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半导体行业3D NAND Flash

Date: 2016-10-21
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3D NAND Flash 作为新一 代的存储产品,受到了业 内的高度关注!但目前3D NAND仅由三星 电子独家量产。而进入了最近两个月,先有东芝(Toshiba)杀入敌营,如今美光(Micron)也宣布研发出3D NAND 芯片,而且已经送样,三星一家 独大的情况将画下句点,加上早前Intel加大在大连工厂的3D Xpoint的投入,3D NAND大战一触即发。

半导体行业3D NAND Flash
什么是3D NAND闪存?
从新闻到评测,我们对3D NAND闪存的报 道已经非常多了,首先我们 要搞懂什么是3D NAND闪存。


我们之前 见过的闪存多属于Planar NAND平面闪存,也叫有2D NAND或者直接不提2D的,而3D 闪存,顾名思义,就是它是立体堆叠的,Intel之前用盖 楼为例介绍了3D NAND,普通NAND是平房,那么3D NAND就是高楼大厦,建筑面积 一下子就多起来了,理论上可以无线堆叠。



3D NAND闪存也不 再是简单的平面内存堆栈,这只是其中的一种,还有VC垂直通道、VG垂直栅极等两种结构。


3D NAND闪存有什么优势?


在回答3D NAND闪存有什 么优势的时候,我们先要了解平面NAND遇到什么问题了——NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分,为了进一步提高容量、降低成本,NAND的制程工 艺也在不断进步,从早期的50nm一路狂奔到目前的15/16nm,但NAND闪存跟处理器不一样,先进工艺 虽然带来了更大的容量,但NAND闪存的制 程工艺是双刃剑,容量提升、成本降低 的同时可靠性及性能都在下降,因为工艺越先进,NAND的氧化层越薄,可靠性也越差,厂商就需 要采取额外的手段来弥补,但这又会提高成本,以致于达 到某个点之后制程工艺已经无法带来优势了。

相比之下,3D NAND解决问题 的思路就不一样了,为了提高NAND的容量、降低成本,厂商不需 要费劲心思去提高制程工艺了,转而堆叠 更多的层数就可以了,这样一来3D NAND闪存的容量、性能、可靠性都有了保证了,比如东芝的15nm NAND容量密度为1.28Gb/mm2,而三星32层堆栈的3D NAND可以轻松达到1.87Gb/mm2,48层堆栈的则可以达到2.8Gb/mm2。


传统的平面NAND闪存现在 还谈不上末路,主流工艺是15/16nm,但10/9nm节点很可能是平面NAND最后的机会了,而3D NAND闪存还会继续走下去,目前的堆栈层数不过32-48层,厂商们还在研发64层甚至更 高层数的堆栈技术。

四大NAND豪门的3D NAND闪存及特色

在主要的NAND厂商中,三星最早量产了3D NAND,其他几家公司在3D NAND闪存量产 上要落后三星至少2年时间,Intel、美光去年才推出3D NAND闪存,Intel本月初才发布了首款3D NAND闪存的SSD,不过主要 是面向企业级市场的。

这四大豪门的3D NAND闪存所用的技术不同,堆栈的层数也不一样,而Intel在常规3D NAND闪存 之外还开发了新型的3D XPoint闪存,它跟目前的3D闪存有很大不同,属于杀手锏级产品,值得关注。


上述3D NAND闪存中,由于厂商 不一定公布很多技术细节,特别是很 少提及具体的制程工艺,除了三星 之外其他厂商的3D NAND闪存现在 才开始推向市场,代表性产品也不足。


三星:最早量产的V-NAND闪存


三星是NAND闪存市场 最强大的厂商,在3D NAND闪存上也是一路领先,他们最早在2013年就开始量产3D NAND闪存了。在3D NAND路线上,三星也研 究过多种方案,最终量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存,目前已经发展了三代V-NAND技术,堆栈层数从之前的24层提高到了48层,TLC类型的3D NAND核心容量可达到256Gb容量,在自家的840、850及950系列SSD上都有使用。


值得一提的是,三星在3D NAND闪存上领 先不光是技术、资金的优势,他们首先选择了CTF电荷撷取闪存(charge trap flash,简称CTF)路线,相比传统的FG(Floating Gate,浮栅极)技术难度要小一些,这多少也 帮助三星占了时间优势。


有关V-NAND闪存的详 细技术介绍可以参考之前的文章:NAND新时代起点,三星V-NAND技术详解


东芝/闪迪:独辟蹊径的BiCS技术


东芝是闪 存技术的发明人,虽然现在 的份额和产能被三星超越,不过东芝在NAND及技术领 域依然非常强大,很早就投入3D NAND研发了,2007年他们独 辟蹊径推出了BiCS技术的3D NAND——之前我们也提到了,2D NAND闪存简单 堆栈是可以作出3D NAND闪存的,但制造工艺复杂,要求很高,而东芝的BiCS闪存是Bit Cost Scaling,强调的就是随NAND规模而降低成本,号称在所有3D NAND闪存中BiCS技术的闪 存核心面积最低,也意味着成本更低。


东芝和闪 迪是战略合作伙伴,双方在NAND领域是共享技术的,他们的BiCS闪存去年开始量产,目前的堆栈层数是48层,MLC类型的核心容量128Gb,TLC类型的容量可达256Gb,预计会在 日本四日市的Fab 2工厂规模量产,2016年可以大量出货了。


SK Hynix:闷声发财的3D NAND


在这几家NAND厂商中,SK Hynix的3D NAND最为低调,相关报道很少,以致于找不到多少SK Hynix的3D NAND闪存资料,不过从官 网公布的信息来看,SK Hynix的3D NAND闪存已经发展了3代了,2014年Q4推出的第一代,2015年Q3季度推出的第二代,去年Q4推出的则是第三代3D NAND闪存,只不过前 面三代产品主要面向eMCC 5.0/5.1、UFS 2.0等移动市场,今年推出的第四代3D NAND闪存则会针对UFS 2.1、SATA及PCI-E产品市场。

SK Hynix的3D NAND闪存堆栈层数从36层起步,不过真正量产的是48层堆栈的3D NAND闪存,MLC类型的容量128Gb,TLC类型的也可以做到256Gb容量。


Intel/美光:容量最高的3D NAND闪存


这几家厂商中,Intel、美光的3D NAND闪存来的最晚,去年才算正式亮相,不过好菜不怕晚,虽然进度上落后了点,但IMFT的3D NAND有很多独特之处,首先是他们的3D NAND第一款采用FG浮栅极技术量产的,所以在成 本及容量上更有优势,其MLC类型闪存 核心容量就有256Gb,而TLC闪存则可以做到384Gb,是目前TLC类型3D NAND闪存中容量最大的。

SK Hynix的3D NAND闪存堆栈层数从36层起步,不过真正量产的是48层堆栈的3D NAND闪存,MLC类型的容量128Gb,TLC类型的也可以做到256Gb容量。


Intel/美光:容量最高的3D NAND闪存


这几家厂商中,Intel、美光的3D NAND闪存来的最晚,去年才算正式亮相,不过好菜不怕晚,虽然进度上落后了点,但IMFT的3D NAND有很多独特之处,首先是他们的3D NAND第一款采用FG浮栅极技术量产的,所以在成 本及容量上更有优势,其MLC类型闪存 核心容量就有256Gb,而TLC闪存则可以做到384Gb,是目前TLC类型3D NAND闪存中容量最大的。


半导体行业3D NAND Flash

384Gb容量还不终点,今年的ISSCC大会上美 光还公布了容量高达768Gb的3D NAND闪存论文,虽然短时 间可能不会量产,但已经给 人带来了希望。


Intel的杀手锏:3D XPoint闪存


IMFT在3D NAND闪存上进 展缓慢已经引起了Intel的不满,虽然双方 表面上还很和谐,但不论是16nm闪存还是3D闪存,Intel跟美光似乎都有分歧,最明显的例子就是Intel都开始采 纳友商的闪存供应了,最近发布的540s系列硬盘就用了SK Hynix的16nm TLC闪存,没有用IMFT的。


Intel、美光不合 的证据还有最明显的例子——那就是Intel甩开美光 在中国大连投资55亿升级晶圆厂,准备量产新一代闪存,很可能就是3D XPoint闪存,这可是Intel的杀手锏。

这个3D XPoint闪存我们 之前也报道过很多了,根据Intel官方说法,3D XPoint闪存各方 面都超越了目前的内存及闪存,性能是普通显存的1000倍,可靠性也 是普通闪存的1000倍,容量密度是内存的10倍,而且是非易失性的,断电也不会损失数据。


由于还没有上市,而且Intel对3D XPoint闪存口风很严,所以我们无法确定3D XPpoint闪存背后到底是什么,不过比较 靠谱的说法是基于PCM相变存储技术,Intel本来就是 做存储技术起家的,虽然现在 的主业是处理器,但存储技 术从来没放松,在PCM相变技术上也研究了20多年了,现在率先 取得突破也不是没可能。


相比目前的3D NAND闪存,3D XPoint闪存有可能革掉NAND及DRAM内存的命,因为它同 时具备这两方面的优势,所以除了 做各种规格的SSD硬盘之外,Intel还准备推出DIMM插槽的3D XPoint硬盘,现在还不能取代DDR内存,但未来一切皆有可能。


3D NAND技术进展


2016年年下半除东芝(TOSHIBA)就64层3D NAND闪存展开送样出货外,三星电子电子(Samsung Electronics),美光(美光),SK海力士(SK海力士)等记忆体 业者亦将陆续量产,将促使3D NAND闪存垂直 堆叠最高层数自64层朝2017年年的80层迈进.DIGITIMES研究观察,由于干蚀刻使用在64层以上更 高堆叠层数的三维NAND闪存,其蚀刻速 度与正确性可望优于湿蚀刻,将使三星于64层以上的3D NAND闪存转向 干蚀刻发展的可能性提升。


垂直通道(垂直通道)构造的三维NAND闪存系指字元线(字线,WL)与位元线(位 栈)构造,垂直通道 具备成本优势,成为记忆 体业者发展的三维NAND闪存所采主流构造。


随3D NAND Flash持續朝64層以上更 高垂直堆疊層數邁進,製程中需 貫通至底部的蝕刻厚度將較以往增加,且蝕刻精 密度亦將提升。


湿蚀刻与 乾蚀刻主要特性,湿蚀刻具 备纵向与横向同时蚀刻的效果,乾蚀刻则 朝单一方向蚀刻,而湿蚀刻 可运用只对被蚀刻物产生化学反应的材料,其蚀刻选择性(Selectivity)优于乾蚀刻。


DIGITIMES研究观察,干蚀刻相 对湿蚀刻适用于线宽较小的制程,如应用于64层以上的3D NAND NAND闪存制程。


半导体行业3D NAND Flash

国内的3D NAND进展


由于国家 政策和大基金的支持,中国大陆 现在也把存储芯片作为重点来抓,3D NAND也顺理成 章成为广大厂商关注的重点,早前被紫 光纳入旗下的武汉新芯科技(XMC)很早已经 在武汉开工建设12英寸晶圆厂,第一个目标就是NAND闪存,而且是直接切入3D NAND闪存,他们的3D NAND技术来源 于飞索半导体(Spansion),而后者又是1993年AMD和富士通把双方的NOR闪存部门合并而来,后来他们 又被赛普拉斯半导体以40亿美元的价格收购。


2015年新芯科 技与飞索半导体达成了合作协议,双方合作研发、生产3D NAND闪存,主要以后者的MirrorBit闪存技术为基础。搜遍了网 络也没找到多少有关MirrorBit的技术资料。这两家公 司的闪存技术多是NOR领域的,3D NAND显然是比不过三星、SK Hynix及东芝等公司的,有一种说法是MirrorBit的堆栈层数只有8层,如果真是这样,相比主流的32-48层堆栈就差很远了,成本上不 会有什么优势。



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