作者:九林
最近,鎧俠首席技術官 (CTO) Hidefumi Miyajima表示,計劃將在2031年批量生產(chǎn)超過 1,000 層的 3D NAND 存儲器。不少人感嘆,NAND終究是卷到了1000層。
其實,在去年的IEEE論壇上,三星也提出了類似的觀點,預測到2030年將出現(xiàn)1000層NAND。1000層NAND,是“勇者”的游戲。
?01、3D NAND層數(shù)之爭
自推出3D NAND閃存以來,NAND閃存行業(yè)在密度和技術方面取得了重大進步。盡管制程困難,但由于其優(yōu)越的單元特性和比特成本可擴展性,僅用了幾年時間,NAND閃存的主流就從2D NAND轉向3D NAND。
回顧 2D NAND,它采用平面架構,浮動柵極 (FG) 和外圍電路彼此相鄰。2007年,隨著2D NAND的尺寸達到極限,東芝提出了3D NAND結構。之后,存儲廠商通過在3D NAND中使用越來越多的層數(shù)來構建更高容量的芯片,從而降低每GB的生產(chǎn)成本。
去年3月,SK 海力士在會議上發(fā)表了300層以上NAND論文;鎧俠推出了第8代BiCS 3D NAND閃存,為218層。5月,美光推出了232 層 QLC SSD。8月,SK海力士公布了321層堆疊4D NAND Flash閃存樣品。
12月,美光推出了232 層工作站 SSD。3D NAND的層數(shù)之戰(zhàn)仍在繼續(xù)。從理論上講,堆疊1000層以上的NAND是可行的,但需要解決堆棧過程中的蝕刻問題,即必須蝕刻具有非常高縱橫比的非常深的孔。
盡管蝕刻技術在不斷進步,但一次性蝕刻更深的孔具有很大的挑戰(zhàn),也無法提高蝕刻速度。而以沉積和蝕刻為主的工藝流程也堆棧如此多層數(shù)的話,將無法降低成本。除了蝕刻之外,還需要用非常薄的介電層上下均勻地填充這個孔,而沉積幾納米的層并不容易,仍然具有挑戰(zhàn)性。
?02、NAND的多層堆疊
對于如何加高NAND層數(shù),不同存儲企業(yè)有不同的方式。在3D NAND中,最終的目標是在基板上堆疊更多層,從而實現(xiàn)更高的密度。目前主要有兩種堆疊方式——單層或者雙層。傳統(tǒng)上,采用的是單層方法。例如,三星的 92 層 3D NAND 器件將所有 92 層堆疊在同一芯片上,其128層也同樣是在同一芯片上堆疊了128層。
這種將所有層數(shù)堆疊在一個芯片上的方式,可以讓存儲廠商降低成本和開發(fā)時間。但是到128層的時候,就是單層的極限。
這里的一個大問題就是刻蝕,目前一次性刻蝕達到128層就比較困難了。然后,存儲廠商將主意打在了雙層上。就是比如一個96層的NAND,是將兩個48層結構堆疊在一起。美光的176層器件,就是采用這種方式,將兩個88層結構堆疊在一起。雙層的好處就在于,更少的層數(shù)更容易進行刻蝕。
不過,在達到300層時,雙層似乎也不管用了,業(yè)內(nèi)認為在制造300層芯片時,最常用的應該還是三層堆疊。也有機構表示,三星明年下半年推出的第十代430層NAND,將會采用三層堆疊的方式。
?03、技術路線之爭三星:V-NAND架構
三星于 2013 年率先向市場推出“V-NAND”(V代表Vertical,垂直的意思)。V-NAND技術采用不同于傳統(tǒng)NAND閃存的排列方式,通過改進型的Charge Trap Flash技術,在一個3D的空間內(nèi)垂直互連各個層面的存儲單元,使得在同樣的平面內(nèi)獲得更多的存儲空間。
此外,三星V-NAND閃存還放棄浮柵極MOSFET,使用電荷攫取閃存(charge trap flash,簡稱CTF)設計。每個cell單元看起來更小了,但里面的電荷是儲存在一個絕緣層而非之前的導體上,理論是沒有消耗的。這種更小的電荷有很多優(yōu)點,比如更高的可靠性、更小的體積。
雖然三星推出的第一款3D NAND堆疊層數(shù)僅為24層,但在當時卻打破了平面技術的瓶頸,并使3D NAND Flash從技術概念推向了商業(yè)市場。
之后的10年間,三星推出了數(shù)代產(chǎn)品,以維護自己在NAND閃存市場的地位。如2020年推出的176層的第七代“V-NAND”。到目前,三星正在開發(fā)的是300 層的第九代V-NAND,還是使用的雙層堆疊技術,預計今年就將投入生產(chǎn)。
鎧俠:BiCS架構
沖頭和塞子的基本流程BiCS架構是鎧俠在2007年提出的概念。在BiCS FLASH中,充當控制柵極的板狀電極(上圖中的綠色板)和絕緣體交替堆疊,然后立即垂直開出(打孔)大量孔到表面。接下來,用電荷存儲膜(粉紅色所示的部分)和柱狀電極(灰色所示的柱結構)填充(塞?。┌鍫铍姌O中開設的孔的內(nèi)部。在此條件下,板狀電極與柱狀電極的交點即為一個存儲單元。
可以看一下 BiCS FLASH存儲單元的放大視圖。在 BiCS FLASH 存儲單元中,電子在穿過柱中心的電極(灰色所示的結構)和電荷存儲薄膜(粉色)之間交換。這樣,不是一次一層地堆疊存儲單元,而是首先堆疊板狀電極,然后在板狀電極上開孔并連接電極,從而為所有層形成存儲單元一次性完成所有操作,以降低制造成本。自2007年在學術會議上提出BiCS FLASH“批量處理技術”概念以來,BiCS FLASH產(chǎn)品已于2015年實現(xiàn)48層、2018年96層、2020年112層、2020年162層的商用化。目前,鎧俠最好的 3D NAND 器件是第八代 BiCS 3D NAND 存儲器。新閃存包含四個平面(plane),應用了先進的晶圓鍵合、橫向收縮技術,并在橫向收縮、縱向收縮方面取得平衡,存儲密度比上代提升超過50%,達到了1Tb(128GB)。值得一提的是,西數(shù)、鎧俠開發(fā)了新的CBA技術,也就是將CMOS直接鍵合在陣列之上(CMOS directly Bonded to Array),每個CMOS晶圓、單元陣列晶圓都使用最適合的技術工藝獨立制造,再鍵合到一起,從而大大提升存儲密度、I/O速度。
SK 海力士:4D NAND
SK 海力士將自己的堆疊方式稱為4D NAND。在2018年,SK 海力士就推出了96層的 4D NAND。
傳統(tǒng)的 3D NAND 架構由堆疊的 NAND 陣列和外圍電路組成。外圍電路控制陣列并管理存儲器讀取和寫入。在大多數(shù)設計中,外圍電路放置在 3D NAND 陣列旁邊。這種布局占用了裸片區(qū)域,并最終限制了可用于內(nèi)存本身的區(qū)域數(shù)量。SK 海力士將過去放置在存儲單元旁側的外圍電路轉移至存儲單元下方,減少了芯片占用空間。并將其稱之為4D NAND。據(jù)SK 海力士的說法,其之后推出的128層 1Tb TLC 4D NAND,生產(chǎn)效率和成本效益分別提高了40%和60%。
外圍電路是 4D NAND 的底層更具體的,我們還可以看SK 海力士最新的321層 NAND。每個硅芯片可提供 1Tbit 的存儲容量,同時利用 3 位/單元 (TLC) 多級存儲方法,與前代產(chǎn)品相比,該增強版本的存儲密度提高了 41%,讀取延遲降低了 13%,寫入吞吐量提高了 12%,讀取功耗降低了 10%。
在堆疊方式上,也于慣例有所不同,并不是采用雙層堆疊150層,而是選擇了三層堆疊,每個堆棧包含 107 層。在300層以上NAND方面,SK 海力士的NAND開發(fā)主管 Jungdal Choi 在一場演講中放言:“憑借解決堆疊限制的另一項突破,SK 海力士將開啟 300 層以上 NAND 時代并引領市場?!逼鋵?D NAND背后的概念,在其他地方使用過。比如,英特爾和美光等公司之前在其 3D NAND 中采用了相同的架構,但將其稱為“CMOS under Array”(CuA)技術。
?04、NAND市場依舊焦灼
NAND市場依舊焦灼。從市場份額來看,2023年第四季度,三星仍牢牢占據(jù)著NAND閃存市場的頭把交椅。
三星四季度NAND Flash銷售收入43.36億美元,環(huán)比增長46.5%,市場份額35.4%;SK海力士(包括Solidigm)四季度NAND Flash銷售收入為24.49億美元,環(huán)比增長32.7%,市場份額為20.4%;鎧俠四季度NAND Flash銷售收入為17.81億美元,環(huán)比增長5.6%,市場份額為14.6%;西部數(shù)據(jù)四季度NAND Flash銷售收入為16.65億美元,環(huán)比增長7.0%,市場份額為13.6%。
此外,NAND閃存產(chǎn)業(yè)鏈動態(tài)頻出,部分廠商表示有提價或提高產(chǎn)能利用率的意愿。NAND的市場價格也在快速上漲。今年2月,NAND閃存通用產(chǎn)品的2月份平均固定交易價格為4.9美元。
盡管第二季NAND Flash采購量較第一季小幅下滑,但整體市場氛圍持續(xù)受供應商庫存降低,以及減產(chǎn)效應影響,預估第二季NAND Flash合約價將強勢上漲約13%~18%。從市場動態(tài)和需求變化來看,NAND Flash正在經(jīng)歷新一輪的變革。
?05、結語
NAND閃存結構從最初的2D到如今的3D、4D,層數(shù)不斷提高,24層、36層、48層、96層、128層、176層、200+層,到最近三星規(guī)劃的1000層,半導體從業(yè)者對技術的追求沒有止境。曾經(jīng)在2016年,專家指出,由于技術問題,3D NAND可能會在300層或接近300層時失去動力。
但到了今天,這似乎并不是問題。
Objective Analysis 首席分析師吉姆·漢迪 (Jim Handy) 表示:“實際上是沒有物理限制的。在半導體領域,總是有人說我們做不到。之前,有人說我們無法進行 20 納米以下的光刻?,F(xiàn)在,他們正在研究 1 納米。三星談到了 1000 層。
20年后,我們可能會嘲笑我們曾經(jīng)認為這已經(jīng)很多了?!?/p>