1000層NAND，是“勇者”的游戲

作者：九林

最近，鎧俠首席技術(shù)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(yù)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(shù)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(zhuǎn)向3D NAND。

回顧 2D NAND，它采用平面架構(gòu)，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(jié)構(gòu)。之后，存儲廠商通過在3D NAND中使用越來越多的層數(shù)來構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)該還是三層堆疊。也有機構(gòu)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(shù)路線之爭三星：V-NAND架構(gòu)

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(shù)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(shù)，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(shè)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(dǎo)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(shù)的瓶頸，并使3D NAND Flash從技術(shù)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(shù)，預(yù)計今年就將投入生產(chǎn)。

鎧俠：BiCS架構(gòu)

沖頭和塞子的基本流程BiCS架構(gòu)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(jié)構(gòu)）填充（塞?。┌鍫铍姌O中開設(shè)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(jié)構(gòu)）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(xué)術(shù)會議上提出BiCS FLASH“批量處理技術(shù)”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(yīng)用了先進的晶圓鍵合、橫向收縮技術(shù)，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(shù)，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(shù)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(gòu)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(shè)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(cè)的外圍電路轉(zhuǎn)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(lǐng)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(gòu)，但將其稱為“CMOS under Array”（CuA）技術(shù)。

?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(yīng)商庫存降低，以及減產(chǎn)效應(yīng)影響，預(yù)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(jié)語

NAND閃存結(jié)構(gòu)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(dǎo)體從業(yè)者對技術(shù)的追求沒有止境。曾經(jīng)在2016年，專家指出，由于技術(shù)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(dǎo)體領(lǐng)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。現(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>