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在以下NAND 3D NAND的层数有限制吗?
发布时间 : 2025-01-20
作者 : 小编
访问数量 : 23
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3D NAND的层数有限制吗?

内存供应商正在竞相为 3D NAND 添加更多层,数据爆炸以及对更大容量固态驱动器和更快访问时间的需求推动了3D NAND市场的竞争。

美光已经在完成 232 层 NAND 的订单,而且不甘示弱,SK 海力士宣布将于明年上半年开始量产 238 层 512Gb 三层单元 (TLC) 4D NAND。或许更重要的是,芯片制造商私下表示,他们将利用行业学习为目前正在开发的 3D-IC 堆叠 NAND。

西门子 EDA技术产品经理 Ben Whitehead 表示:“处理器的摩尔定律在过去几年中可以说一直滞后,但对于 NAND 闪存来说,摩尔定律仍然存在并且很好 。” “这是一件好事,因为现代计算和网络对快速存储有着无法满足的需求。”

SK 海力士于 2018 年推出了 96 层 NAND 的 4D 命名法。尽管有这个名字,但该公司并未在四维空间中创建其产品或模仿 tesseract 立方体。但这个词也不完全是营销噱头,它是 3D 架构变体的商品名。

“对于 DRAM,大约需要 10 或 15 年的研发才能取得成果,但对于 3D NAND,发展速度非常快。当你想到通常的开发速度时,你会感到惊讶,”新思科技研发总监林西伟说。“除了技术本身,它还是一款杀手级应用。苹果是第一个放入闪存来存储数据的。今天,我们买 iPhone 还是看内存有多少,而且都是闪存。从那里开始,大数据、人工智能和分析需要高性能计算。闪存正在填补硬盘驱动器和 RAM 内存之间的这一关键延迟差距。由于功耗、外形尺寸和密度成本,你可以看到应用程序,尤其是在数据中心、分析和游戏领域。”

演变与革命

回顾 2D NAND,它具有平面架构,浮栅 (FG) 和外围电路彼此相邻。2007 年,随着 2D NAND 达到其规模极限,东芝提出了 3D NAND 结构。

三星在 2013 年率先推出了其所谓的“V-NAND”。

3D 设计引入了多晶硅和二氧化硅的交替层,并将浮栅交换为电荷陷阱闪存 (CTF)。这些区别既有技术上的,也有经济上的。FG 将存储器存储在导电层中,而 CTF 将电荷“捕获”在电介质层中。由于制造成本降低,CTF 设计很快成为首选,但肯定不是唯一的。

IBM 研究员 Roman Pletka 指出:“尽管所有制造商都转向电荷陷阱单元架构,但我预计传统的浮栅单元在未来仍将发挥不可忽视的作用,尤其是对于容量或保留敏感的用例。”

海力士表示,尽管有摩天大楼式堆叠的创新,但第一代 3D NAND 设计将外围电路保留在一边。

最终,3D NAND 供应商将外围电路移至 CTF 之下。在 SK 海力士的术语中,它现在是 Periphery Under Cell (PUC) 层。一方面,说“4D NAND”比 CTF/PUC NAND 更短更酷。另一方面,最终这是 3D NAND 的另一种变体,每单位的单元面积更小。用于更小尺寸的类似设计有不同的商品名称,例如美光的 CMOS under Array (CuA)。

图 1:SK 海力士对 4D NAND 的解释。

来源:SK 海力士全球新闻编辑室。

图 2:外围电路是 4D NAND 的底层。

来源:SK 海力士全球新闻编辑室。

美光本身在 2022 年 7 月下旬宣布了 232 层 NAND,该产品正在生产中,从而获得了宣传的权利。根据该公司的新闻稿,美光表示,其 232 层 NAND 是存储创新的分水岭,首次证明了在生产中将 3D NAND 扩展到 200 层以上的能力。

“添加这些层的主要作用是增加容量,因为每个人都在寻找更多的 SSD 容量,”Cadence产品营销集团总监 Marc Greenberg 说。“因此,添加更多层基本上意味着可以在单一封装中存储更多千兆字节,并在单一类型的多层 3D NAND 组件上进行存储。添加所有这些层及其背后的技术是一种容量游戏。”

美光还声称拥有业界最快的 NAND I/O 速度 2.4 Gbps,与上一代相比,写入带宽提高了 100%,每个芯片的读取带宽提高了 75% 以上。此外,232 层 NAND 包含六平面 TLC 生产 NAND,美光表示这是所有 TLC 闪存中每个芯片最多的平面,并且能够在每个平面上独立读取能力。

据行业分析师称,这可能是该公告中最令人印象深刻的部分。由于有六个平面,这个芯片可以表现得好像它是六个不同的芯片。

图 3:美光的 232 层 NAND。来源:美光

中国的公司在232 层 3D NAND 模块好像也有进展。

制造:优势与挑战

在去年的 IEEE IEDM 论坛上,三星的 Kinam Kim 发表了一个主题演讲,他预测到 2030 年将有 1000 层闪存。这听起来可能令人头晕目眩,但这并不是完全的科幻小说。“与 NAND 闪存的历史趋势线相比,这已经放缓了,”imec 存储存储器项目总监 Maarten Rosmeulen 说。“如果你看看其他公司,比如美光或西部数据,他们在公开声明中提出的内容,他们甚至比这还要慢。不同的制造商之间也存在一些差异——似乎他们正在延长路线图,让它放慢速度。我们相信这是因为保持空间运转需要非常高的投资。”

尽管如此,竞争风险仍然足够高,以至于这些投资是不可避免的。“主要的前进方向,主要的乘数,是向堆栈添加更多的层,”Rosmeulen 说。“进行 XY 缩小和缩小内存孔的空间非常小。这很难做到。也许他们会在这里或那里挤压几个百分点,把孔放在一起,孔之间的缝隙更少,诸如此类。但这并不是最大的收获。如果你能继续堆叠更多的层,密度只能以目前的速度显著提高。”

图 4:NAND 制造中的 3D 步骤。来源:客观分析

进一步堆叠似乎是合理的,除了整个过程的核心不可避免的问题。

“主要挑战在于蚀刻,因为必须蚀刻具有非常高纵横比的非常深的孔,”Rosmeulen 说。“如果你看看上一代有 128 层,这是一个大约 6、7 或 8 微米深的孔,只有大约 120 纳米的直径,极高的纵横比。蚀刻技术有进步,可以一次性蚀刻更深的孔,但不会更快。您无法提高蚀刻速度。因此,如果工艺流程以沉积和蚀刻为主,而这些工艺步骤并没有提高成本效率,那么添加更多层对于降低成本不再有效。”

蚀刻也只是多个步骤之一。“除了蚀刻之外,你还需要用非常薄的介电层上下均匀地填充这个孔,”Synopsys 的 Lin 说。“通常情况下,由于晶圆的化学性质,沉积几纳米的层并不容易。在这里,他们必须一路向下才能填满。有亚原子层沉积方法,但它仍然具有挑战性。另一个大挑战是压力。如果你建立了如此多的层,这些层会经历一些蚀刻/沉积/清洁/热循环,这可能会导致局部和全局压力。在局部,因为在钻孔后,需要在整个堆栈中切出一个非常深的沟槽。它变成了一个非常高的摩天大楼,摇摇欲坠。如果开始进行一些洗涤或其他过程,很多事情都可能导致两座摩天大楼相互倒塌。那么就失去了收益。并且通过将如此多的材料相互叠放并切割不同的图案,这会产生全局应力并导致晶圆翘曲,这将导致晶圆厂无法处理,因为晶圆必须是平的。”

值得注意的是,蚀刻正在穿过不同材料的层。

Objective Analysis 的 Handy 表示,三星的解决方案是创建极薄的层。“这对整个行业很有用,因为每个人都使用几乎相同的工具来创造这些东西。”

让它更好地工作

闪存的基本概念也存在固有的功能挑战。“人们越来越依赖需要越来越强大的纠错算法来与这些设备一起工作,”Cadence 的 Greenberg 说。

问题是 NAND 闪存设备内置的智能并不多。“通常情况下,SSD 发生在控制器端,”Greenberg 解释说。“控制器正在向 NAND 闪存设备发送命令,NAND 闪存设备会做出响应,但它并没有太多的智能。它只是响应请求,例如针对特定地址的数据块。NAND 闪存设备将简单地响应该数据块。但是在控制器端,你必须首先对接收到的数据进行纠错,然后确定该块中是否存在不可接受的错误数量,然后决定如何重新映射该块地址空间并在其位置放置一个不同的块。所有这些决定都发生在控制器端。”

尽管如此,由纳米级摩天大楼建造的世界重新强调了 ONFI 控制器和 ONFI PHYS 等组件,并为设计人员提出了新的挑战。

“内存工厂可以生产的层数使与这些内存接口的控制器的设计验证问题变得非常复杂——而且它们可能并不那么明显。SSD 控制器必须处理更多的内存通道。将许多管道与越来越快(但永远不够快)的主机接口连接起来会在非常意想不到的地方产生瓶颈,”西门子的 Whitehead 说。“另一个设计验证挑战是功率。长期以来,大多数存储控制器的优先级较低,但现在已转变为关键功能。移动到较小的几何节点会有所帮助,但代价高昂。商业模式不能容忍重新旋转,更不用说供应链难以排长队了。上市时间的延迟让高层管理人员非常清楚。存储的增长动力甚至更多,这需要我们重新思考如何验证设计。AI 加速器需要更大的存储控制器,这可能会很快消耗您的仿真和原型设计能力。边缘智能需要数量级更复杂的设计验证。内存计算,如 CSD,需要测试新的处理器组合,将 RTOS 和 HTOS 与以前看不见的工作负载混合在一起。”

这是人们如此关注验证 IP 的原因之一。

西门子数字工业软件公司的 ICVS 产品经理 Joe Hupcey 表示:“使用此 IP 的自动化可以快速生成测试平台,让设计和验证团队在几分钟内启动并运行。” “这种生产力水平使我们能够对整个设计进行架构探索,从而尽早对所选择的权衡取舍充满信心。同时,它还建立了自动跟踪指标的框架——如代码、功能和场景覆盖率,使团队能够衡量他们的进度并拥有做出签核决定所需的数据。最后,基于我们在 CXL/PCIe 协议方面的专业知识,我们看到通用芯片互连快速 (UCIe) 等新兴标准在使团队能够协作以快速设计和验证这些大规模可扩展内存模块方面发挥着关键作用。”

此外,Imec 正在探索 3D NAND 的潜在新结构。它展示了所谓的“沟槽架构”,这是一种设计变体,其中存储单元是沟槽侧壁的一部分,两个晶体管位于沟槽的相对两端。Imec 铁电体项目总监 Jan Van Houdt 解释了它的价值:“与目前使用的环栅(或圆柱形)架构相比,3D 沟槽架构具有双倍密度的潜力。”

然而,他接着指出了一些缺点。“有两个高纵横比(=具有挑战性的)蚀刻步骤而不是一个,以及在闪光情况下隧道氧化物中的电场较低。第二个缺点在使用铁电 FET 时不存在,这使得沟槽版本对铁比对闪存更有吸引力。”该设计仍处于原型阶段。

结论

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。这似乎已被今天的谨慎乐观所取代。

“在 SK海力士的 238 层之后我预计未来几年层数将以大致相同的速度增加,”IBM 的 Pletka 说。“然而,从技术角度来看,由于高纵横比蚀刻工艺,增加层数受到挑战,而且资本支出也受到挑战,因为制造芯片的时间随着层数的增加而增加。这就是为什么我们将通过制作更薄的层、横向缩放(例如更密集地放置垂直孔)以及使用更有效的布局(例如共享位线和逻辑缩放)来看到新的缩放方向(例如,使用拆分门架构或存储更多每个单元的位数)。有了这些技术,预计 NAND 闪存的存储密度至少在未来 5 到 10 年内会以类似的速度增长。”

“当人们说我们不能超过这个层数时,没有物理限制,”Objective Analysis 的首席分析师 Jim Handy 说。“在半导体领域,总是有人说我们做不到。我们不能在 20 纳米以下进行光刻。现在,他们正在研究 1 纳米。三星谈到了 1000 层。”

*声明:本文系原作者创作。文章内容系其个人观点,我方转载仅为分享与讨论,不代表我方赞成或认同,如有异议,请联系后台。

长存被制裁一年后,三星、SK海力士宣布3D NAND将迈入300层!

2022年,美光、SK海力士、三星等相继量产了232层3D NAND Flash,但是在美方的制裁之下,长存128层及以上NAND Flash的供应链受到严重阻碍。在此背景之下,这些国际大厂纷纷加速迈向300层,希望能主导未来3D NAND Flash的技术路线。

今年8月初,SK海力士公布了其最新的321层堆叠4D NAND Flash闪存样品。近日三星也被爆出将会在明年推出拥有超过300层堆叠的第9代V-NAND技术,未来的第10代V-NAND技术将可能达到 430层芯片。

值得一提的是,由于美方对于长江存储(YMTC)制裁导致供给侧产能的下降,原有的市场竞争机制被美国的行政令所打破,三星等海外存储器企业正在考虑重新涨价。据中国台湾媒体DigiTimes报道去年12月报道称,在YMTC被制裁后,三星马上就将其3D NAND Flash的报价提高了10%。

随着三星、SK海力士等大厂纷纷向更具竞争力的超过300层、400层堆叠的3D NAND Flash迈进,而长江存储受到制裁成本进一步提高,海外存储器企业很可能将进一步占领市场。

300层意味着什么? 更低的成本+高大的市场份额

自从NAND Flash闪存引入3D堆叠技术以来,随着堆叠的层数的持续攀升,使得NAND Flash的存储密度也在持续提升,单位容量的生产成本也越来越低。数据显示,每年单位面积下NAND Flash的密度都会增加约30%,使得每bit容量的成本每年可下降约21%。尽管未来NAND Flash堆叠层数的提升可能会面临很多制造工艺(比如高深宽比的刻蚀、键合等)上的挑战,但预计仍将可以继续扩展。

△图片来源:semianalysis

2022年5月,存储芯片大厂美光(Micron)发布了业界首个 232 层堆栈的3D NAND芯片。随后在2022年7月26日,美光宣布其232层堆栈的TLC闪存正式量产。这是全球首个量产的超过200层的闪存,也是业界密度最高的,达到了14.6Gb/mm2,单个die的原始容量为 1Tb(128GB),接口速度提升到2.4GB/s,写入速度提升了100%,读取带宽提升75%。2022年 12月15日,美光宣布其最新的基于232层堆叠的NAND Flash闪存芯片的SSD模组——美光 2550 NVMe SSD 已正式向全球 PC OEM 客户出货。

△图片来源:美光

今年6月8日,SK海力士宣布其在2022年8月开发完成的238层堆叠的NAND Flash芯片正式开始量产。据介绍,SK海力士238 层堆叠技术 NAND Flash芯片,与上一代 176层堆叠 NAND Flash芯片相比,最高传输速率提升了50%达2.4Gb/s,使得整体的平均读写速度提升了约20%,同时制造效率也提高了 34%,使得成本竞争力显著提升。

△图片来源:pc.watch.impress.co.jp

今年8月8日,SK海力士宣布,借助其最新发布的321层堆叠4D NAND Flash闪存样品,使其正式成为业界第一家完成300层以上堆叠NAND Flash闪存开发的公司。

据介绍,SK海力士321层堆叠的1Tb TLC 4D NAND Flash,相比上一代238层堆叠的512Gb 4D NAND Flash的单位容量提升了41%,延迟降低了13%,性能提升了12%,功耗降低了10%,并且生产效率也提升了59%。而其生产效率之所以能够大幅提升59%的原因在于,数据储存单元可以用更多的单片数量堆叠到更高,这使得在相同大小面积的芯片上达到更大储存容量,也进一步增加了单位晶圆上芯片的产出数量。

△图片来源:pc.watch.impress.co.jp

根据SK海力士公布的资料显示,其321层NAND Flash由三个deck(可以理解为单元串)堆叠而成,每个deck有107层堆叠。SK海力士现有的238层NAND Flash则是两个deck,每个deck为119层堆栈。

△图片来源:pc.watch.impress.co.jp

不过,目前SK海力士的这款321层NAND Flash还是样品,真正商用还需要进一步优化。根据SK海力士的计划,需要到2025年上半年才开始量产供货。

相比之下,三星的超300层NAND Flash进展则更快。三星在2022年底就已经开始批量生产采用第8代V-NAND技术的产品,为1Tb(128GB)TLC 3D NAND闪存芯片,达到了236层,相比于2020年首次引入双堆栈架构的第7代V-NAND技术的176层有了大幅度的提高。其所采用的双堆栈架构,即在300mm晶圆上先生产一个3D NAND Flash堆栈,然后在原有基础上再构建另一个堆栈。

根据最新曝光的资料显示,三星的超300层堆叠的第9代V-NAND将会沿用上一代的双deck架构。也就是说,三星的超300层3D NAND Flash将通过将两个150 层堆叠的deck堆叠在一起制成。尽管制造时间更长,但堆叠两个 150 层组件比构建单个 300 层产品更容易制造。不过目前三星并未披露其超300层NAND Flash的技术规格。

三星计划在2024年开始生产基于其超300层的第9代V-NAND技术的产品。三星还计划会在2026年推出430层堆叠的第10代3D NAND Flash,届时可能会采用三deck堆叠架构。此外,三星在今年FMS 2023 技术大会上还透露,其计划在2030年开发出1000层的V-NAND技术。

除了三星、SK海力士之外,美光、西部数据/铠侠等NAND Flash制造商也在积极向300层以上突破,因为如果他们不这么做,他们的单位存储容量的NAND Flash生产成本将会高于三星和SK海力士,从而使得他们在市场竞争当中处于劣势。根据预计美光将会在2025年量产超过300层的3D NAND Flash技术。而西部数据/铠侠目前拥有218层的 BiCS Gen 8 技术,至于何时会推出超300层的技术尚不确定。

更高的堆叠层数的3D NAND Flash,意味着单die的存储位元密度和容量都将大幅提升,同时单位容量的存储位元的制造成本也将得到大幅降低。这将直接为率先量产300层以上的3D NAND Flash芯片的三星和SK海力士带来更强的产品竞争力。

鉴于目前三星和SK海力士两家韩国厂商就已经占据了全球超过50%的3D NAND Flash市场,率先量产300层以上的3D NAND Flash也将有望帮助他们进一步提升市场份额,巩固他们在市场上的垄断地位。

需要指出的是,随着3D NAND Flash堆叠层数的持续提升,也将会面临技术架构及制造工艺上的挑战,比如在转向CBA架构(CMOS 键合阵列)以及在高深宽比的刻蚀、沉积等方面。

转向CBA架构

过去传统的NAND Flash制造是只使用一块晶圆,NAND 阵列和CMOS电路的集成要么是将CMOS电路放置在单元阵列旁边(CMOS Next Array 或 CAN),要么将CMOS电路放置在 NAND 阵列 (CUA) 下方。大多数 NAND 供应商在其最初的 3D NAND 工艺中实施 CAN 方法,然后在后续工艺中迁移到 CUA。仅美光和英特尔 (Solidigm) 在 32 层 3D NAND 路线图之初就实施了 CUA。随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高,外围CMOS电路所占据的芯片面积或将达到50%以上。为了解决这一问题,YMTC(长存)在2018年推出了全新的Xtacking技术,推动了高堆叠层数的3D NAND制造开始转向了CBA(CMOS 键合阵列)架构。

△图片来源:YMTC

CBA 架构则是通过将两块独立的晶圆分别制造NAND阵列和外围CMOS逻辑电路,然后将CMOS逻辑电路堆叠在NAND阵列之上,二者之间的垂直连接则需要相应的键合技术来实现,形成间距为10μm 及以下的互连,且不会影响 I/O 性能。另外,由于两种类型的芯片可以在不同的生产线上制造,因此可以使用各自优化的工艺节点分别生产,不仅可以缩短生产周期,还可以降低制造复杂度和成本。此外,CBA 架构也使得每平方毫米的存储密度、性能和可扩展性可以进一步提高。

但是,从传统的单片生产,转换到CBA 架构,需要增加对新的洁净室空间和设备的额外投资。尽管成本高昂,但随着使用传统方法实现 3D NAND 扩展变得越来越困难,所有主要3D NAND Flash供应商都将会转向CBA架构,升级混合键合技术。

作为率先转向CBA架构的YMTC来说,其在CBA架构方向上已经进行了大量的投资,不仅其自研的Xtacking技术已经进展到了3.0版本,其斥巨额投资的生产设施也是围绕着CBA架构的需要来构建的。2021年,YMTC还与Xperi达成DBI混合键合技术相关专利组合许可。这些方面的积极投入都成为了YMTC能够快速在数年时间内在3D NAND Flash技术上追平国际一线厂商的关键。

铠侠和西部数据是继YMTC之后首批采用CBA 架构技术大规模生产3D NAND Flash 产品的主要制造商,他们发布的BiCS8 就是基于CBA 架构。此外,SK海力士和美光也分别在2020年和2022年向Xperi(子公司Adeia)拿到了混合键合技术的授权。

根据Yole Intelligence今年7月发布的研究报告显示,其预计三星、SK海力士、美光和西部数据/铠侠都将在2026年量产基于CBA 架构的300层以上的3D NAND Flash。并预计三星将在2027年量产400层以上的3D NAND Flash。

△图片来源:Yole Intelligence

但是,从三星和SK海力士最新公布的信息来看,三星的300层以上的3D NAND Flash提前到了2024年量产,SK海力士也提前到了2025年上半年量产。这比Yole Intelligence的预测提前了一年。显然,在长存被制裁之后,三星和SK海力士进一步加快了迈向300层的进程。而这无疑将进一步扩大对于包括长江存储在内的其他竞争对手的竞争优势。

技术挑战之外

除了需要转向CBA架构之外,随着3D NAND Flash堆叠层数的持续提升,也对于高深宽比的刻蚀、沉积等制造工艺带来了更多的挑战,需要半导体设备厂商推出更为先进的制造设备来进行应对。

△图片来源:泛林集团

但是由于美方的持续打压,这也导致了国产NAND Flash厂商在迈向更高堆叠层数的3D NAND Flash将面临更大的非技术因素的挑战。

随着美国去年出台的半导体新规,以及联合日本、荷兰对于先进半导体设备的对华出口进行了限制,同时YMTC也遭遇了美方的直接制裁,不仅相关生产设备及零部件的获取受到了影响,而且此前购买的一些设备也面临不能交货或无法使用困境。即便是能够切换其他可以采购到的设备,也必然会影响到生产,并且会带来额外的成本。

作为转向CBA架构的领军企业及Xtacking技术开创者,此时YMTC不仅向300层升级发展受限(比如所需的先进的刻蚀设备采购受限),这将意味着难以通过进一步的技术升级来降低3D NAND Flash成本。同时,原有128层以上的继续生产也受限,当下的生存也面临较大压力。如果无法继续采用CBA架构,那么YTMC则需要另辟蹊径,这必然需要带来更大的研发投入和额外的生产设施投资。再叠加近两年来NAND Flash市场的需求和价格的持续下滑影响,对于YMTC带来了极大的成本压力和财务压力。

所幸的是,近期NAND Flash市场开始出现回暖迹象。TrendForce的数据显示,在下半年供应商大幅削减产量后,NAND Flash 现货价格不再出现低价交易,连续数周出现止跌趋势;本周现货市场 512Gb TLC wafer 现货上涨 0.28%,来到1.440 美元。三星近日也被传出将要对NAND Flash涨价8~10%的消息,国内的存储模组厂商也将配合涨价。这对于正处于困境当中的YMTC来说,也正是一个“回血”的机会。

近几年,在YMTC与三星等全球头部的存储厂商的积极竞争之下,成功将2TB的SSD价格从2000元打到了500元。可以说,在市场逆势之下,三星等头部大厂的降价竞争并未打败YMTC,但是来自美方的打压确实是给YMTC带来了非常大的生存压力。而手握Xtacking专利的YMTC在“CBA”的时代能否抗住供应链端的重重挑战和成本压力,应对友商300层以上产品的强力围攻?短期内我们恐怕还不能盲目乐观,先要看下半年存储价格的反弹机会长存是否能把握,毕竟先要生存,然后才能谈后续的发展。

编辑:芯智讯-浪客剑

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