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●3D NANDの200層積層に挑む東芝
2016年12月14日に東京ビッグサイトにて開幕された「SEMICON Japan 2016」併催のスーパーシアター「半導体エグゼクティブフォーラム」において、東芝 代表執行役副社長 ストレージ&デバイスソリューション社 社長の成毛康雄氏が登壇し、「東芝四日市工場でのビッグデータの活用とストレージ事業戦略」と題した3次元NANDフラッシュメモリの事業・製造戦略を語った。

○NAND市場は年率40%超の成長分野

成毛氏は、まず、半導体ストレージについて取り巻く環境として、「本格的なIoTやIoEの進展に伴い、世界的にデータセンター需要が拡大する。この結果、世界のストレージ市場は年率22%(2015-2020年の年平均成長率)で拡大していく。特に、NAND型フラッシュメモリとそれを用いたSSD市場が爆発的に拡大するだろう。NAND価格が下落するのに伴い、HDDからSSDへの移行が間違いなく加速していく」と述べたほか、NAND市場について、「NAND市場に限れば、年率40%以上(2015-2020年の年平均成長率)で拡大する。データセンター向けの需要が旺盛なSSDが市場拡大をけん引し、スマートフォンも1台あたりのNAND搭載容量増により需要が堅調に推移するからだ」と、ストレージ市場全体よりも高い成長率を維持するとした。

○3D NANDは大容量かつ高信頼性で市場拡大

続いて同氏は、東芝が現在量産している3次元(3D)NAND「BiCS FLASH」の第2世代製品(48層のTLC構成)を、15nm世代の2次元(2D) NANDと比較する形で紹介し「BiCSは既存の2D NANDに比べて、記憶素子密度を2倍以上に、信頼性(書き換え回数)を約10倍に、性能(プログラム速度)を約2倍に、消費電力を約半分に、それぞれ改善できる。メモリチップ単体の最大容量でも、15nm世代の2D NANDが128Gビットに留まるのに対し、48層の3D NANDは256Gビットを実現している。第3世代に相当する64層でもすでに256Gビット品をサンプル出荷し、512Gビット品を開発中である」と述べ、このような3D NANDの特徴を生かし、データセンター用SSDをはじめ、大容量、高信頼性が要求される用途を開拓し、市場拡大に努めていくという方針を示した。

○200層積層も視野に開発

さらに、「64層3D NAND量産ウェハのライン投入をすでに四日市工場で始めており、量産立ち上げが順調にいけば、2017年は64層品でかなりの供給ビットをカバーできる」と述べた。同社は、今後さらなる高集積化・低コスト化のためにさまざまな技術を開発していくとし、「3次元方向へのメモリセル積層に関しては、100層のセル積層は当然進めるが、200層程度のメモリセル積層にもチャレンジしていく必要があるだろう」と述べた。また、積層数の増加に伴い、縦方向の縮小(薄型化)にも取り組むほか、チップ面積の縮小技術として、周辺回路をメモリセルの下に配置するなど、周辺回路とメモリアレイの効率配置も推進していくことも語った。

○肝となる積層プロセスは新第2製造棟で実施

製造に関しては、ナノインプリント(NIL)技術を採用することで、微細化のコスト削減を図り、肝となる成膜・エッチング加工工程に高能率生産性技術を導入するとした。図3に示した東芝四日市工場の製造棟群のうち、この肝になるプロセス工程を担当するのが、2016年7月に竣工したN-Y2(四日市新第2製造棟)である。

BiCS FLASH製造工程は、図4に示すように、大きく「トランジスタ工程」、「メモリセル積層工程」、「コンタクト・配線工程」に分かれるが、この内、積層工程をN-Y2に導入された先端成膜・エッチング装置で処理し、隣接した既存棟(Y3、Y4)と空中搬送通路を通した棟間搬送でやり取りしている。

●2017年には新たな製造棟建設を開始
○3D NANDの生産拡大を目指して新棟を建設

東芝は、3D NANDの生産拡大を目的として、Y5(第5製造棟)隣接地に新製造棟(図5上)の建設を2017年2月に着手する。新製造棟は、N-Y2同様、3D NAND固有の製造工程を行う予定であり、第5製造棟と空中搬送路で結ばれるものとみられる(図3右側に白棒で表示)。市場動向を見極めながら最適な生産スペースを確保するという観点から第5製造棟と同様に2期に分けて建設することとし、今回は第1期分を建設する予定で、竣工は2018年夏の予定である。

また、同工場内に分散していた開発部門を集結させ、3D NANDに留まらずReRAMや新規メモリの開発を加速するための開発センター(図5下)を新製造棟の隣接地に建設することにしている。

新製造棟における具体的な設備導入・生産開始の時期、生産 能力、生産計画などは、市場動向を踏まえ、投資パートナーである米Western Digitalとの協議の上、共同投資を今後進める予定であるという。

○設備投資は毎年2000億円規模を継続

「2013年から2015年にかけて、第5製造棟第2期増設や第2製造棟の建て替えのために、2013年は2000億円、2014年は2200億円、2015年は2008億円とコンスタントに2000億円規模の投資を続けてきた。2016〜2018年は3年間で総額8600億円投資計画をたて、2016年度は3D NANDへの移行のために2850億投資した。2017〜2018年は、3D NAND増産や新棟建設に投資する」と同氏は継続して設備投資を行ってきていることを強調したほか、「メモリ事業は、3D NANDおよびSSD事業を加速し、売上高・営業利益の拡大を図る。具体的には、市場の伸び(ビット基準で40%)を上回る伸長をめざす。NANDの売値ダウン(年25-30%)に追随できるコスト削減を追求していく」と、生産性の改善や取れ数の増加などによる売り上げの拡大と利益確保も併せて進めていくとした。

○全製造棟の統合生産を目指す

巨大化する四日市工場で高能率なオペレーションをめざし、Y3、Y4、N-Y2、Y5の各製造棟は500mmを超える棟間搬送で接続され、4棟それぞれの製造装置能力を相互補完する世界初の統合生産の確立が進められており、将来的には新製造棟(Y6)とも繋げる予定だという。そのため、「ビッグデータを活用した生産システムを導入し生産性向上を推進していきたい」としており、1日あたり20億件という膨大なデータを処理し、生産性向上、歩留まり向上、信頼性向上に向けて分析し、解析結果のリアルタイムの見える化を進めていくとする。また、マシンラーニングやディープラーニングなどの人工知能(AI)による業務効率の向上も図ることで、将来の生産拡大に備え、「人はより高度な業務を行うようにしていきたい」と将来を展望する。

○マシンラーニング/ディープラーニング活用で成果

人間では処理できないビッグデータの解析にマシンラーニングやディ-プラーニングなどのAI技術を活用、適用する取り組みはすでに進められており、実際にウェハ検査画像解析に適用し、1日あたり30万枚の画像解析を行ったところ、100種類の不良モードに自動分類する成功率は49%から83%に改善することができたとする。また、AI技術を製品歩留まりの監視に適用し、原因設備の特定自動化を図ったところ、そのための平均時間が一件6時間から2時間に短縮できたという。

成毛氏は「ビッグデータやAI技術はストレージ需要拡大の起爆剤にもなる。半導体・ストレージ技術の発展で豊かな価値を創造し、情報化・省エネ社会のインフラ造りに貢献していきたい」と話しを結んだ。

(服部毅)