Wolfram gibt nach, Molybdän dringt vor – ein unaufhaltsamer Trend?

In jüngster Zeit berichtete die südkoreanische Medienplattform The Elec, dass SK Hynix die Produktionsverifizierung für die nächste Generation der V10-Serie 375-Schicht 3D NAND-Flash-Speicher erfolgreich abgeschlossen hat und voraussichtlich bis Ende dieses Jahres die Massenproduktion in der Fabrik M15 in Cheongju, Südkorea, starten wird.

Dieses Produkt wurde ursprünglich innerhalb von SK Hynix als „400-Schicht“ NAND-Flash bezeichnet. Aufgrund der technologischen Herausforderungen bei der Ultra-Hochschicht-Stack-Technologie, insbesondere der exponentiell zunehmenden Schwierigkeit bei Schlüsselprozessen wie der Kanallochätzung, wurde die Anzahl der tatsächlich in Massenproduktion zu fertigenden Schichten schließlich auf 375 reduziert.

Allerdings verbirgt sich hinter einem Detail der eigentliche Schlüsselwandel, der die Branche besonders interessiert: Dieser 375-Schicht NAND-Flash führt erstmals Molybdän (Mo) als Material für die Wortleitungsmetallgitter ein, das das seit über einem Jahrzehnt traditionell verwendete Wolfram (W)-Dünnfilm ersetzt.

Die technologische Wende von SK Hynix ist jedoch kein Einzelfall.

Bevor SK Hynix diese Wende absolvierte, hatten Speichergiganten wie Samsung Electronics und Micron bereits Produkte auf dem Markt gebracht, die Molybdän als Material verwenden. Die weltweit führende Halbleitergerätehersteller Lam Research hat ebenfalls klar gemacht, dass der technologische Wechsel von Wolfram zu Molybdän der einzige praktikable Weg für die Weiterentwicklung von Hochschicht-3D NAND ist.

Mit der Entscheidung von Branchenriesen, von Wolfram zu Molybdän zu wechseln, gibt die Branche ein klares Signal: Das seit über einem Jahrzehnt in der Speicherchip-Branche verwendete Wolfram-Materialsytem steht vor einem Wendepunkt. Molybdän hat sich zu einem Schlüsselmaterial entwickelt, das die Realisierung von NAND-Flash-Speichern mit über 300 Schichten ermöglicht.

Warum wenden sich weltweit Speichergiganten in dieser Halbleiter-Materialrevolution gemeinsam Molybdän zu? Welche unverzichtbaren Vorteile hat Molybdän gegenüber dem etablierten leitenden Metall Wolfram? Wie wird dieser Materialersatz die Halbleiter-Material-Industrie und das globale Wettbewerbsgeschehen neu gestalten?

Warum soll Wolfram durch Molybdän ersetzt werden?

Um die Gründe für den Ersatz von Wolfram durch Molybdän zu verstehen, muss zunächst die technologische Entwicklung von 3D NAND verstanden werden.

Es ist bekannt, dass 3D NAND-Flash-Speicher die Kapazität durch vertikales Stapeln von Speicherzellen erhöhen. Mit der Zunahme der Anzahl der Schichten steigt auch die Anzahl der Wortleitungen, die zwischen den Schichten verlaufen, und die Breite der Wortleitungen wird immer weiter auf nanoskalige Grenzwerte reduziert. Die Wortleitungen sind die Kernleitungen, die die Steuergitter der Speicherzellen verbinden und die Auswahl und Bedienung bestimmter Zeilen von Speicherzellen ermöglichen. Die Materialeigenschaften der Wortleitungen bestimmen direkt die Signalübertragungseffizienz und die Speicherdichte des Chips.

Wenn man sich die Entwicklung der Wortleitungsmaterialien anschaut, war das früheste Material Polysilizium. Aufgrund seines hohen Widerstands wechselte man ab der 64-Schicht- und 96-Schicht-Technologie zur Verwendung von Wolfram, einem Metall mit niedrigerem spezifischen Widerstand. Damals war Wolfram ein materielles Triumph und trug zur Entwicklung von 3D NAND von der zweistelligen zur dreistelligen Schichtzahl bei.

Allerdings werden die strukturellen Mängel des traditionellen Wolfram-Materials, wie hoher spezifischer Widerstand, Platzbelegung durch Sperrschichten und potenzielle Langzeitzuverlässigkeitsprobleme, deutlich, wenn die Anzahl der Schichten die Marke von über 300 Schichten überschreitet.

Heute, in der Ära der über 300 Schichten, hat Wolfram in Hochschicht-NAND seine physikalischen und technologischen Grenzen erreicht, und der Vorteil dieses Materials ist ausgeschöpft.

Quelle: Orient Finance

Wolfram erreicht seine Grenzen, Molybdän gewinnt an Bedeutung und löst einen neuen Materialwettlauf aus

Währenddessen war Molybdän in der Halbleiterbranche lange Zeit ein Nischenmetall, das nur als Hilfsmaterial, wie Sputtertargets und Fotomaske, verwendet wurde und daher wenig Beachtung erhielt. Heute wird Molybdän aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften jedoch von einem Randmaterial zu einem Kernfunktionsmaterial für Hochschicht-Speicherchips.

Molybdän ist ein hochschmelzendes Metall mit einer Dichte von etwa der Hälfte von Wolfram und einem Schmelzpunkt von etwa 2.623 °C. Es hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften machen es ideal für die Herstellung von Chips in Umgebungen mit hoher Dichte, hoher Wärmeentwicklung und hoher Zuverlässigkeit. Molybdän wird bereits in Bereichen wie Metallurgie, Sonderlegierungen und Photovoltaik weit verbreitet eingesetzt. In der Halbleiterindustrie hat es sich von einem Hilfsmaterial zu einem Kernfunktionsmaterial entwickelt.

Betrachtet man die grundlegenden physikalischen Parameter, gehören sowohl Molybdän als auch Wolfram zu den Metallen mit hoher Leitfähigkeit und hohem Schmelzpunkt. Der spezifische Widerstand beider Metalle im Volumen unterscheidet sich nur geringfügig: Wolfram hat einen spezifischen Widerstand von etwa 5,28 μΩ·cm, Molybdän von etwa 5,34 μΩ·cm. Ihre makroskopischen Leitfähigkeiten sind fast gleich. In der Nanoskala, wie in den Gitterstrukturen und Kontaktlöchern von 3D NAND-Chips, wird jedoch der Leistungsunterschied zwischen den beiden Metallen dramatisch vergrößert. Dies ist der Hauptgrund, warum Hochschicht-Flash-Speicher Molybdän bevorzugen.

Spezifischer Widerstand verschiedener Metalle bei verschiedenen Dicken (Quelle: imec)

In mikroskopischen Chipstrukturen steigt der spezifische Widerstand von Wolfram exponentiell, wenn die Leitungsbreite abnimmt und das Aspektverhältnis der Strukturen zunimmt. Dies führt zu Signalverzögerungen, erhöhtem Chipverbrauch und stärkerer Wärmeentwicklung. Molybdän hat eine kürzere mittlere freie Weglänge der Elektronen. In der Nanoskala steigt der spezifische Widerstand von Molybdän nur etwa zu 60 % im Vergleich zu Wolfram, was eine stabile Leitfähigkeit über einen langen Zeitraum gewährleistet.

Als Gittermaterial muss Wolfram mit einer TiN (Titan-Nitrid)-Sperrschicht versehen werden, um die Metallausbreitung und das Leckstromproblem zu verhindern. Diese Hilfsschicht nimmt jedoch kontinuierlich Platz in der Stapelstruktur ein. In Hochschicht-Architekturen wie 375-Schicht und 400-Schicht-Strukturen nimmt die zusätzliche Sperrschicht in jeder Schicht kontinuierlich den Stapelplatz ein und beansprucht insgesamt 30 % bis 40 % der effektiven Strukturdicke, was die Erhöhung der Speicherdichte direkt begrenzt. Molybdän hingegen benötigt aufgrund seiner ausgezeichneten Grenzflächenstabilität keine zusätzliche Sperrschicht. Dies bedeutet, dass unter gleichen Leitungsbreitenbedingungen die effektive leitende Querschnittsfläche von Molybdän-Wortleitungen deutlich größer ist als die von Wolfram-Wortleitungen. Die Verbesserung der äquivalenten Leitfähigkeit ist weit höher als die reine Widerstandsvergleichsdaten vermuten lassen. In Mehrschicht-Stapelstrukturen kann so viel vertikaler physischer Raum eingespart werden, was die Erhöhung der Speicherdichte ermöglicht.

Darüber hinaus gibt es auch deutliche Unterschiede in der Anpassbarkeit an die Fertigungsprozesse. Traditionelles Wolframmetall wird hauptsächlich durch das CVD (Chemical Vapor Deposition)-Verfahren zu Filmen verarbeitet. Bei 3D NAND-Strukturen mit Aspektverhältnissen von 40:1 oder höher kann das CVD-Füllverfahren leicht zu Hohlräumen und ungleichmäßigen Filmen führen, was die Produktausbeute direkt senkt. Molybdän hingegen passt perfekt zu der derzeitigen fortschrittlichen ALD (Atomic Layer Deposition)-Technologie. Es zeichnet sich durch eine hohe Füllgleichmäßigkeit, eine bessere Ebenheit und Anpassungsfähigkeit der Filme aus und kann die Herstellungsanforderungen von Ultra-Hochschicht-Architekturen perfekt erfüllen. Darüber hinaus hat Molybdän eine stärkere Adhäsion an Isolationsmedien wie Siliziumdioxid und eine bessere Elektromigrationsbeständigkeit, was das Ausfallrisiko von Chips bei langfristigem Gebrauch effektiv reduziert und die Produktzuverlässigkeit erheblich verbessert.

Die Anwendung von Molybdän in der Halbleiterindustrie kann grob in drei Phasen unterteilt werden:

• In der frühen Phase war Molybdän nur als Hilfsmaterial vorhanden und wurde hauptsächlich in nicht-kernigen Bereichen wie Sputtertargets, Fotomaske-Substraten und Wärmeableitkomponenten in der Halbleiterindustrie eingesetzt. Der Marktvolumen war begrenzt, und die Branche achtete wenig darauf.
• Mit der zunehmenden Reife der ALD-Abscheidungstechnologie und der Hochreingoldreinigungstechnologie wurde die kommerzielle Massenproduktion von Molybdän-Precursoren möglich. Molybdän begann dann in kleinerem Umfang in Anwendungen wie Kontaktlöchern von Logikchips und TSV (Through-Silicon Via)-Hohlräumen in der fortschrittlichen Verpackung einzudringen und wechselte so von einem Hilfsmaterial zu einem Funktionsmaterial.
• Der echte Durchbruch kam, als 3D NAND in die Ära der über 300 Schichten trat. Da das traditionelle Wolframmaterial seine physikalischen Grenzen erreichte, übernahm Molybdän die Rolle als bevorzugtes Material für die Wortleitungsmetallgitter und trat somit endgültig in die Reihe der Kernmaterialien der Halbleiterindustrie ein.

Eine von Molybdän getriebene Welle der Halbleiter-Material-Transformation hat bereits begonnen. Sie wird nicht nur den technologischen Entwicklungspfad von 3D NAND neu gestalten, sondern auch das globale Halbleiter-Material-Industriegefüge in Zukunft neu formen.

Nicht nur NAND: Molybdän eröffnet zusätzliche Anwendungsfelder in der Halbleiterbranche

NAND ist ein sicherer Wachstumsmarkt

Wie bereits erwähnt, ist NAND derzeit der größte und sicherste Anwendungsmarkt für Molybdän. Mit der zunehmenden Einführung von Molybdän durch Speichergiganten steigt der Bedarf an Molybdän rapide.

Nach Schätzungen der Branche hat Samsung im vergangenen Jahr etwa 4 Tonnen Molybdänmaterial beschafft. Dieser Betrag wird in diesem Jahr auf 10 Tonnen steigen und bis 2030 auf 80 Tonnen ansteigen, wenn die technologische Route fortgesetzt wird. SK Hynix wird ab nächstem Jahr das Molybdänverfahren in großem Maßstab einführen, wobei der anfängliche jährliche Bedarf etwa 4 Tonnen betragen wird. Es ist zu beachten, dass die oben genannten Beschaffungsmenge nur die direkte Verwendung im Wortleitungsverfahren ist. Wenn man die Anwendung in Targets und anderen größeren Anwendungsbereichen berücksichtigt, ist der tatsächliche Bedarf höher.

DRAM: Das nächste Wachstumsfeld wird sichtbar

Das Anwendungspotenzial von Molybdän im DRAM-Bereich ist ebenfalls sehr beachtenswert. Tatsächlich haben die Anbieter von Molybdän-Precursoren im NAND-Bereich bereits in der Massenproduktionseinrichtung entsprechende Pläne umgesetzt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass DRAM ebenfalls Molybdän als Material einführen wird.

Die Anwendung von Molybdän im HBM-Bereich ist besonders bemerkenswert. HBM erhöht die Bandbreite durch vertikales Stapeln von DRAM-Schichten, wobei die Anzahl der Schichten bereits 8 bis 12 beträgt und bei der HBM4-Spezifikation noch höher ist. In solchen hochdichten Stapelstrukturen werden die Schwächen von Wolfram, wie hoher Widerstand, Fluor-Rückstände und Schwierigkeiten bei der Füllung, extrem verstärkt.

Im Vergleich dazu hat Molybdän einen um 30 % bis 40 % niedrigeren spezifischen Widerstand als Wolfram, benötigt keine TiN-Sperrschicht und reduziert den Kontaktwiderstand um etwa 56 %. Die Ausbeute ist höher. Laut Marktinformationen beträgt die Molybdän-Target-Verwendung pro HBM-Chip etwa 3 bis 5 Mal so viel wie bei einem normalen DRAM-Chip. Die Molybdän-Penetration bei HBM4 liegt bereits nahezu bei 100 %. Mit der Umstellung von Samsung, SK Hynix und Micron auf Molybdän-Wortleitungen in ihren HBM3e/HBM4-Produkten steigt der Bedarf an Molybdän im DRAM-Bereich schnell an und nähert sich dem NAND-Bereich.

Zukunftspotenzial in Logikchips

Von NAND über DRAM bis hin zu Logikchips bildet sich ein klarer Übertragungsweg für die Anwendung von Molybdän in der Halbleiterbranche.

Im Bereich der Logikchips wird Molybdän als Ersatzmaterial für Kupfer-Interkonnektivität aktiv erforscht. Kupfer-Interkonnektivität hat in fortschrittlichen Prozessen unter 10 nm aufgrund von Oberflächenstreuung und Korngrenzenstreuung das Problem eines exponentiell steigenden spezifischen Widerstands. Molybdän hat eine viel kürzere mittlere freie Weglänge der Elektronen als Kupfer und wird in der Nanoskala weniger von der Größeneffekt beeinträchtigt. Weitere Studien haben gezeigt, dass die Leistung von Molybdän und Ruthenium in bestimmten Strukturen besser ist als die der traditionellen Lösungen.

Die Branche erwartet, dass Logikchips in den nächsten zwei bis drei Jahren allmählich mit Molybdän-Interkonnektivität ausgestattet werden. Dies wird den Markt für Molybdän von einer niche Anwendung zu einer umfassenden Transformation in der Halbleiter-Materialbranche erweitern.

Von der Investitionslogik her ist der NAND-Markt derzeit das sicherste Investitionsfenster. Die technologischen Roadmaps der Speichergiganten sind klar definiert, und der Bedarf an Molybdän wächst exponentiell. Die chinesischen Molybdän-Target-Hersteller beschleunigen ihren Einstieg in die Lieferketten der Speicherriesen, und das Potenzial für die nationale Substitution ist groß. Mittelfristig steigt die Molybdän-Penetration im DRAM- und HBM-Bereich schnell an und wird zum nächsten wichtigen Wachstumsfaktor. Langfristig wird die Transformation der Interkonnektivität von Logikchips noch größere Potenziale für Molybdän eröffnen.