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nand架构有几种 3D NAND架构解析

发布时间 : 2025-01-20

作者 : 小编

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3D NAND架构解析

1前言

由于2D NAND自身技术缺陷，行业预测10-12nm将是其极限。3D NAND, 即立体堆叠技术，如果把2D NAND看成平房，那么3D NAND就是高楼大厦，建筑面积成倍扩增，理论上可以无限堆叠。这可以摆脱对先进制程工艺的束缚，同时也不依赖于极紫外光刻（EUV）技术，而闪存的容量/性能/可靠性也有了保障。

2 3D NAND FLASH架构分析

3D NAND目前大多使用55 nm以上的工艺，一般3D谈的是层数。下图是Tech Insights 2020整理的NAND Flash Roadmap，包含2D NAND及3D NAND，长江存储已被纳入图表中，成为第五家有能力生产3D NAND的厂家，其预测结果也符合市场现状。目前而言，3D NAND闪存主要由三星/海力士/镁光-英特尔/东芝/闪迪垄断99%市场份额，且每家都有自己特殊的工艺架构，三星/海力士的CTF（电荷俘获），镁光/英特尔的FG（多晶硅浮栅），东芝/闪迪的P-BiCS，长江存储的Xtacking。

图1 Tech Insights NAND Flash Memory Technology

2.1镁光/英特尔的FG（多晶硅浮栅）架构

镁光/英特尔主要是采用OPOP（氧化硅/多晶硅）堆叠技术，前栅工艺，存储单元是浮栅结构。图2是DC-SF（双控制栅及环绕浮栅）架构示意图，图3是其加工工艺流程，（a）存储区OPOP孔干法刻蚀成型，（b）回刻氧化硅，（c）沉积绝缘层IPD，（d）填充多晶硅，（e）湿法刻蚀多余的多晶硅并沉积隧穿氧化层，（f）填充多晶硅形成完整存储结构。

图2 双控制栅及环绕浮栅架构

图3 DC-SF NAND 工艺流程

2.2东芝P-BiCS架构

东芝于2009年提出P-BiCS结构，如图4所示，器件结构是U型环栅结构，前栅工艺，ONO电荷俘获，OPOP（氧化硅/多晶硅）堆叠技术。工艺难点是U型沟槽的制作，以及随着堆叠层数的增加，刻蚀工艺难度进一步加大；因此东芝只在64层架构以下使用OPOP堆叠，而64层及以上产品堆叠采用ONON（氧化硅/氮化硅）技术。

图4 （a）P-BiCS架构和（b）工艺流程

2.3三星TCAT CTF架构

三星于2009年提出TCAT结构，如图5所示，器件结构是垂直管状环栅结构，hk-金属后栅工艺，ONO电荷俘获，ONON（氧化硅/氮化硅）堆叠技术。图6是其加工工艺流程，（a）存储区ONON孔干法刻蚀成型且完全填充多晶硅，栅沟槽刻蚀成型，（b）湿法刻蚀去除氮化硅，（c）沉积ONO-high-k，PVD沉积金属栅，（d）刻蚀多余的金属W，防止栅短路。其工艺相对于东芝和镁光复杂且难度大，尤其是存储层ONO沉积完后还要沉积金属栅对film挑战极大，同时也意味着ONON堆叠难以减薄，就限制了容量的增加。

图5 TCAT架构

图6 TCAT工艺制程

为了解决此工艺复杂，堆叠难以压缩的难题，2012年海力士提出了SMArT (Stacked Memory Array Transistor)结构，如图7所示。器件结构也是垂直管状环栅结构，hk-金属后栅工艺，ONO电荷俘获，ONON（氧化硅/氮化硅）堆叠技术。创新之处在于ONO存储层在孔内部，同时多晶硅也不全部填满沟道，大约只有8nm左右的多晶硅，剩余的用氧化硅填充。这种结构可以减薄ON堆栈层的厚度，同时薄的沟道多晶硅的Vth阈值电压分布更均一，也削弱了晶界对沟道电流的阻碍作用。因此这种结构在工业量产中得到了最广泛的应用。东芝/三星/海力士/长江存储都基于此核心结构开发出自己的产品。

在3D NAND中，由于多晶硅沟道的阻力更高，流动性更低。因此，为了达到2D NAND 的性能，3D NAND必须使用更好的电路结构、算法和控制器。

图7 SMArT架构

2.4 3D NAND CTF vs FG

目前3D NAND存储层分两种结构，一种是浮栅型Flash器件，厂商为镁光，一种是电荷俘获型SONOS器件，厂商为三星/海力士/东芝/长江存储。

浮栅型器件特点是：

（1）浮栅中电荷可以自由移动，单一缺陷就可以导致电荷流失;

（2）相邻元件存在浮栅间电容耦合干扰;

（3）多级存储需要控制存储电荷数量;

（4）栅结构复杂；

（5）Reliability好；

（6）堆栈方式为OPOP。

电荷俘获型SONOS器件的特点是：

（1）氮化物存储层中电荷被存在电荷阱中，电子无法自由移动;

（2）相邻元件不存在耦合干扰;

（3）可实现多物理位存储;

（4）栅结构简单，利于工艺集成；

（5）堆栈方式为ONON。

2.5 3D NAND的工艺难点

与2D NAND缩小Cell提高存储密度不同的是，3D NAND只需要提高堆栈层数。从2013年三星推出了第一款24层SLC/MLC 3D V-NAND，到现在主流96/128层TLC 3D NAND产品问世，随着层数迈进100+层，其工艺难度也愈发困难。

（1）ONON/OPOP层数堆叠

随着层数24 /48/64/96 /128层等快速增加，对堆叠的薄膜有了进一步严格要求，均匀性、缺陷控制、最小平面内位移和氮化物收缩、热应力后可接受的晶圆形变，以及高氮化物/氧化物湿蚀刻选择性等。层数堆叠的同时也会对每对薄膜进行减薄，这样对器件的可靠性也做出了更高的要求。

图8 薄膜在堆叠过程中的张应力和压应力

（2）高长宽比（HAR）通孔蚀刻

通孔的形成需要等离子干法刻蚀，每个12寸晶圆上需要刻上超过上千万亿个孔，（长宽比大于 50），挑战当前等离子蚀刻技术的物理极限。目前只有美国泛林半导体设备技术有限公司垄断此技术。

刻蚀的主要问题是：

（1）不完全蚀刻、

（2）通孔中间弯曲和扭曲、

（3）通孔顶部和底部之间CD变化大，

（4）底部通孔不圆等，如图9所示。

此类缺陷可能导致短路、相邻存储单元之间的干扰以及其他电学性能问题。

为了缓解 HAR 蚀刻的挑战，对于超过64层的3D NAND，主流做法是用两个64层堆叠成128层 3D NAND。

图9 干法刻蚀通孔遇到的问题

（3）WL台阶的设计与刻蚀

由于器件结构是垂直管状环栅结构，因此需要特别设计出台阶结构，通过Contact引出栅结构。图10（a）给出了实现台阶的工艺方法，即Trim/Etch/Trim/Etch，图10（b）为成型后的台阶。需要精确控制台阶的刻蚀层数和CD的均匀性，保证每个Contact都能落到对应的台阶上，不能发生错位。而当层数高于64层时，为了节省Mask和降低工艺难度，就需要设计新的台阶结构。

图10（a）台阶刻蚀工艺流程示意图（b）成型后的台阶

3 3D NAND现阶段主流产品工艺水平

3.1现阶段主流产品

为能更缩小存储单元尺寸，除了工艺持续缩小及将存储单元3D化外，还有一种方式就是增加每存储单元能存储的 bit 数目上。SLC存储ㄧ个bit数据，也就是二个状态 (0，1) ; MLC 存储两个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。从SLC到QLC，成本极大降低，随之而来的是擦写次数会大幅降低，从100K次降到不足1K。为了弥补这个不足，需要系统优化区块管理，这样即使只有1K次擦写，也足够适用于消费者个人使用。企业级用户就只能用SLC和MLC产品。

目前只有三星、海力士、东芝、镁光-英特尔、长江存储五家公司能够量产。各家的 3D NAND存储单元及技术都不相同，目前市场上3D NAND最多的是64层和96层TLC产品。图14是目前市场上3D NAND的主流产品，浅蓝色是2018年量产的64层TLC产品，深蓝色是2019年量产的96层TLC产品，从工艺水平/良率/市场份额来看，三星都走在前头。

图14 3D NAND厂商量产产品

像苹果公司最新旗舰手机iPhone 11系列都已经用上了东芝海力士三星的最新96层TLC产品。华为/LG/小米/Apple iPad/Google Surface/Dell/三星手机也都用上了64层TLC产品。

3.2各大厂主流工艺分析

为了增加存储单元面积，降低生产成本，目前各大厂都采用了把外围电路做在存储单元的下方，即Peri under Cell, 外围电路成型以后，需要经过化学机械研磨CMP工艺使之平坦化，这将使得CMP制程的难度和重要性得以提高。

图15 Peri under Cell结构

（a）三星92层工艺

三星的92层是一次刻蚀成型而成，技术难度最高。采用垂直管状环栅结构，金属后栅工艺，ONO电荷俘获，ONON（氧化硅/氮化硅）堆叠技术，ON对做了减薄处理，台阶区长度相对东芝减小了11um，如图16所示。

图16 三星3D NAND产品（a）64层，（b）92层，（c）台阶区结构

（b）东芝/西部数据96层工艺

东芝的96层是由两个48层堆叠而成，和三星一样采用垂直管状环栅结构，金属后栅工艺，ONO电荷俘获，ONON（氧化硅/氮化硅）堆叠技术，ON对做了减薄处理，台阶区相对于64层只增加了4um的宽度，如图17所示。

图17 东芝3D NAND产品（a）64层，（b）96层，（c）台阶区结构

（c）镁光/海力士96层工艺

镁光和海力士的96层也都采用了两个48层堆叠而成。从图18中可以看出来这三家对于上下通孔中间的接触层各有不同。镁光是氧化铝/氧化硅/氮化硅三明治结构，海力士没有过渡层，东芝只有氧化硅层。由于需要联通上下通孔，即ONO层是公用的，则对Alignment对准有极高的要求，这也是多层堆叠的技术难点所在。

图18 东芝/镁光/海力士上下通孔中间层对比

（d）长江存储128层工艺

长江存储目前量产的是32层64Gb SLC/MLC产品和64层256Gb TLC产品，采用特有的Xtacking工艺，如图19所示，可在一片晶圆上独立加工负责数据I/O及记忆单元操作的外围电路。这样的加工方式有利于选择合适的先进逻辑工艺，以让NAND获取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。存储单元同样也将在另一片晶圆上被独立加工。当两片晶圆各自完工后，XtackingTM技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属VIA将二者键合接通电路，而且只增加了有限的成本。

图19 长江存储存储阵列边缘台阶界面图

长江存储的128层是通过两个64层堆叠而成，其结构类似于三星/东芝等。

3.3 3D NAND即将量产产品展望

（1）112层/128层/144层/170层及大于200层以上产品，>10Gb/mm2

（2）海力士的9x层QLC以及128层/176层产品

（3）长江存储的128层TLC/QLC产品

（4）3个64层或以上堆叠的3D NAND产品

（5）其他新型3D NAND产品

4 3D NAND总结

以上文章主要简述了几种常见的3D NAND Flash结构和工艺和现阶段主流产品工艺水平等。随着层数的进一步增加，难度也进一步增大，各个大厂都将面临着生产成本的急速增加。这种沟道垂直结构对制造过程（新材料属性）和设备（精确到原子层控制）提出了更加严格的要求。随着许多新型态的非易失性存储器已研发出来，如MRAM/ FRAM/ RRAM/ PCRAM/ 3XPoint，未来或许能取代现有的DRAM/NAND Flash存储器。但在此之前，3D NAND将主导非易失存储器的市场。

3分钟了解所有闪存类型，值得一看！

通常情况下，固态硬盘(SSD)的底层NAND架构会因模型而异。NAND 闪存的每种类型——SLC、MLC、eMLC和TLC——都有不同的特性，并因此对您的数据存储产生不同的影响，在这篇文章中，我们会讨论这些差异。

目前，闪存可以说彻底改变了企业数据存储，与机械硬盘(HDD)相比，SSD封装使存储子系统和阵列能够提供出色的应用性能，并能在业务分析和其他工作负载下快速工作。在个人电脑和移动设备中，闪存能够加速应用程序启动时间和加速数据传输。

而且由于闪存没有可移动部件，所以SSD几乎不容易受到突然移动和物理冲击的伤害。另外还有一个优势是，它们也比HDD耗电更少。

有一个缺点是，尽管删除、压缩和其他数据管理技术可以帮助企业充分利用其闪存投资，但SSD在每GB的成本上往往高于HDD。

NAND闪存类型

NAND闪存是用于SSD和存储卡的一种非易失性存储体系结构。它的名字来源于逻辑门(NOT-AND)，用于确定数字信息如何存储在闪存设备的芯片中。

·SLC

SLC(Single-Level Cell，单层单元)SSD在每个单元中存储一个Bit，这种设计提高了耐久性、准确性和性能。对于企业的关键应用程序和存储服务，SLC是首选的闪存技术。当然，它的价格最高。

·MLC

考虑到闪存的消费级特性，MLC(Multi-Level Cell，多层单元)架构可以为每个单元存储2个Bit。尽管在存储单元中存储多个Bit似乎能够很好地利用空间，在相同空间内获得更大容量，但它的代价是使用寿命降低，可靠性降低。相对而言，MLC SSD使得在PC和笔记本电脑上增加闪存成为可能。

·eMLC

eMLC(Enterprise Multi-Level Cell，企业多级单元)是MLC NAND 闪存的一个“增强型”的版本，它在一定程度上弥补了SLC和MLC之间的性能和耐久差距。eMLC驱动器比MLC驱动器贵，但比SLC驱动器便宜得多。尽管每个单元仍然存储2个Bit，但eMLC驱动器的控制器管理数据放置、磨损均衡和一些其他存储操作延长了eMLC SSD的使用寿命。

·TLC

最便宜的是TLC(Triple-Level Cell，三层单元)NAND闪存，每个单元存储3比特，通常用于性能和耐久性要求相对较低的消费级电子产品。最适合于包含大量读取操作的应用程序，基于TLC的存储组件很少在业务环境中使用，但是闪存体系结构的最新改进，包括3D NAND(稍后将详细介绍)、持久增强的数据放置和错误纠正技术，使该技术在读密集型企业存储应用程序中占有了一席之地。

SLC、MLC、eMLC和TLC如何选择

下面我们将告诉大家如何判断闪存驱动器是否适合预期的工作负载或用例，包括从企业级到消费者端。在下面的图表中，写入/擦除(PE)周期用来衡量NAND 闪存可以支持多少读和写操作。虽然它们没有机械部件可以磨损，但SSD驱动器仍然存在有限的使用寿命。

每种类型的NAND闪存都有不同的使用寿命，这意味着它会在SSD降级并最终失效之前提供有限数量的P/E周期。当然，除了制造缺陷，电力激增或其他灾难性的破坏可能导致SSD的失效。这是决定SSD支持的存储工作负载和应用程序类型的主要影响因素。

NAND VS 3D NAND

为闪存市场带来突破的最大创新之一是3D NAND或V-NAND。顾名思义，它使用堆叠架构在SSD中安置内存单元，而不是过去平面排列的方法。

实际上，与2D NAND相比，这种架构使供应商能够以更低的成本，将更多的容量压缩到更小的物理空间中。它还能提供更快的速度、更长的使用寿命和更低的功耗。现在大多数主要SSD供应商都提供3D NAND SSD。

如何选择SLC、 MLC和TLC SSD

从经验上看，希望获得最好性能SSD的买家，会在SLC上投入比eMLC、MLC和TLC更多的钱。不过，价格不能决定一切。

当你想最大限度地利用你的存储空间时，有很多因素需要考虑。SLC SSD对于需要快速、可靠性能的关键应用程序工作负载和24×7数据库是有意义的。当然，并不是每个工作负载都需要极高的速度和性价比。

想要快速的性能，但不期望对存储系统造成持续的压力?eMLC甚至MLC都可能是最好的选择。在PC中，相对于HDD，SSD三个字母就代表着性能提升。

所以，看起来很明显。SLC用于要求较高的企业应用程序，其次是eMLC、MLC和TLC，因为性能和可靠性要求降低了。

不过NAND闪存也在不断进化，现在对于大容量SSD来说，使用MLC甚至TLC闪存是非常标准的。在企业用例中，MLC可以说和SLC一样好。

QLC NAND逐渐进入主流

SSD制造商并没有止步于TLC。英特尔、美光科技和西部数据正致力于将QLC(Quad-Level Cell，四层单元)NAND技术引入数据中心。

2018年5月，英特尔和美光发布了第一款可商用的QLC 3D NAND芯片，其存储容量远远超过TLC NAND闪存。通过引入64-层4Bit/单元NAND闪存技术，与TLC相比阵列密度高出33%。据了解，英特尔、美光都已推出了QLC 3D NAND闪存产品，这种产品将在大数据等类似应用中发挥很大的作用。

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