閃記憶體部門合併而成立的Spansion,也由原先所專注的NOR跨足到NAND市場,並且在2005年9月發表了期望與NAND一決高下的新技術ORNAND。
ORNAND是以「MirrorBit」作為基礎架構,利用90nm製程技術開發而成,在寫入讀出速度上,已經可以達到實用性的要求。並且計劃2007年開始採用65nm製程技術量產2bit/Cell的多值Cell 2Gbit ORNAND快閃記憶體。
ORNAND 快閃記憶體的基本架構與NAND快閃記憶體不大相同,是利用在Cell電晶體的源極和漏極形成的SiN膜中儲存電荷,按照「0」與「1」來劃分各個區域保持的電荷,來達到2bit/Cell的多值化。
ORNAND的基礎技術「MirrorBit」具有一個特點:由於單元的平面結構為規則的柵格狀,因此便於提高製程技術。繼2006年3月投入量產的90nm製程技術1Gbit產品之後, 根據Spansion的測試,內建ORNAND快閃記憶體的手機在QVGA品質要求下,可以達到15 Frame/Sec.的拍攝速率。不過在成本上,和採用90nm製程技術生產的1Gbit NAND快閃記憶體相同,但是卻比2Gbit和4Gbit的NAND快閃記憶體要高一些。ORNAND快閃記憶體的優點是,讀取速度高於NAND快閃記憶體,並且Bit誤碼率明顯小於NAND 快閃記憶體,可以達到簡化複雜的電路和軟體,近一步利於降低整個應用系統成本,不過缺點是寫入速度相當或略慢於單Bit/Cell NAND 快閃記憶體。
利用SONOS替代Floating Gate技術
不只英特爾、Spansion利用多值技術來開發NAND 快閃記憶體所需的高集成度,現在還包括了Saifun、旺宏電子、東芝、意法半導體和海力士等業者都競相進入此一技術。Saifun和旺宏電子聯合開發了儲存容量為1Gbit的4Bit/Cell多值技術的快閃記憶體,利用二級寫入演算法來快速而準確控制Cell的臨界值電壓。
4Bit/Cell多值技術的NROM快閃記憶體是以色列Saifun Semiconductors的拿手好戲。4Bit/Cell多值技術的NROM快閃記憶體,是利用4個電壓級別、2個電荷蓄積區域完成2Bit/Cell而實現,Saifun Semiconductors的NROM,是採用SiO2/SiN/SiO2的三層結構的MOS FET閘極絕緣膜,利用SiN膜上接近源極和漏極的位置蓄積電荷,當執行寫入動作時是利用基板向SiN膜注入熱電子,而抹除則是利用基板向SiN膜注入熱電洞來完成動作。
而東芝和SanDisk則是共同開發8Gbit多值NAND快閃記憶體,利用56nm製程將Cell面積縮小為0.0075μm2,而晶片面積成為99mm2,並且寫入速度可以達到10Mb/秒。
多值技術不斷地被接連發表出來,最大的原因之一是越來越多的人認為,SONOS本來是期望來作為NOR的替代技術,但是目前看起來似乎成為NAND 快閃記憶體Floating Gate的替代技術是比較適當的。由於SONOS是在SiN膜上蓄積電荷,讓電荷儲存在不同的位置而增加了每個單元的Bit數。例如在2Bit/Cell多值化時,Floating Gate需要將電壓分為4個等級,而SONOS只需設置2個電壓級別,將電荷儲存在兩個不同的位置就可以了,也就比較容易確保多值化時,必需要解決的寫入/讀出的動作餘量。不過,還是有部分的人相信這仍舊存在一定的困難度,理由是 SONOS的寫入速度太低了。 因為,SONOS並不是採用Floating Gate的FN隧道方式,而是利用熱載流子的注入來達到寫入的目的,所以事實上,每次可寫入的bit都相對於Floating Gate較小,這也影響到整體的寫入速度,目前,SONOS型的寫入速度約為1Mb/秒左右。
成也蕭何 敗也蕭何
雖然看好NAND快閃記憶體的市場潛力,但是不斷下挫的價格卻令業者暗自擔憂。最明顯的現象是蘋果電腦已經告訴消費者,未來iPod將會朝向降價和大容量化發展,這對於快閃記憶體業者來說,絕對不會是一件好消息,因為,降價+大容量化的背後就是NAND快閃記憶體必須要調降價格。可以發現,蘋果電腦在2005年2月推出了512MB和1GB 的iPod shuffle之後,因為iPod的容量不斷的擴大,加上出貨量也急速增長,雖然讓業者看到了NAND快閃記憶體市場機會,但是卻引發NAND快閃記憶體的價格下滑。
唯一能在價格不斷下滑的情況下,繼續維持利潤平衡點就是出貨量的增加,所以快閃記憶體相當期望蘋果電腦不斷的擴充iPod的內置儲存容,將內建快閃記憶體容量提高6GB甚至於高,但是,2006年2月所上市的iPod nano卻無情的敲碎這樣的夢想,因為iPod nano只有內建1GB的快閃記憶體,這又是不是代表著「有2GB的快閃記憶體就足夠了」。
更糟糕的是,蘋果電腦居然開始有減產iPod的動作,這無疑是雪上加霜,在較早之前,無論是面對市場的淡旺季,蘋果電腦從不曾出現減產iPod的計劃,當蘋果電腦開始面臨需要靠減產來降低庫存風險時,就代表著,iPod已經回歸線時的市場面了,而所曾經創造出的iPod熱潮也開始漸漸退卻。
「iPod的減產+有2GB的快閃記憶體就足夠了」讓快閃記憶體業者的心都涼了一大半。
價格天秤下的獲利平衡心態
因為,先前的DRAM價格出現下滑,DRAM業者已經準備降低DRAM產能,轉產利潤較高且市場規模預期較大的NAND快閃記憶體,但是,整個NAND快閃記憶體的戲劇性市場變化,太出乎意料之外了,甚至於出現NAND快閃記憶體供應過剩的情況,導致NAND 快閃記憶體的價格全面下滑。當然因為這樣的發展,受益了DDR2 DRAM的市場,從2006年1月開始,可以感受到DDR2 DRAM記憶體價格已經正在逐漸回溫。
這點可以發現,在未來,NAND 快閃記憶體和DRAM記憶體之間,已經開始存在密切的價格波動關係。因為NAND快閃記憶體的STACK CELL與DRAM製程有相通的地方,所以就設備而言,在生產轉換上並不是太困難,使用同一設備就可以處理NAND快閃記憶體或DRAM的STACK CELL製程部分。
面對市場供需平衡的狀態下,彈性的調整NAND快閃記憶體和DRAM,就成了維持記憶體事業高獲利的不二法門。例如,目前在DRAM和快閃記憶體,全球市場佔有率最高的是三星電子和海力士半導體,可以利用相同的生產線生產兩種記憶體。
但是,一旦過度調節就會引爆NAND快閃記憶體和DRAM的價格風波,就像2006年第一季的DRAM和NAND快閃記憶體所出現的價格波動,原因就在於是三星電子和海力士半導體期望提高DRAM的價格,而採取的產能調節策略,降低DRAM比重,轉產需求較高的NAND快閃記憶體,加上市場需求不如預期而導致出現NAND快閃記憶體過度供給的現象。
所以,2006年在第一季,這些業者又開始採取相應對的策略,美光科技準備提高NAND快閃記憶體比例、海力士半導體也在有所控制之下提高NAND快閃記憶體產能、而三星電子卻縮小NAND快閃記憶體比例轉向增產DRAM。如此一來,或許可以減輕市場上DRAM的價格壓力。
不過,NAND快閃記憶體市場需求與獲利空間已經出現壓迫的現象,這樣的結果是不是會因發海力士半導體與美光又回頭調高DRAM比例,當然,如果NAND快閃記憶體獲利空間一直無法起色的話,這是必定出現的情況,那麼到時候,DRAM將又會出現價格暴跌的情況了。