美光3D NAND低成本制程分析 海力士/东芝能否赶上？

　　美光公司日前开始量产其32层（32L） 3D NAND快闪存储器，包含该元件的首批商用下游产品之一是Crucial 750GB SATA 2.5吋固态硬碟（SSD）。如图1所示，这款产品的连续读取/写入速度分别高达每秒530MB与每秒510MB；其功耗较一般硬碟驱动器（HDD）改善了90倍，据称也更加耐用。

　　Crucial SSD的售价为200美元，这使其成为笔记型电脑应用最具吸引力的选项，而且我们发现有越来越多的电脑设备开始利用SSD取代传统HDD。HDD也许将逐渐被市场所淘汰，不过必须承认的是各家相关厂商仍致力于使其创新，而且HDD的成本仍较SSD更低廉。因此，我们预计在短期之内，HDD仍将在市场上佔据主导地位。

　　

　　图1：美光Crucial CT750MX300SSD1 750GB SSD

　　图2所示为Crucial 750GB SSD的正面与背面电路板拆解图，可以看到其中包含8个美光NAND快闪存储器封装。这一数量相当于TechInsights在三星（Samsung）T3 2TB SSD中发现4个48层（48L） 3D NAND封装数量的两倍。因此，从封装数的角度来看，三星在每封装中的存储器容量仍然佔据优势。但从芯片层来看是否同样领先于美光？

　　

　　图2：采用美光3D NAND的Crucial SSD产品正面与背面电路板图

　　三星方面已经能够在每个NAND封装中加进16块芯片了，如图3所示。这意味着每块面积为99.8平方毫米的芯片可提供32GB储存容量，或者换算为每平方毫米约320MB。

　　Crucial 750GB SSD中包含8块美光的封装，其中单一封装可容纳2块芯片，面积为165平方毫米。这意味着该存储器的储存密度为284MB/mm2，低于三星的320MB/mm2。不过三星的最大优势在于其48层结构以及20奈米（nm）半位元线间距，相形之下，美光的40nm半位元线间距更为鬆散。

　　也许我们应该用三星在此之前推出的32层（32L） V-NAND进行比较，该系列产品发佈于2014年，同样採用20nm半位元线间距製造。同时，我们也发现，美光的284MB/mm2位元密度较优于三星在32L V-NAND中实现的127MB/mm2位元密度。

　　

　　图3：三星K9UGB8S7M 48L V-NAND快闪存储器

　　图4显示三星48L V-NAND芯片脱层后扩散的情形，可看到图中两个大型NAND巨集将芯片一分为二。页面缓衝与週边电路就位于NAND阵列巨集下方。该阵列巨集以垂直NAND串所使用的源极选择电晶体以及源极线触点加以填充。

　　

　　图4：三星48L V-NAND的扩散级芯片图

　　图5显示美光的扩散级芯片图，其佈局与三星的芯片差别很大，其中64个巨集涵盖大部份阵列。我们尚未对其进行分析，但我们认为它可能容纳页面缓衝器、行解码器、字元线开关以及可能存在的‘胶合’逻辑。这是一种迥异于三星芯片的设计策略，而且美光还宣称将主动电路放置在存储器器阵列下方，有助于提高了位元密度，同时也带来更低的芯片製造成本。

　　

　　图5：美光32L 3D NAND扩散级芯片图

　　图6来自TechInsights拆解分析报告的美光3D

　　NAND芯片横截面图。其中，垂直NAND串由38个闸极层构成，其中32个用于NAND储存单元，其余6个则可能作为虚拟以及选择闸极。该NAND阵列是2或3层堆叠的金属互连与电晶体。其中金属层1（即M1）看起来像是由钨製成的，这意味着它可能连接到该NAND阵列串的来源选择闸极。而金属层2（M2）似乎用于绕线。但实际的功能还有待我们对该元件进行电路级分析后才能确定。

　　

　　图6：美光32L 3D NAND阵列横截面

　　NAND单元结构可在图7中看得更清楚，而且我们已经初步确定了其中的一些分层，包括在整套NAND堆叠中以垂直方向执行的多晶硅环。此多晶硅环构成了垂直通道，周围并围绕着浮动闸与控制闸。其中浮动闸如图中的小圆点，构成中央多晶硅通道周围的连续环状结构。而控制闸与浮动闸之间则由多晶硅层间电介质加以隔离。

　　

　　图7：美光NAND单元的横截面图

　　三星于2014年推出其32L V-NAND垂直NAND快闪存储器，并于2016年紧接着推出48L V-NAND产品。美光则是第二家实现3D NAND商用化的厂商，并採取一种创新的途径，将主动电路放置在NAND阵列之下，从而缩小了芯片面积。美光还利用尺寸更大的製程节点（40nm半位元线间距）製造该芯片，这应该能够为其带来较三星V-NAND产品更低的製造成本。

　　目前，我们还无法断定3D NAND是否较平面NAND更具有製造成本的优势，但三星与美光显然都决定把赌注押在3D NAND产品上。如今的问题在于，海力士（SK Hynix）与东芝（Toshiba）两大市场竞争对手能否也拿出同样具备竞争优势的产品？

　　编译：Susan Hong

　　（参考塬文：Micron’s 3D NAND Innovative Fabrication Process，by Kevin Gibb）