打开APP

1000层NAND,是「勇者」的游戏

在3D NAND中,最终的目标是在基板上堆叠更多层,从而实现更高的密度。目前主要有两种堆叠方式——单层或者双层。

最近,铠侠首席技术官 (CTO) Hidefumi Miyajima表示,计划将在2031年批量生产超过 1,000 层的 3D NAND 存储器。不少人感叹,NAND终究是卷到了1000层。

其实,在去年的IEEE论坛上,三星也提出了类似的观点,预测到2030年将出现1000层NAND。

1000层NAND,是“勇者”的游戏。

1、3D NAND层数之争

自推出3D NAND闪存以来,NAND闪存行业在密度和技术方面取得了重大进步。尽管制程困难,但由于其优越的单元特性和比特成本可扩展性,仅用了几年时间,NAND闪存的主流就从2D NAND转向3D NAND。

回顾 2D NAND,它采用平面架构,浮动栅极 (FG) 和外围电路彼此相邻。2007年,随着2D NAND的尺寸达到极限,东芝提出了3D NAND结构。

之后,存储厂商通过在3D NAND中使用越来越多的层数来构建更高容量的芯片,从而降低每GB的生产成本。

去年3月,SK 海力士在会议上发表了300层以上NAND论文;铠侠推出了第8代BiCS 3D NAND闪存,为218层。5月,美光推出了232 层 QLC SSD。8月,SK海力士公布了321层堆叠4D NAND Flash闪存样品。12月,美光推出了232 层工作站 SSD。

3D NAND的层数之战仍在继续。

从理论上讲,堆叠1000层以上的NAND是可行的,但需要解决堆栈过程中的蚀刻问题,即必须蚀刻具有非常高纵横比的非常深的孔。尽管蚀刻技术在不断进步,但一次性蚀刻更深的孔具有很大的挑战,也无法提高蚀刻速度。而以沉积和蚀刻为主的工艺流程也堆栈如此多层数的话,将无法降低成本。

除了蚀刻之外,还需要用非常薄的介电层上下均匀地填充这个孔,而沉积几纳米的层并不容易,仍然具有挑战性。

2、NAND的多层堆叠

对于如何加高NAND层数,不同存储企业有不同的方式。

在3D NAND中,最终的目标是在基板上堆叠更多层,从而实现更高的密度。目前主要有两种堆叠方式——单层或者双层。

传统上,采用的是单层方法。例如,三星的 92 层 3D NAND 器件将所有 92 层堆叠在同一芯片上,其128层也同样是在同一芯片上堆叠了128层。

这种将所有层数堆叠在一个芯片上的方式,可以让存储厂商降低成本和开发时间。但是到128层的时候,就是单层的极限。这里的一个大问题就是刻蚀,目前一次性刻蚀达到128层就比较困难了。

然后,存储厂商将主意打在了双层上。就是比如一个96层的NAND,是将两个48层结构堆叠在一起。美光的176层器件,就是采用这种方式,将两个88层结构堆叠在一起。双层的好处就在于,更少的层数更容易进行刻蚀。

不过,在达到300层时,双层似乎也不管用了,业内认为在制造300层芯片时,最常用的应该还是三层堆叠。也有机构表示,三星明年下半年推出的第十代430层NAND,将会采用三层堆叠的方式。

3、技术路线之争

三星:V-NAND架构

三星于 2013 年率先向市场推出“V-NAND”(V代表Vertical,垂直的意思)。

V-NAND技术采用不同于传统NAND闪存的排列方式,通过改进型的Charge Trap Flash技术,在一个3D的空间内垂直互连各个层面的存储单元,使得在同样的平面内获得更多的存储空间。

此外,三星V-NAND闪存还放弃浮栅极MOSFET,使用电荷攫取闪存(charge trap flash,简称CTF)设计。每个cell单元看起来更小了,但里面的电荷是储存在一个绝缘层而非之前的导体上,理论是没有消耗的。这种更小的电荷有很多优点,比如更高的可靠性、更小的体积。

虽然三星推出的*款3D NAND堆叠层数仅为24层,但在当时却打破了平面技术的瓶颈,并使3D NAND Flash从技术概念推向了商业市场。

之后的10年间,三星推出了数代产品,以维护自己在NAND闪存市场的地位。如2020年推出的176层的第七代“V-NAND”。

到目前,三星正在开发的是300 层的第九代V-NAND,还是使用的双层堆叠技术,预计今年就将投入生产。

铠侠:BiCS架构

BiCS架构是铠侠在2007年提出的概念。在BiCS FLASH中,充当控制栅极的板状电极(上图中的绿色板)和绝缘体交替堆叠,然后立即垂直开出(打孔)大量孔到表面。接下来,用电荷存储膜(粉红色所示的部分)和柱状电极(灰色所示的柱结构)填充(塞住)板状电极中开设的孔的内部。在此条件下,板状电极与柱状电极的交点即为一个存储单元。

可以看一下 BiCS FLASH存储单元的放大视图。在 BiCS FLASH 存储单元中,电子在穿过柱中心的电极(灰色所示的结构)和电荷存储薄膜(粉色)之间交换。

这样,不是一次一层地堆叠存储单元,而是首先堆叠板状电极,然后在板状电极上开孔并连接电极,从而为所有层形成存储单元一次性完成所有操作,以降低制造成本。

自2007年在学术会议上提出BiCS FLASH“批量处理技术”概念以来,BiCS FLASH产品已于2015年实现48层、2018年96层、2020年112层、2020年162层的商用化。

目前,铠侠*的 3D NAND 器件是第八代 BiCS 3D NAND 存储器。新闪存包含四个平面(plane),应用了先进的晶圆键合、横向收缩技术,并在横向收缩、纵向收缩方面取得平衡,存储密度比上代提升超过50%,达到了1Tb(128GB)。

值得一提的是,西数、铠侠开发了新的CBA技术,也就是将CMOS直接键合在阵列之上(CMOS directly Bonded to Array),每个CMOS晶圆、单元阵列晶圆都使用最适合的技术工艺独立制造,再键合到一起,从而大大提升存储密度、I/O速度。

SK 海力士:4D NAND

SK 海力士将自己的堆叠方式称为4D NAND。在2018年,SK 海力士就推出了96层的 4D NAND。

传统的 3D NAND 架构由堆叠的 NAND 阵列和外围电路组成。外围电路控制阵列并管理存储器读取和写入。在大多数设计中,外围电路放置在 3D NAND 阵列旁边。这种布局占用了裸片区域,并最终限制了可用于内存本身的区域数量。

SK 海力士将过去放置在存储单元旁侧的外围电路转移至存储单元下方,减少了芯片占用空间。并将其称之为4D NAND。据SK 海力士的说法,其之后推出的128层 1Tb TLC 4D NAND,生产效率和成本效益分别提高了40%和60%。

更具体的,我们还可以看SK 海力士最新的321层 NAND。每个硅芯片可提供 1Tbit 的存储容量,同时利用 3 位/单元 (TLC) 多级存储方法,与前代产品相比,该增强版本的存储密度提高了 41%,读取延迟降低了 13%,写入吞吐量提高了 12%,读取功耗降低了 10%。

在堆叠方式上,也于惯例有所不同,并不是采用双层堆叠150层,而是选择了三层堆叠,每个堆栈包含 107 层。

在300层以上NAND方面,SK 海力士的NAND开发主管 Jungdal Choi 在一场演讲中放言:“凭借解决堆叠限制的另一项突破,SK 海力士将开启 300 层以上 NAND 时代并引领市场。”

其实4D NAND背后的概念,在其他地方使用过。比如,英特尔和美光等公司之前在其 3D NAND 中采用了相同的架构,但将其称为“CMOS under Array”(CuA)技术。

4、NAND市场依旧焦灼

NAND市场依旧焦灼。从市场份额来看,2023年第四季度,三星仍牢牢占据着NAND闪存市场的头把交椅。

三星四季度NAND Flash销售收入43.36亿美元,环比增长46.5%,市场份额35.4%;SK海力士(包括Solidigm)四季度NAND Flash销售收入为24.49亿美元,环比增长32.7%,市场份额为20.4%;铠侠四季度NAND Flash销售收入为17.81亿美元,环比增长5.6%,市场份额为14.6%;西部数据四季度NAND Flash销售收入为16.65亿美元,环比增长7.0%,市场份额为13.6%。

此外,NAND闪存产业链动态频出,部分厂商表示有提价或提高产能利用率的意愿。NAND的市场价格也在快速上涨。

今年2月,NAND闪存通用产品的2月份平均固定交易价格为4.9美元。尽管第二季NAND Flash采购量较*季小幅下滑,但整体市场氛围持续受供应商库存降低,以及减产效应影响,预估第二季NAND Flash合约价将强势上涨约13%~18%。

从市场动态和需求变化来看,NAND Flash正在经历新一轮的变革。

5、结语

NAND闪存结构从最初的2D到如今的3D、4D,层数不断提高,24层、36层、48层、96层、128层、176层、200+层,到最近三星规划的1000层,半导体从业者对技术的追求没有止境。

曾经在2016年,专家指出,由于技术问题,3D NAND可能会在300层或接近300层时失去动力。但到了今天,这似乎并不是问题。

Objective Analysis 首席分析师吉姆·汉迪 (Jim Handy) 表示:“实际上是没有物理限制的。在半导体领域,总是有人说我们做不到。之前,有人说我们无法进行 20 纳米以下的光刻。现在,他们正在研究 1 纳米。三星谈到了 1000 层。20年后,我们可能会嘲笑我们曾经认为这已经很多了。”

【本文由投资界合作伙伴半导体产业纵横授权发布,本平台仅提供信息存储服务。】如有任何疑问题,请联系(editor@zero2ipo.com.cn)投资界处理。

相关资讯

芯片半导体数据总览

最新资讯

热门TOP5热门机构 | VC情报局

去投资界看更多精彩内容
【声明:本页面数据来源于公开收集,未经核实,仅供展示和参考。本页面展示的数据信息不代表投资界观点,本页面数据不构成任何对于投资的建议。特别提示:投资有风险,决策请谨慎。】