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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"闪耀未来：NAND Flash产业的复苏与前瞻"

在科技飞速发展的今天，NAND Flash产业成为了关注的热点，它不仅是数字存储领域的核心技术之一，也直接关系到智能设备的性能与发展。近期，TrendForce集邦咨询发布的报告揭示了一个惊人的事实：2023年第四季度，NAND Flash产业营收达到了114.9亿美元，环比大幅增长24.5%。这一数字背后，是市场需求的强劲回暖和产业信心的集体提升，也是技术进步和市场策略的胜利。

需求复苏，市场迎来转机

年终促销的热潮带动了终端需求的回温，而零部件市场追价的现象也让订单动能得到了极大的扩展。在过去的一段时间里，我们见证了位元出货量的显著增长，这不仅超出了去年同期的表现，也超越了市场的预期。这一切，都指向了一个共同的趋势——NAND Flash产业正在迎来复苏的曙光。

企业积极备货，展望未来

另一个值得注意的现象是，许多企业对2024年的市场需求持续保持乐观的态度，并已开始策略性地增加备货量。这种前瞻性的策略不仅反映了市场对未来发展的积极预期，也展示了产业对于风险管理和机遇捕捉能力的提升。在供应链库存水位已大幅改善，以及价格仍旧上涨的情况下，为了避免供货短缺及成本增加的风险，客户继续增加采购订单，显示出市场对于NAND Flash产品的强烈需求。

激励合约价上涨，营收预期乐观

尽管传统上第一季度被视为淡季，但在订单规模持续增大的推动下，NAND Flash合约价的平均涨幅高达25%。这一现象不仅反映了市场对于NAND Flash产品稳定供应的迫切需求，也为整个产业带来了积极的信号。TrendForce集邦咨询预估，第一季度NAND Flash产业的营收还将季增两成，这一预期无疑为整个产业注入了一剂强心针。

技术进步与市场策略的胜利

NAND Flash产业的这一波繁荣，不仅是技术进步的成果，也是市场策略成功的证明。从提升存储密度、优化生产流程到精准的市场定位和策略备货，每一步都是产业发展的关键。随着5G、AI、大数据等技术的不断发展和应用，NAND Flash作为存储技术的需求将更加旺盛，未来的发展空间不可限量。

总结

NAND Flash产业的强劲复苏和乐观预期，是技术与市场双轮驱动的结果。它不仅为产业参与者提供了广阔的发展机遇，也为全球消费者带来了更高性能、更低成本的数字产品。展望未来，随着技术的不断创新和市场需求的进一步扩大，NAND Flash产业有望继续保持强劲的增长势头。这不仅是对产业自身发展的巨大推动，也是对全球数字经济增长的重要贡献。

在这个变化莫测的市场环境中，NAND Flash产业的发展给我们带来了几个重要启示。首先，技术创新是推动产业发展的关键驱动力。通过不断优化产品性能和生产效率，企业能够更好地满足市场的需求，保持竞争优势。其次，市场策略的灵活性对于把握机遇至关重要。面对快速变化的市场需求和激烈的竞争环境，企业需要灵活调整策略，以应对各种挑战。

此外，国际合作在推动NAND Flash产业发展中发挥了不可替代的作用。随着全球经济一体化程度的加深，跨国合作成为技术进步和市场扩张的重要途径。通过分享资源、技术和市场信息，各国企业可以共同推动产业技术的创新和应用，实现互利共赢。

面向未来，随着云计算、物联网、人工智能等技术的广泛应用，数据存储需求将持续增长，NAND Flash产业的市场空间将进一步扩大。这不仅需要企业持续进行技术创新和产能扩张，也需要政府、行业组织和科研机构等多方面的支持和推动。通过共同努力，我们有理由相信，NAND Flash产业将在未来的数字经济时代中扮演更加重要的角色，为全球经济增长注入新的活力。

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