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2020年5月17日-20日舉行了在線IMW（International Memory Workshop），筆者自2018年起已經(jīng)連續(xù)三年參加IMW會(huì)議，而在線會(huì)議還是首次參加。今年的會(huì)議中，有關(guān)3D NAND的論文數(shù)量最多，因此，筆者就各家NAND型閃存（以下簡(jiǎn)稱為：“NAND”）廠家的現(xiàn)狀、未來的技術(shù)藍(lán)圖（Roadmap）展開論述。
NAND的歷史
5月17日的會(huì)議（Tutorial）“PART I - 3D NAND”中，首位出場(chǎng)的是鎧俠（原東芝存儲(chǔ)半導(dǎo)體）的Noboru Shibata先生，他在主題為《History and Future of Multi-Level-Cell Technology in 2D and 3D Flash Memory》的演講中，說明了NAND的歷史，如下圖1。
圖1：NAND存儲(chǔ)密度增加的趨勢(shì)。（圖片出自：Noboru Shibata， KIOXIA Corp.， “History and Future of Multi-Level-Cell Technology in 2D and 3D Flash Memory”， IMW2020， Tutorials PART 1.）
Noboru Shibata先生以NAND的字位（Bit）為焦點(diǎn)，如上圖1展示了2字位（MLC）、3字位（TLC）、4字位（QLC）分別對(duì)應(yīng)了何種細(xì)微性、何種存儲(chǔ)容量的芯片。
在2009年（32納米）以后，存儲(chǔ)半導(dǎo)體密度的增長趨勢(shì)呈現(xiàn)了一時(shí)的放緩現(xiàn)象，自2016年開始轉(zhuǎn)向3D趨勢(shì)，且趨勢(shì)越來越明顯。因此，人們普遍期待未來3D化的NAND將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大存儲(chǔ)的密度。
Shibata先生的演講之后，WD的Yan Li先生做了題目為《3D NAND Architecture and its Application》的演講，其中提到31年來NAND的細(xì)微化全過程。如下圖2所示。
圖2：NAND存儲(chǔ)密度增加的趨勢(shì)。（圖片出自：Yan Li， Western Digital Corporation， “3D NAND Architecture and its Application”， IMW2020， Tutorials PART 1.）
1987年在IEDM上公布的NAND的細(xì)微化為1um。此次的發(fā)言者應(yīng)該是NAND的發(fā)明人—舛岡富士雄先生（筆者推測(cè)），在次年的1988年，以1um生產(chǎn)出了4M bit的NAND，1992年以0.7um發(fā)布了16M bit。自此，東芝的NAND業(yè)務(wù)開始正式啟動(dòng)。
后來，隨著細(xì)微化、高度集成化的發(fā)展，2014年以1Znm（應(yīng)該是15納米）發(fā)布了128Gbit的NAND。但是，后來由于發(fā)生了近鄰存儲(chǔ)單元（Memory Cell）之間的串?dāng)_（Cross Talk）問題，放棄了2D的細(xì)微化，自2015年開始轉(zhuǎn)入（Paradigm Shift）3D時(shí)代。而且，除了細(xì)微化，還開始了在縱向堆積更多層數(shù)的“多層化”發(fā)展。
這種多層化以48層、64層、96層（約1.5倍）的形式發(fā)展，可以推測(cè)，下一步應(yīng)該是1.2倍的112層。
各3D NANA廠家的現(xiàn)狀
會(huì)議（Tutorial）“PART I - 3D NAND”的第三位演講者是Applied Materials（AMAT）的Tomohiko Kitajima先生，演講題目為《Materials and process technology driven 3D NAND Scaling beyond 200 pairs》。在這篇演講中Tomohiko Kitajima先生簡(jiǎn)明地分析、比較了各家NAND廠商的現(xiàn)狀，且說明了未來的技術(shù)藍(lán)圖。這篇演講，為理解3D NAND，很有幫助，且演講者在過程中反復(fù)展示了視頻說明。下面筆者簡(jiǎn)單介紹其中一部分。
下圖3是各家廠商生產(chǎn)的3D NAND的所有斷面SEM圖，此外，圖4是各家廠商的最新的3DNAND的SEM照片與構(gòu)造?？吹竭@兩幅圖，筆者感覺很震驚、很有價(jià)值。
圖3：各家存儲(chǔ)半導(dǎo)體廠家的3D NAND的斷面SEM照片。（圖片出自：Tomohiko Kitajima， Applied Materials， “Materials and process technology driven 3D NAND Scaling beyond 200 pairs ”， IMW2020， Tutorials PART 1.）
圖4：各家存儲(chǔ)半導(dǎo)體廠家的最新的3D NAND的比較。（圖片出自：Tomohiko Kitajima， Applied Materials， “Materials and process technology driven 3D NAND Scaling beyond 200 pairs ”， IMW2020， Tutorials PART 1.）
行業(yè)先驅(qū)--三星（Samsung Electronics）直面的問題
下面我們?cè)倏聪乱粓D3，僅從這一張圖我們就可以看到各家集團(tuán)公司的技術(shù)、戰(zhàn)略、面臨的問題等信息。
三星（Samsung Electronics）正在推進(jìn)24層、32層、48層、64層、92層以及3D的的多層化發(fā)展，由于中國西安工廠大量生產(chǎn)并最先開始出貨的是48層，因此可以判斷24層、32層是樣品交貨。三星是最先開始出貨48層產(chǎn)品的，且已經(jīng)發(fā)售64層產(chǎn)品，因此可以斷言三星控制了48層和64層的市場(chǎng)。
業(yè)界普遍認(rèn)為三星競(jìng)爭(zhēng)力的來源在于縱橫比（Aspect Ratio、AR）較大的內(nèi)存孔（Memory Hole）的干蝕刻技術(shù)（Dry Etching）。三星通過與Lam Research共同研發(fā)，開發(fā)了AR較大的HARC（High Aspect Ratio Contact）蝕刻設(shè)備與技術(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他公司。
此外，在64層的下一代產(chǎn)品上，三星“摔了一個(gè)大跟頭”，盡管其他公司已經(jīng)開始生產(chǎn)96層，只有三星在生產(chǎn)這種處于中間位置的92層的產(chǎn)品。此外，從斷面圖的高度來看，三星的92層縱向高度明顯比其他公司的96層低了很多。
主要原因如下：鎧俠與WD等其他公司的96層是利用兩個(gè)48層堆疊而成的，然而僅有三星采用了一次性加工的方式、進(jìn)行內(nèi)存孔（Memory Hole）的HARC蝕刻。
也就是說，AR越大，HARC蝕刻的難度也越大。具體而言，蝕刻速度會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的降低，且會(huì)發(fā)生各種異常情況，如很難控制內(nèi)存孔（Memory Hole）的方差。
為此，三星將縱向的層數(shù)做成92層（比其他公司少了4層），進(jìn)一步將存儲(chǔ)單元（Memory Cell）朝縱向收縮，盡量把HARC的AR做得更小。據(jù)推測(cè)，三星的92層的產(chǎn)品良率十分低。
盡管如此，三星在2019年11月19日公布說，新一代的128層也會(huì)采用一次性加工的方式進(jìn)行生產(chǎn)。筆者認(rèn)為，與其拘泥于一次性加工的生產(chǎn)方式，不如再研發(fā)其他新的生產(chǎn)方式，因此三星的未來堪憂。
鎧俠和WD生產(chǎn)的96層產(chǎn)品
與由于對(duì)HARC蝕刻技術(shù)懷有較大的信心而“摔了跟頭”的三星不同，鎧俠和WD通過96層產(chǎn)品統(tǒng)領(lǐng)了全球市場(chǎng)。根據(jù)筆者從供應(yīng)鏈等處得到的信息來看，在2019年時(shí)間點(diǎn)的第四季度，日本四日市工廠的96層的稼動(dòng)產(chǎn)能是三星的3倍-4倍。
那么，為什么鎧俠和WD可以在96層上獲得成功呢？
在64層之前，鎧俠和WD在HARC蝕刻技術(shù)方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于三星。因此，他們盡早地將堆疊兩個(gè)48層應(yīng)用到了96層上。
從圖3 來看，就96層而言，三星以外的其他廠家都分為Lower和Upper。在這種雙層堆疊方式形成96層的情況下，很難將12英寸晶圓完美地與將近約2兆個(gè)內(nèi)存孔（Memory Hole）貼合。據(jù)推測(cè)，即使在四日市工廠，也曾因?yàn)檫@個(gè)問題而導(dǎo)致產(chǎn)品的良率低下。
此外，自2019年夏季開始，行業(yè)的趨勢(shì)就變化了。筆者從就職于鎧俠的朋友得知，“如果要我們堆疊500層，我們也可以做到”！就內(nèi)存孔（Memory Hole）貼合的技術(shù)而言，筆者推測(cè)他們應(yīng)該是取得了某種技術(shù)突破（Breakthrough）。此外，據(jù)筆者調(diào)查的各家NAND廠家的稼動(dòng)產(chǎn)能而言，如上文所述，四日市工廠的96層，具有壓倒性的規(guī)模。
下面我們?cè)倏匆幌聢D3，Intel＆Micron在64層以后，采用了雙層堆疊的方式。此外，海力士是自72層以后（不是64層），采用雙層堆疊的方式。
此外，比較一下各家的雙層堆疊方式，我們可以看出，鎧俠和WD的Lower、Upper的分界線十分明顯。因此筆者推測(cè)，鎧俠和WD為解決內(nèi)存孔的貼合問題，在Lower、Upper之間植入了某種特殊的構(gòu)造。筆者認(rèn)為，正是這種特殊的構(gòu)造技術(shù)使鎧俠和WD的雙層堆疊的良率大幅度提高、產(chǎn)能遠(yuǎn)超三星，且順利地生產(chǎn)96層。
三星由于對(duì)HARC蝕刻技術(shù)過度自信，導(dǎo)致“栽了跟頭”，但是，鎧俠和WD及時(shí)地放棄了一次性加工的生產(chǎn)方式，所以成功了生產(chǎn)了96層的雙層堆疊方式。這讓人想起了2020年1月23日逝去的哈佛商業(yè)學(xué)院的Clayton M. Christensen教授提出的“創(chuàng)新的困境（Innovation Dilemma）”。
各廠家的最新3D NAND
下面我們看看下圖5，即比較了各家廠商的最新3D NAND的圖。此處最引人注目的是中國的紫光集團(tuán)旗下的長江存儲(chǔ)（YMTC，原XMC）的3D NAND。
圖5：比較各家廠商的最新3D NAND。（圖片出自：Tomohiko Kitajima， Applied Materials， “Materials and process technology driven 3D NAND Scaling beyond 200 pairs ”， IMW2020， Tutorials PART 1.）
2016年3月，YMTC突然宣布要進(jìn)軍3DNAND。YMTC 以較高的薪資待遇匯集了大批的日本、臺(tái)灣、韓國等地的半導(dǎo)體技術(shù)人員，首先致力于32層的研發(fā)。僅僅用了一年的時(shí)間就成功研發(fā)了32層的產(chǎn)品，且跳過48層直接開始研發(fā)64層。同時(shí)，2019年9月17日，YMTC成功量產(chǎn)了64層。
就YMTC的64層產(chǎn)品而言，控制數(shù)據(jù)讀取、寫入的CMOS線路由一種不同于存儲(chǔ)單元（Memory Cell）的晶圓制造而成，分別通過Bonding工藝進(jìn)行貼合。
為了擴(kuò)大單個(gè)芯片的存儲(chǔ)密度，一般采用的是將CMOS線路放在存儲(chǔ)單元下部的CUA結(jié)構(gòu)（CMOS Under Array），實(shí)際上，Intel＆Micron和海力士正是采用的這種模式。但是，YMTC卻自主研發(fā)了此項(xiàng)技術(shù)！
在2019年第四季度時(shí)間點(diǎn)，YMTC的64層稼動(dòng)產(chǎn)能不足2萬個(gè)，但是，在2020年4月12日，YMTC發(fā)布說，成功研發(fā)了128層的、1.33Terabit、QLC的3D NAND。未來，3D NAND的“風(fēng)向標(biāo)”可能要發(fā)生變化了。
3D NAND的技術(shù)藍(lán)圖（Roadmap）
一場(chǎng)出人意料的新冠肺炎促使了遠(yuǎn)程辦公、在線授課、在線診療等網(wǎng)上業(yè)務(wù)的發(fā)展。IMW2020也是在線召開的。結(jié)果，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)中心（Data Center）的需求暴增，用于服務(wù)器的NAND的需求也呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長。
因此，人們對(duì)于3D NAND的高密度化的期待越來越高。其研發(fā)的R&D的藍(lán)圖如下圖6所示。如今，各家廠家都在努力推進(jìn)128層（鎧俠和WD是112層）的量產(chǎn)工作。未來，層數(shù)應(yīng)該還是更高，從藍(lán)圖上看，2021年-2022年研發(fā)200層，2022年-2023年研發(fā)250層以及以上。從技術(shù)藍(lán)圖來看，Charge Trap方式是具有代表意義的3D NAND結(jié)構(gòu)（如圖7）。
圖6：3D NAND的R&D 技術(shù)藍(lán)圖。（圖片出自：Tomohiko Kitajima， Applied Materials， “Materials and process technology driven 3D NAND Scaling beyond 200 pairs ”， IMW2020， Tutorials PART 1.）
圖7：Charge Trap方式--具有代表意義的3D NAND。（圖片出自：Tomohiko Kitajima， Applied Materials， “Materials and process technology driven 3D NAND Scaling beyond 200 pairs ”， IMW2020， Tutorials PART 1.）
為了實(shí)現(xiàn)以上這些多層化，如圖6下部所示的研發(fā)是必不可缺的。首先， 就左側(cè)的“Architecture Change”而言，會(huì)把CMOS線路配置在存儲(chǔ)單元格（Memory Cell）的下面（CUA），或者像YMTC的做法一樣采取Bonding的方式，增大單個(gè)芯片的面積上的存儲(chǔ)密度。這種技術(shù)已經(jīng)被多個(gè)NAND廠家采用。
所謂的“Vertical Scaling”技術(shù)，指的是在縱向可以堆疊多少層的存儲(chǔ)單元。此圖中清晰地寫著未來的發(fā)展趨勢(shì)。首先，有一個(gè)單純地增加存儲(chǔ)單元格（Cell）數(shù)量的“More Pairs”。其次，有一個(gè)“WL（Ward Line）Pitch Reduction”（三星已經(jīng)采用此項(xiàng)技術(shù)）。這是一種縱向收縮存儲(chǔ)單元格尺寸的技術(shù)方法。運(yùn)用此技術(shù)，如果是同樣的Pair數(shù)量，由于可以降低Stack Height，內(nèi)存孔（Memory Hole）的HARC加工將會(huì)變得很容易。
此外，如果同時(shí)進(jìn)行“WL Pitch Reduction”和“More Pairs”，遲早會(huì)出現(xiàn)“Multi Tiers”（多層堆疊）。三星以外的廠家已經(jīng)運(yùn)用到量產(chǎn)產(chǎn)品中。筆者認(rèn)為，未來三星肯定也會(huì)轉(zhuǎn)移到“Multi Tiers”（多層堆疊）。此外，筆者還認(rèn)為，所有的NAND廠家未來都為朝著堆疊雙層、三層、四層甚至更多的方向發(fā)展。
另外，作為擴(kuò)大存儲(chǔ)密度的方法，還有一種是“Lateral Scaling”。這是一種通過橫向收縮的方式，來擴(kuò)大單個(gè)芯片存儲(chǔ)密度的技術(shù)手段?！癓ateral Scaling”有兩種方式，其一為“More Holes b/w Slits”，即將Slit和Slit之間的內(nèi)存孔的數(shù)量由現(xiàn)在的九個(gè)增加至十四個(gè)。其二為“Hole BL（Bit Line） Pitch Reduction”，即縮小存儲(chǔ)孔的直徑，使存儲(chǔ)孔的密度更高。
但是，這兩種研發(fā)都需要HARC蝕刻，此外，“More Pairs”的實(shí)行還存在很多復(fù)雜的問題，各家NAND廠家都需要在元件構(gòu)造、材料、工藝流程等方面下工夫，在與生產(chǎn)設(shè)備廠家以及材料廠家共同研發(fā)的同時(shí)，推進(jìn)存儲(chǔ)半導(dǎo)體的高密度化。
另外，就像三星掌控了48層和64層、鎧俠和WD掌控了96層一樣，真正在高密度方面獲得突破性發(fā)展的NAND廠家才能掌握新時(shí)代的霸權(quán)。究竟會(huì)花落誰家呢？也許我們能在下次在德國德累斯頓（Dresden）召開的IMW2021上看到端倪。筆者明年（2021年）還會(huì)繼續(xù)參加IMW。
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