nand芯片进程预期提前，铠侠再次加速，3D NAND准备冲击1000层

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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预期提前，铠侠再次加速，3D NAND准备冲击1000层

电子发烧友网报道（文/黄山明）近日，铠侠再次宣布，将在2027年实现3D NAND的1000层堆叠，而此前铠侠计划是在2031年批量生产超1000层的3D NAND存储器。三星也在此前表示，将在2030年实现1000层堆叠的3D NAND存储器。

3D NAND似乎已经成为各大存储企业竞相追逐的“工业明珠”，包括三星、海力士、美光、铠侠、长江存储等都在这一领域投入大量资源，而比拼的就是堆叠层数。

3D NAND为何如此重要？

随着数字化信息的爆炸性增长，对存储容量的需求也在不断上升。但传统2D NAND闪存逐渐逼近其物理极限，当制程技术不断缩小，达到十几纳米节点，每个存储单元都变得非常小，导致制造的复杂性和成本显著增加。

如果只是成本增加，那么还能通过批量生产的方式来降低。但随着存储单元尺寸的减小，之间的距离也在越拉越近，这增加了串扰的风险，从而影响到了数据的稳定性和可靠性。并且随着移动设备和数据中心对存储性能的需求不断增长，2D NAND技术在提高读写速度和降低延迟方面面临挑战。

到了2007年，随着2D NAND的尺寸达到极限，还未改名为铠侠的东芝开始提出了3D NAND结构，通过将内存颗粒堆叠在一起来解决2D NAND所面临的问题。

3D NAND不仅增加了存储容量，还改善了读写速度和耐用性。多层堆叠的设计有助于减少数据读写时的干扰，提升整体性能，并且由于物理结构的变化，能够更好地抵抗编程和擦除循环中的磨损，延长了闪存的使用寿命。

对于移动设备和可穿戴设备等对尺寸和能耗有严格要求的应用，3D NAND技术可以实现在更紧凑的空间内集成更多存储，同时保持或降低功耗，符合行业对小型化和高效能的追求。

随着云计算、大数据、IoT、AI等领域的发展，市场对高容量、高性能存储设备的需求急剧增加。3D NAND技术正好迎合了这一需求，使得TB级甚至更高容量的SSD成为可能。

2013年，三星电子率先量产了3D NAND，命名为V-NAND，克服了半导体微型化的技术限制，而第一代的3D V-NAND有24层。彼时，东芝则开发了一种名为Bit Cost Scalable（BiCS）的3D NAND工艺，采用了先栅极方法来生产3D NAND。

短短几年时间，3D NAND的层数便从初期的24层，迅速攀升到了2022年256层，数量上涨了十倍，基本上可以看到层数以每年30%左右的速度稳步增长。也是基于这种成长性的判断，铠侠认为在2027年，3D NAND便能够突破1000层。

并且随着3D NAND技术的发展，也促进了相关制造工艺、设计技术的创新，还推动了整个存储行业的技术进步。也是全球范围内主要半导体制造商纷纷入局3D NAND的重要原因，同时3D NAND的持续推进，有望继续保持摩尔定律的顺利推进。

先进沉积与蚀刻技术将成为1000层3D NAND制造关键

在2D NAND的发展进程中光刻技术是推动其发展的关键工艺，但到了3D NAND则不同。制造更高层数的3D NAND并非是简单地堆叠，随着层数的增加，对每层材料的蚀刻和沉积过程要求更加精确。这包括确保每个存储层厚度均匀，以及在高度垂直的结构中精确形成细微的通孔和沟槽，这就对沉积和蚀刻这两项工艺提出巨大的挑战。

比如在沉积工艺上，据Lam Research相关人士透露，当3D NAND堆叠到96层时，实际沉积层数已经达到了192层以上，其中，氮化硅层的均匀性将成为影响器件性能的关键参数。这意味着如果要做到1000层堆叠，或许实际沉积层数将达到2000层，难度将几何倍提升。

而更重要的则是蚀刻工艺，在3D NAND的结构中，需要通过蚀刻工艺从器件的顶层蚀刻出微小的圆形孔道到底层，才能将存储单元垂直联通起来。

以96层的3D NAND晶圆为例，蚀刻的纵深比就达到70:1，并且每个晶圆中都要有一万亿个这样细小的孔道，这些孔道必须互相平行规整。这些孔道必须保持规整和清洁，任何微小的缺陷都可能导致产品性能下降。而伴随着堆叠层数的增加，让蚀刻工艺的难度变得越来越大。

此外，随着层数的增加，芯片内部的热量累积成为一个严重问题。更多的堆叠层意味着更复杂的热传导路径，可能导致热失控，影响器件的稳定性和寿命。需要开发新的散热技术和材料来有效管理热能。

2023年4月，东京电子（TEL）宣布开发出了一种用于存储芯片的通孔蚀刻技术，可以用于制造400层以上堆叠的3D NAND，尤其值得注意的是，TEL这项技术可以在-60℃中实现高速蚀刻。

而传统的蚀刻技术往往在较高的温度下进行，低温环境可以减少对材料的热损伤，保护周围结构不受影响，这对于高密度、多层堆叠的3D NAND结构尤为重要，因为它有助于维持精细结构的完整性，提高器件的性能和可靠性。

此外，TEL的低温蚀刻设备采用了氟化氢（HF）气体，替代了传统系统中常用的氟碳化物（CF）气体。传统的CF基气体在蚀刻时，其反应生成的聚合物会厚厚的沉积在孔的侧壁上，尽管这可以防止横向蚀刻，但也意味着孔越深，到达孔底层的CF自由基气体就越少，导致蚀刻效率急剧降低，成本快速升高。

而采用HF气体蚀刻时，孔的侧壁上沉积物非常少，意味着即便堆叠层数增加，对蚀刻效率的影响也不大。这也让TEL能够实现高效率对3D NAND进行HAR蚀刻，而此前，HAR蚀刻技术由Lam Research独占。

有了这项技术，铠侠才有信心到2027年就能够实现1000层堆叠的3D NAND。除了可能采用TEL的蚀刻技术外，铠侠与西部数据联手在去年就推出了基于BiCS8的3D NAND闪存，层数达218层，采用 1Tb 三层单元（TLC）和四层单元（QLC）技术，并通过创新的横向收缩技术，成功将位密度提高了50% 以上。

当然，如果铠侠想要尽快将1000层3D NAND制造出来，那么对五层单元（PLC）技术的探索也必须加快脚步了。

而其他厂商也没有闲着，比如三星便在不久前宣布，预计到2030年，采用V-NAND技术能够实现1000层堆叠。而到了今年，三星将有望推出280层的第九代3D NAND，并在2025-2026年推出430层的第十代3D NAND。SK海力士也在去年公布了一款堆叠层数超过300层的3D NAND产品。

对于普通消费者而言，这些企业卷3D NAND层数也是喜闻乐见的，不仅有望极大提升存储容量，比如一块SSD或U盘在不增加体积的情况下，存储容量可以从几个GB提升到几个TB，还能提升读写速度，如SK海力士推出的238层NAND数据传输速度达到了2.4Gbps，比前一代产品提高了50%，同时还能降低产品成本。

总结

随着大数据、云计算、人工智能和物联网等技术的发展，对高容量、高性能存储解决方案的需求不断增长，而增加3D NAND层数能够满足这些市场的需求。而谁能够制造更高层数的3D NAND，也将意味着率先享受到这些新兴市场的红利，并且为企业带来明显的市场区分度和品牌优势，同时3D NAND也将为消费者带来许多益处。可以说，卷3D NAND层数，是企业与消费者的一场双赢。

又涨10%，NAND闪存国外巨头牢牢把控，国产化进程如何？

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集微网报道，近期因铠侠/西部数据工厂污染事件，NAND Flash再次吹响涨价的号角。

在最新通报中，西部数据将闪存可用性减少量的估量调高至约7 exabytes（艾字节），这一数值相较此前估量的6.5 exabytes进一步调升约7.7%，显示污染事件对产能的影响将较先前预估的显著更大。根据CFM闪存市场数据，预计将占铠侠和西部数据一季度产能10%。此事件之后，美光科技和西部数据已将其 NAND 闪存价格上调约10%，这将引发现货和合约市场价格的上涨。

关于这波涨价，业内人士陈庆跟笔者提到，“目前听说价格上涨可能会从10%以上开始，但我相信最终会低于5-10%。”同时，他分析到，SSD (OEM) 的客户可能会耗尽库存，最终不得不支付更高的价格。不过，这需要一定的时间才能传递给最终客户，这可能会在下个季度晚些时候和2022年下半年才发生。

NAND闪存芯片发展现状如何？

随着信息化浪潮的发展，对海量数据的处理、存储提出了越来越高的要求。NAND闪存具有更大的存储容量、更高的擦写速度和更长的寿命，是实现海量存储的核心，已经成为大容量存储的主要选择。

NAND闪存卡的主要分类以NAND闪存颗粒的技术为主，NAND闪存颗粒根据存储原理分为SLC、MLC、TLC和QLC，从结构上又可分为2D、3D两大类。其中，在三星、SK 海力士等原厂在3D技术快速发展的推动下，3D NAND 迅速普及且产出比例持续攀升，现已成为主流制程。

当前，对堆叠层数的向上突破，也是各原厂技术竞争的主赛道之一。走在最前面的是美光和SK海力士，它们已相继突破176层NAND技术。另外，三星也有望于今年第一季度量产176层NAND。铠侠与西部数据则走到了162层技术的节点，英特尔最新为144层，国内的长江存储最新为128层。

未来，大容量、高堆叠层数的 3D NAND 也将是行业的发展趋势。再往下，NAND闪存厂商正向着200层以上的芯片产品进军，这将是行业向更高密度的3D NAND闪存过渡的里程碑。

在NAND闪存市场中，三星、铠侠、美光、SK海力士、西部数据、英特尔这六家长期垄断者全球95%以上的份额。这波涨价潮之下，最先受惠的无疑是头部存储厂商。另有业内人士分析认为，“最终，谁愿意通过价格激励来优先考虑新客户，并积极升级最新技术，2022 年将是供应商实现35%以上增长的好时机。”

国产化之路进展如何？

从上文分析可得知，当前主要是国际原厂引领3D NAND 技术发展，并形成了较为厚实的技术壁垒。此外，行业市场格局也高度集中，份额几乎都被头部存储厂商所占据。中国是全球第二大NAND市场，占比超过31%，但大陆自制率几乎为0%。因此，发展国产的存储产业势在必行。

图：2010年至2021年全球NAND闪存制造商收入份额，按季度划分；来源statista

所幸，以长江存储为首的厂商得到政策以及大基金等的扶持，近年来在NAND技术上也发展迅速，取得一定的突破。

2018年8月，长江存储发布Xtacking技术，在闪存技术架构上成功实现突破性创新。对比传统的3D NAND芯片，采用Xtacking技术可使研发周期缩短三个月、生产周期缩短20%，闪存的最高存取速度更将大幅提升至DDR4内存的水平。同年底，长江存储成功量产中国首批拥有自主知识产权的32层3D NAND闪存芯片。

2019年，长江存储开始批量生产采用专有Xtacking架构的64层3D NAND存储器，这也是国内首个64层3D NAND存储器。而后，长江存储索性跳过96层3D NAND闪存、直接跨步到128层3D NAND闪存。

作为闪存行业的新人，长江存储仅用了 3 年的时间就实现了从 32 层到 64 层，再直攻 128 层的技术跨越，其正以最大的努力、最快的速度追赶国际一线存储芯片大厂。

据最新消息报道，尽管进入NAND闪存市场较晚，但长江存储在提高128层3D NAND闪存的生产收益率方面取得了进展。另据业内消息人士称，长江存储已将64层3D NAND闪存制造的收益率提高到成熟水平。据悉，长江存储有望在2022年上半年实现月产量增至10万片的目标。

而据上述业内人士陈庆的了解，长江存储在其128层技术面临一些挑战以及2019年FAB 1的增长慢于预期之后，目前的进展顺利。“FAB 1已接近完工，FAB 2预计将在今年晚些时候投入使用，因此随着 128层产能的增加并获得新客户的认可，长江存储的影响将越来越大。”他补充到。此外，他还透露：“长江存储正通过新的智能手机客户以及试图通过PC和数据中心客户获得更多的市场资格。”

除了长江存储之外，还有兆易创新、东芯半导体、北京君正等国内存储企业在NAND产品上有所布局。

其中，兆易创新也在不断推动NAND产品进程，据介绍该公司目前SLC NAND成熟工艺节点为38nm，24nm工艺节点已经实现量产，目前正在向19nm工艺节点推进，产品覆盖从1Gb至8Gb主流容量，电压涵盖1.8V和3.3V，提供传统并行接口和新型SPI接口两个产品系列。

此外，东芯半导体聚焦于中小容量存储芯片，可以同时提供NAND、NOR、DRAM等产品，据悉，该公司设计并量产的24nm NAND、48nm NOR均为国内目前已量产的最先进的NAND、NOR工艺制程。

结语： 据chinflashmarket预测，2020-2025年，全球NAND闪存市场将以30%的复合年增长率增长，而数据中心市场在未来五年内将以39%的复合年增长率增长。展望未来，数据中心的需求将仍然强劲。而于此之中，中国存储厂商如何加快技术研发进度，争取拿下更大的市场份额，是它们需直面的现实难题。

（校对/holly）

预期提前，铠侠再次加速，3D NAND准备冲击1000层

3D NAND为何如此重要？

先进沉积与蚀刻技术将成为1000层3D NAND制造关键

总结

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