两大存储巨头眼里的3D NAND FLASH未来

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自tomshardware，谢谢。

5月15日至18日，半导体存储器国际会议International Memory Workshop 2022（IMW2022）在德国德累斯顿隆重召开。在本届会议中，共收取了论文43篇，接受口头报告16篇，但其接受率为37%。这些论文设计的范围包括Flash 、EEPROM、MRAM 、RRAM 为 11%，PCM、Special Technology 和NVM应用。

在这里，我们来总结一下本届会议上存储巨头的一些观点和看法。

美光：3D NAND继续往多层次发展

从2016年左右开始，因为二维设计不能满足其不断增加的小型化需求，NAND Flash走向了三维。之后，为了提高内存密度，各家公司都在认真增加三维堆栈的数量。例如，美光比其他任何厂商都更早地开始生产 32 层、64 层、96 层、128 层和 176 层。

此外，在 2022 年 5 月 13 日，就在 IMW2022 召开之前，有消息称美光将从 2022 年下半年开始生产 232 层 3D NAND。这个 232 层的 3D NAND 是一个 116 层NAND的两层堆栈。采用了所谓的CMOS Under Array（CUA）结构，在存储器阵列的底部形成CMOS电路。

虽然增加堆栈数量以提高 3D NAND 的存储密度的方法很简单，但存在很多问题，例如打开高纵横比（AR）的存储孔并将其嵌入。因此，美光提出通过在平面方向，即XY方向上对存储单元进行缩放，以及依靠堆叠层数的增加来提高存储密度。

下午是存储单元阵列的平面图。一个称为柱子的小圆圈上下贯穿阵列堆栈。围绕柱子的字线 (WL) 充当存储器件的栅极。即柱与WL的交叉点形成存储装置的存储单元。该单元以不同的阈值电压 (Vt) 水平存储二进制数据。

WL之间的间隙称为狭缝，这是形成存储单元阵列所必需的结构。这是因为在 3D NAND 中，牺牲 WL 材料的去除和金属栅极的形成是通过狭缝进行的。

对于具有这种结构的存储单元，有两种 XY 缩放方法。一是减小狭缝宽度，二是密集排列柱子。这种方法称为支柱间距缩放。

从上图还可以看到，当狭缝之间的柱的数量增加到4柱、9柱、14柱和24柱时的存储单元的平面图。当狭缝之间的柱子数量超过 14 时，缩放收益开始减少。因此，可以看出，一味地进行柱间距缩放是不够的。

因此我们可以得出结论，有两种方法可以提高 3D NAND 的存储密度。一种是在垂直方向上堆叠存储单元。另一种是在XY方向上缩放存储单元。

前者对高AR孔的加工和上下级孔的对位难度逐年增加。而后者则是缓解存储器单元在垂直方向的指数堆叠的利器。

但是，如果继续XY方向的微细化，则CMOS的小型化将继续，例如，可以将FinFET用于晶体管，或者可以将EUV应用于精细布线。这些不能轻易采用，因为它们会导致内存成本飙升。

因此，当在 XY 方向缩放时，有必要想办法减少每比特的 CMOS 电路，以避免使用 FinFET 和 EUV 等昂贵的工艺。

综上所述，垂直堆叠、XY方向缩放、CMOS电路每比特减少这三种方法对于未来3D NAND的高密度化具有重要意义。

铠侠：液氮温度下的3D NAND演示实验

数据中心发热已成为全球性问题。因此，出现了浸入式服务器。这也就是我对 Kioxia 的公告感到惊讶的原因，因为他们通过将 3D NAND 浸入绝对温度为 77K 的液氮中来展示其操作。

铠侠在 2019 年的 IEDM 上报告称，它通过将 3D NAND 存储单元分成两部分来运行 5 位/单元（Penta Level Cell (PLC)）。2021 年 12 月，铠侠在 IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits上通过将 3D NAND 浸入液氮中成功实现了 6 位/单元操作，并已经完成相关操作。

这一次，铠侠的目标是通过将3D NAND浸入液氮中，并将3D NAND的沟道从多晶硅改为单晶硅，进一步提高价值。下图左侧显示了本次使用的单晶硅沟道的3D NAND结构，下图右侧则显示了实验设置。

首先，3D NAND的读取噪声结果如图所示。如果将多晶硅沟道在室温300K的读取噪声标准化为“1”，只需将其浸入77K的液氮中即可将噪声降低至70%，室温300K时噪声为60%在单晶通道中，当单晶沟道浸入液氮77K时，噪声降低到40%以下。

接着，数据保持特性的实验结果如图所示。发现在 77K 的液氮温度下，由于电荷损失导致的 Vth 偏移小于在 300K 的室温下。还发现多晶硅和单晶硅在液氮温度为 77 K 时没有区别。

然后，将单晶沟道的3D NAND浸入液氮中运行，成功实现7bit/cell。

铠侠将5-bit/cell称之为Penta Level Cell (PLC)。6 位/单元会是 Hexa Level Cel (HLC) 吗？而7 bits/cell就是Hepta Level Cell (HLC)，但是缩写是6 bits/cell和7 bits/cell是一样的。我们应该如何区分？

就算能做到 7 bits/cell，但用液氮冷却 3D NAND 可能成本会很高（我也是这么认为的）。为此，铠侠对成本进行了估算，如图所示。

参考是在 300K 的室温下运行 4 位/单元 (QLC) 3D NAND 的情况进行的。

据铠侠测算，液氮冷却的成本不到芯片制造成本的10%。因此，在液氮 77K 中可以运行 7 位/单元的 3D NAND 的成本是参考的 64%。如果这个计算是正确的，用液氮冷却不会导致成本增加。

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陈南翔：中国半导体3至5年内将实现爆发式增长，为克服美国技术限制开辟道路

【文/观察者网 阮佳琪】

7月23日，港媒《南华早报》关注到，中国半导体行业协会理事长陈南翔近日受访时，谈到中国半导体行业发展的相关问题。他认为，中国芯片工业尚未实现爆炸式增长，但这一天终将到来。

他预测称，在摩尔定律不再奏效的同时，中国将受益于新的封装技术。凭借在应用和封装技术 方面的优势，中国的芯片产业将在3至5年内实现“爆炸式增长”，为中国克服美国的技术限制指开辟道路。

陈南翔对话CGTN。视频截图

据《南华早报》报道，陈南翔同时是中国最大闪存芯片制造商长江存储的董事长、代理CEO，当天他主要以中国半导体行业协会理事长的身份接受访问。

谈到对中国半导体行业成长的看法时，他分析称，现在半导体行业火热，一方面是因为中国产业确实做得好，另一方面又赶上AI发展的大好时期，再加上半导体产业站在了地缘政治博弈的科技最前沿。

“的确，如果我回到40年前，我从来没想到中国半导体产业有今天。但是在过去的20年，我们已经能够清楚地看到，实际上中国一定会有今天这样的发展。而且眼下的还不是最好的，最好的正在来的路上。”

陈南翔进一步解释道，中国的半导体产业发展就像孕育一个新技术一样，起先会是一个很长的潜伏期，慢慢地开始对市场进行尝试，最后爆发式发展。“我们现在还没进入到中国半导体产业的爆发增长期，但相信再有三到五年的时间，我们会看到这一天。”

据陈南翔介绍，在发展芯片产业上，中国正在探索一种新的市场驱动型产业模式，摒弃过去依赖高校和科研院所的旧模式。

他回忆道，过去在发展集成电路的过程中，中国走了很长一段时间的“弯路”。本质上，中国想要发展的是一种芯片产业，但过去这件事交给大学、研究院和科学院，最终获得的是一种更具学术性的成果。

陈南翔强调，这是两种完全不同的路径，中国现在需要的是一种产业，需要创新的产业、服务和商业模式，最终转变为经济的商业价值。“我认为，在花了很长一段时间的摸索之后，无论是从政策的主导者，还是产业利益的相关方，终于明白了。”

“不能说我们已经找到了产业发展的最佳模式，但起码，我们已经知道了什么样的模式是注定要失败的。在长时间试错后，现在我们可以相信，在未来集成电路产业的发展中，一定正孕育着一个巨大的成功模式。”陈南翔补充道，“大家拭目以待。”

当谈及中国芯片产业能否追赶上西方时，陈南翔提到，和过去业内依赖于“摩尔定律”不同，封装技术正受到越来越多的重视，“可以预测，在未来非常近的一天，封装技术的重要性恐怕都要超过晶圆制造技术的重要性。”

在陈南翔看来，对于中国而言，这种技术态势的转变是一种“巨大利好”。他认为，虽然美国正试图剥夺中国获得先进芯片和代工技术的机会，但封装技术会是中国实现“弯道超车”的机会。

他举例称，三星正在做的3纳米芯片，和英特尔要做的3纳米芯片是不一样的，它们有着各自的定义。但过去摩尔定律还有效、业内存在共识时，大家都知道3年后或6年后的技术节点会是什么。

“突然有一天，这个叫摩尔定律的赛道突然没了。既然技术路径依赖没有了，那我们来走另外一种新的发展模式——应用驱动。我们中国的市场和消费者会在应用上有许多创新，我们中国的机会恰恰在这里头”，陈南翔说。

中国芯片产业发展正面临全国人民的期待。陈南翔也坦言，对业界的关心增加了半导体行业的曝光度，增加了行业对人才的吸引力，同时一些极个别网民言论也给行业产生了很大的压力。

他希望，公众能够理性、耐心地看待国内半导体行业发展，“我们希望，这个产业不是跑100米短跑，而是像一个马拉松，走长期主义才能把这个产业真正做好。（希望大家）给予一定时间，让产业认认真真地把自己的基础做好，把自己的实力构造出来，这才是真正中国半导体产业所需要的。”

《南华早报》指出，美国对中国顶尖科技公司和半导体代工厂的一系列无理制裁，正促使中国业界人士建立更紧密的联系，在政府支持下，团结一致寻求前进的道路。在去年10月当选为中国半导体行业协会理事长后，陈南翔呼吁业界同舟共济，携手应对来自美国的科技制裁。

同年，在上海举行的SEMICON China 2023大会上，陈南翔当时以长江存储董事长的身份发表演讲称，一些国家出于地缘政治考量，已经破坏了芯片半导体产业链的全球化体系，现在行业面临巨大的不确定性，“再全球化”正在发生。

他直言，芯片产业链将进入“动荡且无序”的时刻。不仅冲击现有的全球供应链产业分工，甚至给产业发展模式带来重大影响。

陈南翔当时还提议，如果中国企业依法合规买到的设备不能交货或者无法使用，厂家应该设定一个时间回购设备，“我想做个呼吁，去建设你们的诚信，体现于你们的公平原则。就长江存储来讲，依法合规买回来的设备连零件也拿不到。如果是公平的话，应该会设一个时间，把设备在新的条件下回购，这样才公平。”

值得一提的是，近日有美媒爆料称，长江存储再度在美国加州北区对美光提起诉讼，指控这家美国公司侵犯了其11项专利，涉及3D NAND的各个方面。长江存储请求法院下令，要求美光停止在美国销售其闪存，并向其支付专利使用费。

长江存储表示，美光的96层（B27A）、128层（B37R）、176层（B47R）和232层（B58R）3D NAND存储器以及美光的部分DDR5 SDRAM产品（Y2BM系列）侵犯了其在美国提交的11项专利或专利申请，它们涵盖了3D NAND和DRAM功能的基本方面。

2022年底，美国商务部根据所谓的“证据”，以威胁其国家安全为由，将长江存储列入了实体清单，使其不能从美国获得128层及以上的3D NAND的晶圆制造设备和技术。

这次起诉，并非长江存储在美国的第一次“反击”。2023年11月，长江存储在美国加州北区地方法院，对美光及子公司美光消费类产品事业部提起诉讼，指控美光侵犯8项与3D NAND Flash相关的美国专利。

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