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2019 - 07 - 16
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发布时间: 2019 - 01 - 06
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半导体行业3D NAND Flash

日期: 2016-10-21
浏览次数: 561

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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