3D NAND技术堆叠将走向何方?

发展至今，NAND Flash已呈现白热化阶段。就在前不久，存储厂商们还在128层“闪存高台上观景”，2019年6月SK海力士发布128层TLC 3D NAND；美光于2019年10月流片出样128层3D NAND；长江存储于今年4月份宣布推出128层堆栈的3D NAND闪存。转眼来到2020年末，美光和SK海力士相继发布了176层3D NAND。这也是唯二进入176层的存储厂商。不得不说，存储之战没有最烈，只有更烈。

2013年，三星推出的带有850 pro SSD的垂直3D NAND闪存打响了3D NAND技术堆叠的第一枪，多层变得很常见。层数越高，NAND闪存可具有的容量就越大，因此，增加层数以及提高产量是衡量技术实力的标准。垂直堆叠迅速成为半导体行业的标准，因为它有利于最大程度地减少彼此之间的干扰。此后，如美光和英特尔等厂商纷纷加入垂直堆叠的角逐中。如今，随着使用微细加工工艺而增加的单元以及数据处理量的增长，对大容量NAND闪存的需求还在增加。

存储厂商们各自努力，176层顶峰见真章

在全球NAND市场份额中，虽然美光排在第七位，但是在堆叠能力方面，美光却毫不逊色。美光是第一家发布176层3D NAND的存储厂商，其第五代3D NAND闪存是176层构造，这也是自美光与英特尔的存储器合作解散以来推出的第二代产品。2020年11月9日，美光宣布将批量发售世界上第一个176层3D NAND。

据美光官网介绍，该176层NAND采用了独特的技术，替换门架构将电荷陷阱与CMOS阵列下（CuA）设计相结合，与同类最佳竞争产品相比，其die尺寸减小了约30％。

Micron-CuA技术

与美光的大容量浮栅96层NAND相比，其读写时间缩短35％。与128层替换门NAND相比，美光公司176层NAND的读取延迟和写入延迟均提高了25％以上。在开放NAND闪存接口（ONFI）总线上，其最大数据传输速率为每秒1600兆传输（MT / s），据称是行业领先的。两者共同意味着系统启动速度更快，存储在NAND中的应用程序启动速度更快。

美光的96L和128L NAND最高速度为1200 MT / s。与美光等效的96L产品相比，176L产品在移动存储中的混合工作负载性能提高了15％。据报道指出，在使用电荷陷阱单元设计替代栅极设计之后，美光似乎已大大降低了闪存每一层的厚度。数据显示，176L裸片的厚度仅为45μm，总厚度与美光公司的64L浮栅3D NAND相同。

再就是SK海力士，据Anandtech报道，SK hynix日前发布了其最新一代的3D NAND。这是SK hynix的第三代产品，其PUC（Periphery under Cell）设计的特点是通过在存储器单元阵列下放置外围逻辑来减小芯片尺寸，类似于英特尔和美光的CMOS下阵列设计。SK hynix将这种裸片布局及其charge trap闪存单元的组合称为“ 4D NAND”。SK hynix命名为“ 4D NAND Flash”，主要是以突出通过在2018年将来自96层NAND Flash的CTF单元结构和PUC技术相结合而实现性能和生产率的差异。

这一代的变化包括位生产率提高了35％（仅比理论上从128层增长到176层时的值稍低），单元读取速度提高20％。NAND die和SSD控制器之间的最大IO速度已从128L NAND的1.2GT / s增加到176L NAND的1.6GT / s。

SK hynix计划首先将其176层 NAND用于移动产品（即UFS模块），该产品将在明年中期左右推出，其读取速度提高70％，写入速度提高35％。然后，消费者和企业级固态硬盘将跟进移动产品。SK海力士还计划基于其176层工艺推出1Tbit模具。

随着六家制造商在全球范围内为赢利而激烈竞争，NAND闪存部门正在整合。今年10月20日，SK海力士和英特尔签署了一项协议，根据该协议，SK海力士将以90亿美元的价格收购英特尔的NAND存储器和存储业务。该交易包括NAND SSD业务，NAND组件和晶圆业务以及中国大连NAND存储器制造厂。若交易达成，SK海力士将超越日本Kioxia，成为NAND内存市场的全球第二大厂商，并进一步缩小与行业领头羊三星之间的差距。SK 海力士以90亿美元收购英特尔 NAND Flash 业务，其核心是拿下作为3D NAND 存储器生产重镇的大连晶圆厂。

面对SK海力士和美光在3D闪存堆叠上的成就，其他闪存厂商也是在快马加鞭加紧研发的步伐。

三星电子作为全球NAND领导者，占有33.8％的市场份额，如果三星想在很长一段时间内保持这一头把交椅，就必须始终走在前面。毕竟，存储芯片业务是该公司免于遭受COVID-19打击的2020年第一季度遭受巨额利润下降的原因。根据韩国出版物The Bell的最新报告，该公司已经在下一代闪存芯片的开发方面取得了重大进展。

三星电子计划在2021年上半年大规模生产具有170层或更多层的第七代V-NAND闪存，并将使用字符串堆叠方法，结合两个88L模具，新芯片还将采用“双栈”技术。行业观察家表示，由于三星电子改变了其堆叠方法，该产品的发布已被推迟。今年6月初，三星宣布将在其位于韩国京畿道平泽工厂2号线的工厂中建设新的NAND闪存芯片生产设施。三星表示，将在新地点大规模生产其“尖端V-NAND存储器”芯片。

三星之后，就是铠侠（Kioxia），东芝存储器是从去年2019年10月1日起正式改名为“KIOXIA铠侠”，值得一提的是，NAND闪存由东芝于1987年首次提出的。今年10月，铠侠表示，该公司将在日本中部三重县的四日市工厂内建立一个新的1万亿日元（95亿美元）工厂，以提高其尖端NAND闪存的产量，因为该公司的目标是满足5G增长推动的不断增长的需求网络。这项投资将与美国合作伙伴Western Digital进行。该工厂将从明年春季开始分两个阶段进行建设。这家占地40，000平方米的工厂将是Kioxia最大的工厂。

在2020年英特尔架构日期间，英特尔谈到了他们的3D NAND技术。早在2019年9月于韩国首尔举行的英特尔存储日上，英特尔宣布他们将跳过业界大多数人正在开发的128层NAND闪存节点，并将直接跳到144层。英特尔表示，他们的144层QLC NAND闪存仍在按计划进行。英特尔希望到2020年底，将其144层QLC NAND闪存用于销售产品！144层QLC NAND的比特密度基本上比Intel目前生产的96层QLC NAND闪存高50％。因此，当144层QLC NAND闪存进入市场时，应允许SSD继续侵蚀消费者的旋转硬盘市场。

而西部数据于今年1月份宣布，它已经成功开发了其第五代3D NAND技术BiCS5，BiCS5设计使用112层，而BiCS4使用96层。BiCS5技术是与技术和制造合作伙伴铠侠共同开发的。他们的第五代BiCS 3D NAND已以512 Gbit TLC部件的形式开始生产，但要到今年下半年才能增加到“有意义的商业量”。计划用于这一代的其他部件包括1Tbit TLC和1.33 Tbit QLC die。

BiCS5采用了广泛的新技术和制造创新技术，是西部数据迄今为止最高密度和最先进的3D NAND技术。第二代多层存储孔技术，改进的工程工艺和其他3D NAND单元增强功能显着提高了整个晶片上水平的单元阵列密度。这些“横向扩展”的进步与112层垂直存储功能相结合，使BiCS5与Western Digital的96层BiCS4技术相比，每个晶片的存储容量提高了40％以上，同时优化了成本。新的设计增强功能还提高了性能，使BiCS5的I / O性能比BiCS4快50％。

国内长江存储进步非凡

此前，长江存储科技有限责任公司CEO杨士宁在“2020北京微电子国际研讨会暨IC World学术会议”上也谈到， 集成电路由二维向三维发展是必行趋势 。这可能不是一条唯一的路径，但确是一条需要强烈探索的路径。

平地一声雷，今年4月份长江存储宣布推出128层堆栈的3D NAND闪存，国外同行发现，长江存储跳级了，因为3D NAND是从32层、64层、96层逐渐移到128层，但是长江存储并未推出过96层堆栈，这是怎么一回事呢？

这就要追溯下长江存储的历史渊源，长江存储前身是武汉新芯，2016年7月，紫光联合大基金共同出资，在武汉新芯的基础上，创立长江存储，长江存储将精力放在与中科院微电子所的合作研究上。2017年年底，长江存储正式推出了国产首个真正意义上的32层 3D NAND闪存，中国终于有了自主知识产权的闪存芯片。

而国际闪存市场竞争激烈，此时长江存储开始探索一条适合自己的3D NAND技术，这是一条充满未知的道路，长江存储坚持创新发展，走差异化的路线，于2018年7月正式推出自家的独门绝技Xtacking®架构。

传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，降低了芯片的存储密度。随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路可能会占到芯片整体面积的50%以上。Xtacking®技术将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。

采用Xtacking®，可在一片晶圆上独立加工负责数据I/O及记忆单元操作的外围电路。这样的加工方式有利于选择合适的先进逻辑工艺，以让NAND获取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。存储单元同样也将在另一片晶圆上被独立加工。当两片晶圆各自完工后，创新的Xtacking®技术只需一个处理步骤就可通过数十亿根金属VIA（Vertical Interconnect Accesses，垂直互联通道）将二者键合接通电路，而且只增加了有限的成本。

长江存储始终与国际水平差一代的距离，如果还跟着别人后面跑，任何市场上实现不了商业化就只有死路一条，所以长江存储做出了一个疯狂的举措： 决定直接跳过96层堆栈闪存的研发，直接向128层的堆栈上探索 。2020年4月，长江存储抢先推出了128层QLC 3D NAND闪存芯片X2-6070。目前长江存储的技术已经处于全球一流的水准，下一步就是解决产能的问题。

杨士宁介绍，Xtacking主要具有四方面优势：一是速度快，具有更好的性能表现；二是工艺更结实；三是成本低，因为密度高；四是具有更高的灵活性。与国际存储大厂相比，长江存储表示，公司用短短3年时间实现了从32层到64层再到128层的跨越。长江存储3年完成了他们6年走过的路，杨士宁直言，长江存储不做最后一名，争取公司的下一代产品能够达到行业最前沿。

3D NAND 技术堆叠将走向何方？

3D NAND技术正在迅速发展，许多分析师认为， 厂商将继续在 3D NAND闪存中 添加层，直到不再可行为止 。2015年还只有32层存储单元，仅仅四五年之后，我们看到了96层、128层、112层、144层、176层等结构的发布。到2022年，256层结构成为可能。

Forward Insights总裁兼首席分析师Gregory Wong表示，NAND闪存的未来不可避免地围绕着每个单元的位数。Wong说，在过去的一年中，QLC NAND的使用主要集中在PC上，但是这种情况将会改变。“今年，我们期望看到用于超大规模数据中心的QLC驱动器及其在企业存储系统中的引入。” 事实也正是如此，越来越多的供应商开始谈论QLC设备的生产或生产。

但是，Wong说，扩展位密度和降低闪存设备的成本变得越来越困难。“尽管如此，NAND闪存将存在很长一段时间，因为目前还没有一种技术可以在比特密度和成本上竞争。

TechInsights，Inc.高级技术研究员Joengdong Choe在2020年闪存峰会上作了两次演讲，详细介绍了3D NAND和其他新兴存储器的未来。

他讲到，公众倾向于将注意力集中在层数上，这可能会产生误导，因为字线（带有存储单元的有源层）的实际数量会发生很大变化。例如，可以将其他层用作伪字线，以帮助缓解由较高层数引起的问题。效率的一项衡量标准是分层字线的总数除以总层数，通过这种衡量，三星拥有最佳设计之一。三星也没有使用多个卡座或堆栈-不像其他制造商当前的闪存那样使用“字符串堆栈”。一种提高总体效率的方法是将CMOS或控制电路（通常称为外围电路）放置在闪存层下面，例如CMOS阵列下（CuA），单元下外围（PUC）或外围单元（COP）。

Choe还概述了3D NAND架构的历史以及电荷陷阱闪存（charge trap flash：CTF）和浮栅（Floating gate：FG）的分道扬镳的过程。在过去，英特尔和美光使用浮栅，但美光在最近发布的176-D切换到替换门（ replacement gate：RG），而其他制造商还是使用电荷陷阱。尽管英特尔的QLC受益于使用浮栅，因为它可以保持更好的磨损性能，但此处的差异可能会影响闪存的耐用性，可靠性，可扩展性以及其他方面。

Choe预计，随着平台或堆栈数量的增加（目前最多为两个），层数将继续增加，每个闪存芯片的存储量也会相应增加。Choe认为，这些技术与硅通孔（TSV），叠层封装（PoP / PoPoP）以及向5LC / PLC的迁移等技术一样，都指向下一个十年的500层以上和3 TB裸片的3D闪存。

结语

就像摩尔定律走到现在，技术难度和成本要求越来越苛刻，随着3D NAND高楼越盖越高，以后也是非同一般的高难度技术，即便如此，也要硬着头干下去，直到干不动为止！可以预见，未来，NAND闪存制造商之间的竞争将会愈演愈烈。
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