3D NAND製造に革新、エッチング速度2倍の新技術でSSD高速化・大容量化に期待

3D NAND型フラッシュメモリの製造プロセスに革新が起ころうとしている。研究者らが開発した新しいプラズマエッチング技術により、製造効率が大幅に向上し、将来的にはSSDやメモリカードなどのストレージデバイスの高速化・大容量化に貢献する可能性がある。

3D NAND製造のボトルネックを解消する新技術

デジタルカメラやスマートフォン、PCに欠かせないNAND型フラッシュメモリ。中でも3D NANDフラッシュメモリは、従来の平面型NANDフラッシュメモリとは異なり、メモリセルを垂直方向に積層することで、限られたスペースにより多くのストレージを詰め込む技術である。このプロセスでは、酸化ケイ素と窒化ケイ素の層を交互に重ね、その層に深く正確な穴を彫る必要がある。従来、このエッチング工程は時間を要するプロセスであった。

Lam Research、コロラド大学ボルダー校、および米国エネルギー省プリンストンプラズマ物理学研究所（PPPL）の研究チームは、この課題を解決する新しいプラズマベースの技術を開発した。『Journal of Vacuum Science & Technology A』誌に掲載された論文によると、この技術は、3D NANDメモリに必要な深く狭い穴を、従来よりもはるかに高速にエッチングすることができるという。

フッ化水素プラズマによる低温エッチングで効率向上

研究チームのアプローチは、従来の方法とは異なり、フッ化水素プラズマを用いた低温エッチングプロセスを採用している。

Lam ResearchのThorsten Lill氏は、「フッ化水素プラズマを用いた低温エッチングは、従来のフッ素と水素を別々のソースとして使用する低温エッチングプロセスと比較して、エッチング速度を大幅に向上させました」と述べている。この新しい方法を用いると、層のエッチング速度は毎分310ナノメートルから640ナノメートルへと、2倍以上に向上した。

「エッチングの質も向上しているようで、これは重要なことです」とLill氏は付け加えている。

研究者らは、三フッ化リンの影響についても調査した。この物質をプロセス中に添加すると、二酸化ケイ素のエッチング速度が4倍になったが、窒化ケイ素層への影響はわずかであった。また、窒化ケイ素がフッ化水素と反応する際に形成されるフッ化ケイ素酸アンモニウムについても調査した。この物質はエッチングプロセスを遅らせるが、水を加えることでこの影響を打ち消すことができることが判明した。

実用化への課題と今後の展望

PPPLの主任研究物理学者であるIgor Kaganovich氏は、「AIの利用によりデータストレージのニーズが増大する中、メモリの密度を高めることはますます重要になります」と述べている。

この技術革新は、3D NANDフラッシュメモリの製造工程を効率化し、生産速度を加速する可能性がある。しかし、この技術が消費者が手にするSSDやメモリカードの低価格化や大容量化に直接的に結びつくかは、まだ不透明だ。

PPPLの主任研究員であるIgor Kaganovich氏は「NANDフラッシュメモリは、デジタルカメラのメモリカードやUSBメモリ、コンピュータや携帯電話にも使われている、ほとんどの人々に馴染みのあるものです。人工知能の利用拡大によりデータストレージの需要が増大していく中で、メモリの密度をさらに高くし、より多くのデータを同じフットプリントに詰め込めるようにすることは、ますます重要になるでしょう」と指摘している。

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論文

• Journal of Vacuum Science & Technology A: Low-temperature etching of silicon oxide and silicon nitride with hydrogen fluoride 

参考文献

• Phys.org: Plasma technique doubles etch rate for 3D NAND flash memory

研究の要旨

SiO₂層とSiN層を交互に形成する高アスペクト比エッチングは、3D NANDフラッシュメモリの製造を可能にする技術である。 本論文では、HFガスと他の添加ガスを用いた低温プラズマエッチングプロセスを研究する。 フッ素ガスと水素ガスを別々に使用する低温プロセスと比較して、SiO2/SiNスタックのエッチング速度は2倍になった。 このいわゆる第2世代のクライオエッチングプロセスでは、どちらの材料もより速くエッチングされる。 純粋なHFプラズマはSiNのエッチングレートを向上させるが、SiO₂を有意義にエッチングするにはPF₃などのフッ素源を追加する必要がある。 第2世代のクライオエッチングプロセスにH₂Oプラズマステップを挿入すると、SiNエッチング速度は2.4倍向上するが、SiO₂エッチング速度は1.3倍しか向上しない。 我々は、HFを用いたSiNの熱エッチング実験において、H₂Oの共吸着による速度向上効果を観察した。 フッ化珪酸アンモニウム(AFS)は、プラズマの有無にかかわらず、HFによるSiNのエッチングにおいて重要な役割を果たしている。 AFSはH₂Oの存在下で弱くなる。 密度汎関数理論計算により、AFS中のNH₄FをH₂Oに置き換えると結合エネルギーが減少することが確認された。

Meta Desctiption

3D NANDフラッシュメモリの製造プロセスを革新する、エッチング速度を2倍にする新技術が登場。SSDやメモリカードの高速化・大容量化に期待が高まる。
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