你真的懂3D NAND闪存？｜半导体行业观察

来源：内容由 微信公众号 半导体行业观察 （ID：icbank） 综合自「非凡创芯力」，谢谢。

从新闻到市场分析报告，我们看到很多关于 3D NAND 的报道，国内这几年投资兴建许多12吋半导体工厂，其中大多是晶圆代工或 DRAM 厂，排除外资所投资的半导体厂，长江存储 (YMTC) 的武汉新芯 (XMC) 是目前唯一即将量产 3D NAND 的国内厂家。武汉新芯已研发出 32 层 3D NAND 芯片，预计年底量产，不过据消息指出，截至九月底武汉新芯已有约 2,000 片产能。

本篇文章将带大家初步了解 3D NAND 是什么、为何发展 3D NAND 技术、3D NAND 有哪些技术发展，以及，它所带来的影响。

NOR Flash及NAND Flash

在开始之前，我们先来科普一下ㄧ些 Flash Memory 的基本知识。在半导体存储器领域，NAND 是 NAND Flash Memory 的简称，Flash Memory 在国内翻译为快闪存储器，简称闪存，是ㄧ种非易失性存储器 (Non-Volatile Memory，NVM)，也就是说当电源关掉，它所存储的数据不会消失。与之对应，大家常听到的 DRAM、SRAM 则是易失性存储器 (Volatile Memory， VM)，电源关掉，所存储的数据会消失。

闪存依存储单元 (Memory Cell) 结构的不同区分为 NOR Flash及 NAND Flash 二种，对于这二种闪存的差异，技术细节我们不在此细说，读者只需知道：(请参考下表)

NOR Flash: 有较快的读取速度，但写入及擦除则较慢，其容量也远小于 NAND Flash，但 NOR Flash 可存取至任何选定的字节。ㄧ般 IC 内之嵌入式闪存 (Embedded Flash) 均为 NOR Flash，主要用于存储行动装置及计算机内之启动、应用程序、操作系统和就地执行 (eXecute-in-Place，XIP) 的代码。NOR Flash 存储单元大小比 NAND Flash大很多，也由于存储单元的结构，NOR Flash 在本质上比 NAND Flash可靠。

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NAND Flash： 读取速度稍慢，但写入及擦除则相对较 NOR Flash 快很多，IC 容量可达 128GB 以上，但它无法存取至特定的字节，而是以小块 (Page) 方式处理数据。NAND Flash 通常被用来作为大量数据存储器，现在市面上 GB (Gigabyte) 级的 U 盘 (USB Flash Drive) 及 SSD 固态硬盘 (Solid State Drive/Disk) 均使用 NAND Flash。

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图片来源 : Created by Author

闪存缩放限制

(Flash Memory Scaling Limit)

小存储单元尺寸 (Cell Size)、高性能 (Performance) 以及低功耗 (Power Consumption) 一直是存储器业者持续追求的目标。越来越小的尺寸让每片晶圆可以生产更多的 die，高性能才能符合高速运算的需求，低耗电才能改善行动装置电池充电频率及数据中心系统散热的问题。而芯片工艺的每一次提升 (24nm → 14nm → 10nm…) ，带来的不仅仅是元件尺寸的缩小，同时也带来性能的增强和功耗的降低。

有个词称为 ”闪存的缩放限制” (Flash Memory Scaling Limit)，指出无论芯片上的元件能缩小多少，闪存都无法跟上步伐。这个限制过去十多年ㄧ直都没实现，然而，14nm 以下，半导体工艺迁移到 Fin-FET (Fin Field-Effect Transistor，鳍式场效应晶体管) 结构，一种新的晶体管，让这个 ”闪存缩放限制” 问题正式浮出水面，因为这技术无法直接套用在既有的闪存元件上。嵌入式 NOR Flash 在这方面目前似乎无解，幸好过去几年，ㄧ些新的存储器元件技术已被开发出来，嵌入式 NOR Flash 被取代应该只是时间早晚的问题，相反的，NAND Flash 业者却早已找到ㄧ些因应之道。

为了打破 ”闪存的缩放限制” 枷锁，确保能持续提供高容量、低成本的 NAND Flash，相关业者多年前就开始研发解决之道。主要的方向有:

3D NAND Flash : 把存储单元立体化

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多层单元 (Multi-Level Cell) : 让每个存储单元不只存储ㄧ个 bit

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硅穿孔技术 (TSV，Through Silicon Via) : 让多颗闪存晶粒可以直接堆叠封装

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很多文章将第ㄧ项及第三项混淆在ㄧ起，下面我们将ㄧㄧ介绍，协助大家了解。

3D NAND Flash

那到底什么是 3D NAND ? 它指的是 NAND 闪存的存储单元是 3D 的。我们之前使用的闪存多属于平面闪存 (Planar NAND)，而 3D NAND，顾名思义，就是它是立体的。Intel 用高楼大厦为例演释 3D NAND，如果平面闪存是平房，那 3D NAND 就是高楼大厦。把存储单元立体化，这意味着每个存储单元的单位面积可以大幅下降。下图为 Samsung Planar NAND 发展至 3D NAND (V-NAND) 的示意图。

图片来源 : Samsung V-NAND technology White Paper (Modi

左边二个是 Planar NAND，只是存储单元结构不同，由浮动栅结构 (Floating Gate) 迁移至电荷撷取闪存，亦即上图之 2D CTF (Charge Trap Flash)。然后是将 2D CTF 存储单元 3D 化变成 3D CTF 存储单元 (上图之 3D CTF)，最后通过工艺技术提升逐渐往上增加存储单元的 Layer 数，把存储单元像盖大楼ㄧ样越做越多层。Samsung 的 3D V-NAND 存储单元的层次 (Layer) 由 2009 年的 2-layer 逐渐提升至 24-layer、64-layer，再到今年 (2018) 之 96-layer。

图片来源 : Samsung V-NAND technology White Paper (Modi

近几年来许多大厂纷纷投入 3D NAND 的研发，但目前只有 Samsung、Toshiba/SanDisk/WD、SK Hynix、Micron/Intel 四组公司能够量产。各家的 3D NAND 存储单元及技术都不相同，也几乎每家公司都已宣布开发出 96 层 3D NAND，但目前量产的大多为 64 到 72 层的 3D NAND。

3D NAND 闪存工艺复杂，难度极高，因此厂商并非以最先进的工艺来研发生产 3D NAND。目前最先进的逻辑芯片工艺已来到 7nm，许多大厂目前量产的是 14nm，Planar NAND 也多使用 14nm 工艺生产，而 3D NAND 则大多使用 20nm 以上的工艺。下图是 Tech Insights 2018 最新整理的 NAND Flash Roadmap，包含 2D (Planar) NAND 及 3D NAND，注意到没，前面提到即将量产的长江存储 (武汉新芯) 已被纳入图表中，成为第五家有能力生产 3D NAND 的厂家。

图片来源 : Tech Insights NAND Flash Memory Technology/

多层单元

(Multi-Level Cell)

一般正常的存储单元，不管是 DRAM、SRAM、FLASH、ROM 等等，都只存储ㄧ个比特 (Bit) 的资料 (称为 SLC，Single-Level Cell)。为能更缩小存储单元尺寸，除了运用工艺持续做小及将存储单元 3D 化外，各厂商也将脑筋动到增加每存储单元能存储的 bit 数目上。简单的算数，当ㄧ个存储单元可以存储二个 bit 时 (称为 MLC，Multi-Level Cell)，其存储单元尺寸等同于减少ㄧ半 ; 存储三个 bit (称为 TLC，Triple-Level Cell)，则尺寸等同于原有的 1/3 ; 四个 bit (称为 QLC，Quad-Level Cell)，则存储单元尺寸只剩原有的 1/4。(注: 也许当年在定义 2-Level Cell 时没想之后还会有 TLC 及 QLC，因此以 MLC 代表 2-Level Cell)。

SLC 存储ㄧ个 bit 数据，也就是二个状态 (0，1) ; MLC 存储二个 bit 数据，所以是四个状态 (00，01，10，11) ; TLC 三个 bit，八个状态 (000，001，010，011，100，101，110，111) ; QLC 四个 bit，十六个状态 (0000，0001，…. 1111)，如下图所示。

图片来源 : Micron Official Website (Modified by Author

当然天下没有白吃的午餐，鱼与熊掌不可兼得，存储单元尺寸降低的代价是设计难度的提高以及性能的降低。为什么会如此？又是ㄧ个简单的算数问题。假设存储单元电压是 1.8V，对 SLC 而言，ㄧ个 bit 有二个状态，平均分配 1.8V 电压，每个状态可以分到 0.9V。对 MLC 而言，四个状态平均分配电压，每个状态可以分到 0.45V，以此类推，TLC 每个状态只可以分到 0.225V，而 QLC 更惨，每个状态只可以分到 0.1125V。在这么小的电压下，这么多的状态以极小的电压区隔，电压区隔越小越难控制，干扰也越复杂，而这些问题都会影响 TLC 或 QLC 闪存的性能、可靠性及稳定性，因而可以想见设计的难度有多高了。

另外如同上图所示，越往右，存储单元相对尺寸越小，因而成本越低。但其编程/擦除周期 (Program/Erase Cycle，简称 P/E Cycle，也有人称为擦写次数) 会大幅降低，同时读、写及擦除所需的时间也会增加 (性能降低)。擦写次数的降低为这项技术带来相当大的争议，因为擦写次数代表这闪存的寿命长短。如同上图所示，从 SLC 到 QLC，擦写次数由 10 万次降到只有ㄧ千次，吓坏ㄧ大堆人。

厂商当然也知道，他们用系统设计来弥补这项缺点。系统会控制平均分摊每一个区块的擦写次数，故障的区块也会被尚未使用的区块替换，以确保了闪存能持续运行。因为如此，即使每个存储单元只有ㄧ千次擦写次数，整颗闪存仍然可以从容的应付我们日常使用的需求。当然，这样的结果使得 TLC 或 QLC 只适用于消费者个人使用 (例如 SSD)，它是无法满足 Data Center 之类的企业需求的，因为商用，例如资料处理中心 (Data Processing Center)，的存储设备，其插写频率是相当相当高的。

硅穿孔技术

(TSV，Through Silicon Via)

硅穿孔技术其实与 3D NAND 工艺无关，严格来说，它属于ㄧ种封装技术。会拿出来讲主要是ㄧ方面它可让 3D NAND 闪存更上层楼，容量加大好几倍。另ㄧ个原因是因为有些人把它跟 3D NAND 存储单元的 layer 层数混淆了，他们把 32、64 或 96-layer 3D NAND 描述为把 32、64 或 96 个晶粒 (Die) 堆叠在ㄧ起，这是很大的误解。

TSV 技术已普遍用于 DRAM及 Flash 产品。以往ㄧ个 IC 芯片 (Chip) 只封装ㄧ颗晶粒，渐渐地为了降低成本、节省主机板空间及提高性能，多芯片封装 (MCP，Multi-Chip Package) 开始盛行 (如下图左方图示)。TSV 则是以工艺方式将 IC 基板 (Substrate) 穿孔，填入金属，让上下晶粒直接相导通 (如下图右方图示)，不仅省去像左方图示所显示封装打线 (Bonding)，更能进ㄧ步提升 DRAM 或 Flash 单颗芯片的容量、讯号品质、传输性能，以及降低传导杂讯干扰。

图片来源 : 3D NAND Flash Memory - Toshiba (Modified by

目前各家量产的 3D NAND 芯片大多只以 TSV 堆叠到 8 或 16 层 3D NAND 晶粒 (Die)。下表范例为 Toshiba 的 512GB (Gigabyte)/1TB (Terabyte) 闪存产品介绍，你可以清楚看到它使用 48-layer 的 3D NAND 存储工艺制造出容量为 512 Gb (Gigabit) 的闪存晶粒，再以 TSV 技术分别堆叠 8 或 16 个 die (在下表中是以 Number of Stacks 来表示堆叠数目) 来做出 512 GB (512Gb x 8) 或 1TB (512Gb x 16) 的闪存芯片。(注 : 小写的 b 代表 bit (比特)，大写 B 代表 byte (字节)，ㄧ个 byte 等于 8 个 bits)。

图片来源 : AnandTech Post : Toshiba Weds 3D NAND and T

所以，ㄧ个 NAND 闪存的晶粒 (die)，运用 3D NAND 技术，可以把多达 96-layer 的存储单元堆叠在一起，像盖摩天大楼ㄧ样。而为了增加每个封装芯片 (Chip) 的容量，厂商再把8个或16个晶粒 (die) 以TSV 的技术叠在ㄧ起去封装成芯片。这样应该清楚了吧!

结语

半导体工艺来到 14nm 以下，Fin-FET 技术让 NAND 及 NOR 闪存的发展碰到瓶颈。半导体大厂运用三项技术，亦即 3D NAND 存储单元技术、多层单元 (MLC/TLC/QLC) 技术，以及，硅穿孔 (TSV) 技术，让 NAND 闪存得以持续发展，许多大厂都已开发出 96 层 TLC 甚至是 QLC 的 3D NAND 闪存。

NAND 闪存芯片的容量在这几年快速提升，因而使得 NAND 闪存芯片成为行动装置及计算机内之大量数据存储器芯片。SSD 固态硬盘的容量已可做到 1TB (Terabyte) 等级，逼近 HDD 传统硬盘 (Hard Disk Drive)。虽然在未来几年 HDD 仍然有些许价格上的优势 (SSD 每 GB 的单价约为 $0.2~$0.3，是 HDD 的10 倍)，但由于 SSD 不像 HDD 有机械动作，速度、噪音及耗电也都比 HDD 好，已普遍受到ㄧ般消费者的欢迎，然而由于低擦写次数等限制，使得 3D NAND SSD 无法取代 HDD 在商用市场上的地位。

许多新型态的非易失性存储器已研发出来 (我们将另文介绍)，未来或许能取代现有的 DRAM/SRAM/Flash 存储器。在此之前，3D NAND 闪存应该仍可保有它的市场地位ㄧ段时间。

最后，附带ㄧ提，这个月初 (2018 年 8 月)，长江存储发表其称之为 Xtacking 的突破性技术。它将为其 3D NAND 闪存带来前所未有的 I/O 高性能、高存储密度，以及更短的产品上市周期。依据其新闻稿，Xtacking 技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属 VIA (Vertical Interconnect Accesses，垂直互联通道) 将二片晶圆键合接通电路 (注意是二片晶圆而非二颗晶粒)，其中一片晶圆是负责数据 I/O 及存储单元操作的外围电路，另一片晶圆则是 3D NAND 存储单元。这样的方式有利于 I/O 及控制电路以及 3D NAND Flash 各自选择其最合适的先进逻辑工艺，这 Xtacking 技术可以让其 NAND I/O 速度得以提升到 3.0Gbps (目前世界上最快的 3D NAND I/O 速度的目标值是 1.4Gbps)， 与 DRAM DDR4 的 I/O 速度相当，这即将量产的国产 3D NAND 闪存值得期待。

美国封锁无效？国产存储芯片突破欧美日韩垄断，量产232层技术

在刚刚召开的2022年闪存峰会上，国产芯片巨头--长江存储 再次宣布重磅消息，基于国产芯片架构晶栈3.0（Xtacking 3.0）的第四代3D TLC NAND闪存芯片正式量产商用，命名为X3-9070，它的问世有两个重要意义：

第一点：这是世界上首款真正量产且进入消费者市场的232层3D NAND闪存芯片 ，目前致态TiPlus7100系列SSD、海康威视的CC7002TB SSD都已经使用了该芯片，比国际同行三星、美光、SK海力士早了一步，可喜可贺！

第二点：芯片所采用的晶栈架构是完全由长江存储所自主研发的 ，是真正100%中国的知识产权，未来不用担心被欧美继续卡脖子的问题。

成功的路上总不是一帆风顺，就在两个月前，美国已经在谋划要对长江存储进行“华为式”的打压，这场较量还会继续持续下去。

什么是NAND闪存？

NAND Flash全名为Flash Memory，属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)。可能名字听起来陌生，其实大家每天都在跟NAND闪存芯片打交道，比如最常见的手机、笔记本电脑、iPad等，其中用于存储数据的“内存条”就是NAND闪存，没有它，大到服务器、小到手机手表，都无法正常工作。

一直以来，NAND闪存技术都牢牢掌控在欧美日韩手中，它首先由日本的东芝（现改名铠侠）在1987年发明，后来被三星、海力士、美光、英特尔等巨头发扬光大，长期以来这几家国外巨头牢牢霸占着全球95%以上的NAND闪存市场。

作为一项战略性技术，拿下NAND闪存一直是国内芯片巨头争相实现的目标，但是由于欧美技术的垄断，厚厚的专利墙，使得我们一直无法实现真正突破，只能以跟随者的角色存在，无论是良品率、稳定性还是成本，都处于劣势。

晶栈-国产NAND 3D架构：更快、更高、更灵活，打破欧美日韩垄断

时间来到2010年前后，随着NAND技术演进到3D架构，一直作为跟随者的长江存储厚积薄发，彻底打破国外垄断，终于拿出属于中国的“倚天剑”--晶栈架构！

在晶栈架构推出前，市场上的3D NAND主要分为传统并列式架构和CuA架构。长江存储通过创新布局和缜密验证，经过长达9年在3D IC领域的技术积累和4年的研发验证后，终于将晶圆键合这一关键技术在3D NAND闪存上得以实现。

更快

晶栈架构使3D NAND能拥有更快的I/O传输速度。 晶栈可实现在两片独立的晶圆上加工外围电路和存储单元，这样有利于选择更先进的逻辑工艺，从而让NAND获取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。当两片晶圆各自完工后，只需一个处理步骤即可通过数十亿根垂直互联通道(VIA)将两片晶圆键合，合二为一。

更高

晶栈创新架构使3D NAND能拥有更高的存储密度。 晶栈可实现在两片独立的晶圆上加工外围电路和存储单元，这样有利于选择更先进的逻辑工艺，从而让NAND获取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。

更灵活

晶栈模组化的工艺将提升研发效率并缩短生产周期。 晶栈技术充分利用存储单元和外围电路的独立加工优势，实现了并行的、模块化的产品设计及制造，产品开发时间可缩短三个月，生产周期可缩短20%。此外，这种模块化的方式也为引入NAND外围电路的创新功能以实现NAND闪存的定制化提供了可能。

提防美国的伎俩

随着人类科技发展，现代社会正式进入电子化阶段，到处都是一个个的“小电脑”，比如手机、平板、监控系统、通信基站、云服务器等等，这些所有设备都离不开存储器，因此，NAND闪存技术绝对算得上一项保障国家安全的底层技术。

举个例子，2019年美国对华为的打压中，就严格限制了三星、海力士、美光等芯片巨头向华为提供闪存，这也直接导致了华为的服务器产品、通信设备甚至手机等消费类产品举步维艰。

就在2个月之前，美国多位重量级国会议员提议将长江存储列入实体列入“未经验证清单”，理由是长江存储供货华为可折屏幕的新旗舰手机Mate Xs 2，已违反美国出口管制规定。

31家未经核实的名单如下：

北方华创磁电科技有限公司（三级孙公司，主要做机械部件）

北京普科测控技术有限公司

中检集团南方电子产品测试股份有限公司

中国地质科学院矿产资源研究所

中国科学院化学研究所

重庆奥普泰通信技术有限公司

丹东无损检测

湖南大科激光有限公司

佛山華國光學器材有限公司

广电计量检测（重庆）有限公司

广西玉柴金兴机械有限公司

广电计量检测（北京）有限公司

嘉麟精密光学（上海）有限公司

丽水正阳电力建设有限公司

南京高华科技股份有限公司

宁波大艾激光科技有限公司

青岛科创质量检测有限公司

上海科技大学

苏州森川机械科技有限公司

天津光谷光电子孵化器有限公司

中国科学院大学

上海理工大学

广东先导先进材料股份有限公司

武汉生物制品研究所有限责任公司

武汉聚合光子技术有限公司

西安中盛圣远科技有限公司

长江存储科技有限责任公司

可以看出，美国依然在通过长臂管辖的伎俩，不断阻挠我国芯片产业的崛起，长江存储虽然已经掌握了具有自主知识产权的3D NAND技术，但是由于芯片制造部门依然依赖含有美国技术成分的设备，所以仍然有待突破。

好消息是，经过了3年的蛰伏之后，以华为海思为代表的国产芯片巨头，正在加速催化纯国产芯片制造产线，预计明年就会有纯国产28nm制程的芯片问世，这对长江存储等芯片巨头也是一个重大利好 ，不远的将来，就可以用中国技术制造中国芯片了！

东方欲晓，只争朝夕，加油吧！

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