3D NAND技術(shù)堆疊將走向何方?

發(fā)展至今，NAND Flash已呈現(xiàn)白熱化階段。就在前不久，存儲廠商們還在128層“閃存高臺上觀景”，2019年6月SK海力士發(fā)布128層TLC 3D NAND；美光于2019年10月流片出樣128層3D NAND；長江存儲于今年4月份宣布推出128層堆棧的3D NAND閃存。轉(zhuǎn)眼來到2020年末，美光和SK海力士相繼發(fā)布了176層3D NAND。這也是唯二進入176層的存儲廠商。不得不說，存儲之戰(zhàn)沒有最烈，只有更烈。

2013年，三星推出的帶有850 pro SSD的垂直3D NAND閃存打響了3D NAND技術(shù)堆疊的第一槍，多層變得很常見。層數(shù)越高，NAND閃存可具有的容量就越大，因此，增加層數(shù)以及提高產(chǎn)量是衡量技術(shù)實力的標(biāo)準(zhǔn)。垂直堆疊迅速成為半導(dǎo)體行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，因為它有利于最大程度地減少彼此之間的干擾。此后，如美光和英特爾等廠商紛紛加入垂直堆疊的角逐中。如今，隨著使用微細加工工藝而增加的單元以及數(shù)據(jù)處理量的增長，對大容量NAND閃存的需求還在增加。

存儲廠商們各自努力，176層頂峰見真章

在全球NAND市場份額中，雖然美光排在第七位，但是在堆疊能力方面，美光卻毫不遜色。美光是第一家發(fā)布176層3D NAND的存儲廠商，其第五代3D NAND閃存是176層構(gòu)造，這也是自美光與英特爾的存儲器合作解散以來推出的第二代產(chǎn)品。2020年11月9日，美光宣布將批量發(fā)售世界上第一個176層3D NAND。

據(jù)美光官網(wǎng)介紹，該176層NAND采用了獨特的技術(shù)，替換門架構(gòu)將電荷陷阱與CMOS陣列下（CuA）設(shè)計相結(jié)合，與同類最佳競爭產(chǎn)品相比，其die尺寸減小了約30％。

Micron-CuA技術(shù)

與美光的大容量浮柵96層NAND相比，其讀寫時間縮短35％。與128層替換門NAND相比，美光公司176層NAND的讀取延遲和寫入延遲均提高了25％以上。在開放NAND閃存接口（ONFI）總線上，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒1600兆傳輸（MT / s），據(jù)稱是行業(yè)領(lǐng)先的。兩者共同意味著系統(tǒng)啟動速度更快，存儲在NAND中的應(yīng)用程序啟動速度更快。

美光的96L和128L NAND最高速度為1200 MT / s。與美光等效的96L產(chǎn)品相比，176L產(chǎn)品在移動存儲中的混合工作負載性能提高了15％。據(jù)報道指出，在使用電荷陷阱單元設(shè)計替代柵極設(shè)計之后，美光似乎已大大降低了閃存每一層的厚度。數(shù)據(jù)顯示，176L裸片的厚度僅為45μm，總厚度與美光公司的64L浮柵3D NAND相同。

再就是SK海力士，據(jù)Anandtech報道，SK hynix日前發(fā)布了其最新一代的3D NAND。這是SK hynix的第三代產(chǎn)品，其PUC（Periphery under Cell）設(shè)計的特點是通過在存儲器單元陣列下放置外圍邏輯來減小芯片尺寸，類似于英特爾和美光的CMOS下陣列設(shè)計。SK hynix將這種裸片布局及其charge trap閃存單元的組合稱為“ 4D NAND”。SK hynix命名為“ 4D NAND Flash”，主要是以突出通過在2018年將來自96層NAND Flash的CTF單元結(jié)構(gòu)和PUC技術(shù)相結(jié)合而實現(xiàn)性能和生產(chǎn)率的差異。

這一代的變化包括位生產(chǎn)率提高了35％（僅比理論上從128層增長到176層時的值稍低），單元讀取速度提高20％。NAND die和SSD控制器之間的最大IO速度已從128L NAND的1.2GT / s增加到176L NAND的1.6GT / s。

SK hynix計劃首先將其176層 NAND用于移動產(chǎn)品（即UFS模塊），該產(chǎn)品將在明年中期左右推出，其讀取速度提高70％，寫入速度提高35％。然后，消費者和企業(yè)級固態(tài)硬盤將跟進移動產(chǎn)品。SK海力士還計劃基于其176層工藝推出1Tbit模具。

隨著六家制造商在全球范圍內(nèi)為贏利而激烈競爭，NAND閃存部門正在整合。今年10月20日，SK海力士和英特爾簽署了一項協(xié)議，根據(jù)該協(xié)議，SK海力士將以90億美元的價格收購英特爾的NAND存儲器和存儲業(yè)務(wù)。該交易包括NAND SSD業(yè)務(wù)，NAND組件和晶圓業(yè)務(wù)以及中國大連NAND存儲器制造廠。若交易達成，SK海力士將超越日本Kioxia，成為NAND內(nèi)存市場的全球第二大廠商，并進一步縮小與行業(yè)領(lǐng)頭羊三星之間的差距。SK 海力士以90億美元收購英特爾 NAND Flash 業(yè)務(wù)，其核心是拿下作為3D NAND 存儲器生產(chǎn)重鎮(zhèn)的大連晶圓廠。

面對SK海力士和美光在3D閃存堆疊上的成就，其他閃存廠商也是在快馬加鞭加緊研發(fā)的步伐。

三星電子作為全球NAND領(lǐng)導(dǎo)者，占有33.8％的市場份額，如果三星想在很長一段時間內(nèi)保持這一頭把交椅，就必須始終走在前面。畢竟，存儲芯片業(yè)務(wù)是該公司免于遭受COVID-19打擊的2020年第一季度遭受巨額利潤下降的原因。根據(jù)韓國出版物The Bell的最新報告，該公司已經(jīng)在下一代閃存芯片的開發(fā)方面取得了重大進展。

三星電子計劃在2021年上半年大規(guī)模生產(chǎn)具有170層或更多層的第七代V-NAND閃存，并將使用字符串堆疊方法，結(jié)合兩個88L模具，新芯片還將采用“雙?！奔夹g(shù)。行業(yè)觀察家表示，由于三星電子改變了其堆疊方法，該產(chǎn)品的發(fā)布已被推遲。今年6月初，三星宣布將在其位于韓國京畿道平澤工廠2號線的工廠中建設(shè)新的NAND閃存芯片生產(chǎn)設(shè)施。三星表示，將在新地點大規(guī)模生產(chǎn)其“尖端V-NAND存儲器”芯片。

三星之后，就是鎧俠（Kioxia），東芝存儲器是從去年2019年10月1日起正式改名為“KIOXIA鎧俠”，值得一提的是，NAND閃存由東芝于1987年首次提出的。今年10月，鎧俠表示，該公司將在日本中部三重縣的四日市工廠內(nèi)建立一個新的1萬億日元（95億美元）工廠，以提高其尖端NAND閃存的產(chǎn)量，因為該公司的目標(biāo)是滿足5G增長推動的不斷增長的需求網(wǎng)絡(luò)。這項投資將與美國合作伙伴Western Digital進行。該工廠將從明年春季開始分兩個階段進行建設(shè)。這家占地40，000平方米的工廠將是Kioxia最大的工廠。

在2020年英特爾架構(gòu)日期間，英特爾談到了他們的3D NAND技術(shù)。早在2019年9月于韓國首爾舉行的英特爾存儲日上，英特爾宣布他們將跳過業(yè)界大多數(shù)人正在開發(fā)的128層NAND閃存節(jié)點，并將直接跳到144層。英特爾表示，他們的144層QLC NAND閃存仍在按計劃進行。英特爾希望到2020年底，將其144層QLC NAND閃存用于銷售產(chǎn)品！144層QLC NAND的比特密度基本上比Intel目前生產(chǎn)的96層QLC NAND閃存高50％。因此，當(dāng)144層QLC NAND閃存進入市場時，應(yīng)允許SSD繼續(xù)侵蝕消費者的旋轉(zhuǎn)硬盤市場。

而西部數(shù)據(jù)于今年1月份宣布，它已經(jīng)成功開發(fā)了其第五代3D NAND技術(shù)BiCS5，BiCS5設(shè)計使用112層，而BiCS4使用96層。BiCS5技術(shù)是與技術(shù)和制造合作伙伴鎧俠共同開發(fā)的。他們的第五代BiCS 3D NAND已以512 Gbit TLC部件的形式開始生產(chǎn)，但要到今年下半年才能增加到“有意義的商業(yè)量”。計劃用于這一代的其他部件包括1Tbit TLC和1.33 Tbit QLC die。

BiCS5采用了廣泛的新技術(shù)和制造創(chuàng)新技術(shù)，是西部數(shù)據(jù)迄今為止最高密度和最先進的3D NAND技術(shù)。第二代多層存儲孔技術(shù)，改進的工程工藝和其他3D NAND單元增強功能顯著提高了整個晶片上水平的單元陣列密度。這些“橫向擴展”的進步與112層垂直存儲功能相結(jié)合，使BiCS5與Western Digital的96層BiCS4技術(shù)相比，每個晶片的存儲容量提高了40％以上，同時優(yōu)化了成本。新的設(shè)計增強功能還提高了性能，使BiCS5的I / O性能比BiCS4快50％。

國內(nèi)長江存儲進步非凡

此前，長江存儲科技有限責(zé)任公司CEO楊士寧在“2020北京微電子國際研討會暨IC World學(xué)術(shù)會議”上也談到， 集成電路由二維向三維發(fā)展是必行趨勢 。這可能不是一條唯一的路徑，但確是一條需要強烈探索的路徑。

平地一聲雷，今年4月份長江存儲宣布推出128層堆棧的3D NAND閃存，國外同行發(fā)現(xiàn)，長江存儲跳級了，因為3D NAND是從32層、64層、96層逐漸移到128層，但是長江存儲并未推出過96層堆棧，這是怎么一回事呢？

這就要追溯下長江存儲的歷史淵源，長江存儲前身是武漢新芯，2016年7月，紫光聯(lián)合大基金共同出資，在武漢新芯的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立長江存儲，長江存儲將精力放在與中科院微電子所的合作研究上。2017年年底，長江存儲正式推出了國產(chǎn)首個真正意義上的32層 3D NAND閃存，中國終于有了自主知識產(chǎn)權(quán)的閃存芯片。

而國際閃存市場競爭激烈，此時長江存儲開始探索一條適合自己的3D NAND技術(shù)，這是一條充滿未知的道路，長江存儲堅持創(chuàng)新發(fā)展，走差異化的路線，于2018年7月正式推出自家的獨門絕技Xtacking?架構(gòu)。

傳統(tǒng)3D NAND架構(gòu)中，外圍電路約占芯片面積的20~30%，降低了芯片的存儲密度。隨著3D NAND技術(shù)堆疊到128層甚至更高，外圍電路可能會占到芯片整體面積的50%以上。Xtacking?技術(shù)將外圍電路置于存儲單元之上，從而實現(xiàn)比傳統(tǒng)3D NAND更高的存儲密度。

采用Xtacking?，可在一片晶圓上獨立加工負責(zé)數(shù)據(jù)I/O及記憶單元操作的外圍電路。這樣的加工方式有利于選擇合適的先進邏輯工藝，以讓NAND獲取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。存儲單元同樣也將在另一片晶圓上被獨立加工。當(dāng)兩片晶圓各自完工后，創(chuàng)新的Xtacking?技術(shù)只需一個處理步驟就可通過數(shù)十億根金屬VIA（Vertical Interconnect Accesses，垂直互聯(lián)通道）將二者鍵合接通電路，而且只增加了有限的成本。

長江存儲始終與國際水平差一代的距離，如果還跟著別人后面跑，任何市場上實現(xiàn)不了商業(yè)化就只有死路一條，所以長江存儲做出了一個瘋狂的舉措： 決定直接跳過96層堆棧閃存的研發(fā)，直接向128層的堆棧上探索 。2020年4月，長江存儲搶先推出了128層QLC 3D NAND閃存芯片X2-6070。目前長江存儲的技術(shù)已經(jīng)處于全球一流的水準(zhǔn)，下一步就是解決產(chǎn)能的問題。

楊士寧介紹，Xtacking主要具有四方面優(yōu)勢：一是速度快，具有更好的性能表現(xiàn)；二是工藝更結(jié)實；三是成本低，因為密度高；四是具有更高的靈活性。與國際存儲大廠相比，長江存儲表示，公司用短短3年時間實現(xiàn)了從32層到64層再到128層的跨越。長江存儲3年完成了他們6年走過的路，楊士寧直言，長江存儲不做最后一名，爭取公司的下一代產(chǎn)品能夠達到行業(yè)最前沿。

3D NAND 技術(shù)堆疊將走向何方？

3D NAND技術(shù)正在迅速發(fā)展，許多分析師認為， 廠商將繼續(xù)在 3D NAND閃存中 添加層，直到不再可行為止 。2015年還只有32層存儲單元，僅僅四五年之后，我們看到了96層、128層、112層、144層、176層等結(jié)構(gòu)的發(fā)布。到2022年，256層結(jié)構(gòu)成為可能。

Forward Insights總裁兼首席分析師Gregory Wong表示，NAND閃存的未來不可避免地圍繞著每個單元的位數(shù)。Wong說，在過去的一年中，QLC NAND的使用主要集中在PC上，但是這種情況將會改變?！敖衲辏覀兤谕吹接糜诔笠?guī)模數(shù)據(jù)中心的QLC驅(qū)動器及其在企業(yè)存儲系統(tǒng)中的引入。” 事實也正是如此，越來越多的供應(yīng)商開始談?wù)換LC設(shè)備的生產(chǎn)或生產(chǎn)。

但是，Wong說，擴展位密度和降低閃存設(shè)備的成本變得越來越困難?！氨M管如此，NAND閃存將存在很長一段時間，因為目前還沒有一種技術(shù)可以在比特密度和成本上競爭。

TechInsights，Inc.高級技術(shù)研究員Joengdong Choe在2020年閃存峰會上作了兩次演講，詳細介紹了3D NAND和其他新興存儲器的未來。

他講到，公眾傾向于將注意力集中在層數(shù)上，這可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，因為字線（帶有存儲單元的有源層）的實際數(shù)量會發(fā)生很大變化。例如，可以將其他層用作偽字線，以幫助緩解由較高層數(shù)引起的問題。效率的一項衡量標(biāo)準(zhǔn)是分層字線的總數(shù)除以總層數(shù)，通過這種衡量，三星擁有最佳設(shè)計之一。三星也沒有使用多個卡座或堆棧-不像其他制造商當(dāng)前的閃存那樣使用“字符串堆?！薄Ｒ环N提高總體效率的方法是將CMOS或控制電路（通常稱為外圍電路）放置在閃存層下面，例如CMOS陣列下（CuA），單元下外圍（PUC）或外圍單元（COP）。

Choe還概述了3D NAND架構(gòu)的歷史以及電荷陷阱閃存（charge trap flash：CTF）和浮柵（Floating gate：FG）的分道揚鑣的過程。在過去，英特爾和美光使用浮柵，但美光在最近發(fā)布的176-D切換到替換門（ replacement gate：RG），而其他制造商還是使用電荷陷阱。盡管英特爾的QLC受益于使用浮柵，因為它可以保持更好的磨損性能，但此處的差異可能會影響閃存的耐用性，可靠性，可擴展性以及其他方面。

Choe預(yù)計，隨著平臺或堆棧數(shù)量的增加（目前最多為兩個），層數(shù)將繼續(xù)增加，每個閃存芯片的存儲量也會相應(yīng)增加。Choe認為，這些技術(shù)與硅通孔（TSV），疊層封裝（PoP / PoPoP）以及向5LC / PLC的遷移等技術(shù)一樣，都指向下一個十年的500層以上和3 TB裸片的3D閃存。

結(jié)語

就像摩爾定律走到現(xiàn)在，技術(shù)難度和成本要求越來越苛刻，隨著3D NAND高樓越蓋越高，以后也是非同一般的高難度技術(shù)，即便如此，也要硬著頭干下去，直到干不動為止！可以預(yù)見，未來，NAND閃存制造商之間的競爭將會愈演愈烈。
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