3d nand 闪存你真的懂3D NAND闪存？｜半导体行业观察-报价-上海羊羽卓进出口贸易有限公司

3d nand 闪存你真的懂3D NAND闪存？｜半导体行业观察

发布时间 : 2024-11-25

作者 : 小编

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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。

长江存储128层TLC闪存拆解：存储密度高达848Gbmm²，远超三星等

去年4月，国产存储芯片厂商长江存储（YMTC）宣布其128层3D NAND 闪存研发成功。包括拥有业界最高单位面积存储密度，最高I/O传输速度和最高单颗NAND 闪存芯片容量的1.33Tb 128层QLC 3D NAND闪存，以及512Gb 128层TLC闪存。

近日，国外权威研究机构Tech Insights对长江存储的128层TLC 3D闪存进行了芯片级的拆解，发现其存储密度达到了目前业界最高的8.48 Gb/mm²，远高于三星、美光、SK海力士等一线NAND芯片大厂。

据介绍，Tech Insights拆解的是Asgard（阿斯加特）的PCIe4.0 NVMe1.4 AN4 1TB SSD，其内部采用的正是长江存储的128层TLC 3D NAND 闪存芯片，这也意味着长江存储128层TLC 3D NAND 闪存芯片已量产。该SSD硬盘的PCB上总共四颗256GB NAND闪存，单个封装内是4颗芯片，也就是说单颗芯片容量为512Gb。该NAND闪存的型号为YMN09TC1B1HC6C（日期代码：2021 9W）。

△长江存储512 Gb 128层3D TLC NAND 芯片的外观，型号为YMN09TC1B1HC6C

根据长江存储此前公布的数据显示，在传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，这也使得芯片的存储密度大幅降低。而随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路所占据的芯片面积或将达到50%以上。而Xtacking技术则是将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。

所以，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC芯片同样也是采用了两个晶圆来集成3D NAND，因此拆解后可以找到两个die，一个用于NAND阵列的die，另一个用于CMOS外围电路的die。

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND die标记（ CDT1B）

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND芯片COMS外围的die标记（CDT1A 或 CDT1B）

作为对比，上一代的64层 Xtacking 1.0架构的TLC NAND die标记为（Y01-08 BCT1B）和 CMOS外围电路die 标记为（Y01A08 BCT1B）。

根据Tech Insights的实测，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC的die尺寸为60.42mm²，这也意味着其单位密度增加到了8.48 Gb/mm2，比 256Gb 64层的Xtacking 1.0 die 高出了92% 。读取速度达到了7500 MB/s，写入速度也高达5500 MB/s。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND的die平面图

CMOS外围电路die则集成了页缓冲器、列解码器、电荷泵、全局数据通路和电压发生器/选择器。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的CMOS外围电路die平面图

Tech Insights称，长江存储128层Xtacking 2.0单元体系结构由两个通过层接口缓冲层连接的层组成，这与KIOXIA 112L BiCS 3D NAND结构的过程相同。单元大小、CSL间距和9孔VC布局与以前的64L Xtacking 1.0单元保持相同的设计和尺寸（水平/垂直方向间距）。门的总数为141（141T），包括用于TLC操作的选择器等。

△垂直方向的长江存储3D NAND单元结构，以及注释为32L（T-CAT带39T）、64L（Xtacking 1.0带73T）和128L（Xtacking 2.0带141T）的门的总数。

Tech Insights表示，长江存储128层Xtacking 2.0上层有72个钨闸门，下层有69个闸门。包括BEOL Al、NAND die和外围逻辑管芯在内的金属层总数为10，这意味着与64L Xtacking 1.0工艺集成相比，外围逻辑管芯中增加了两个铜金属层。通道VC孔高度增加一倍，为8.49µm。

△长江存储三代3D NAND的比较：Gen1（32L）、Gen2（64L，Xtacking 1.0）和Gen3（128L，Xtacking 2.0）。

与三星（V-NAND）、美光（CTF CuA）和 SK海力士（4D PUC）的现有128层512 Gb 3D TLC NAND 芯片的die尺寸相比，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的die尺寸更小，单位密度最高。

长江存储128层TLC NAND die平面布置图和两层阵列结构与美光和SK海力士相同，但长江存储的每个字符串的选择器和虚拟WL数为13，小于美光和SK 海力士（两者均为147T）。由于长江存储所采用的Xtacking混合键合方法，使得其使用的金属层数量远高于其他产品。

△128层512 Gb 3D TLC NAND产品的比较，包括刚刚发布的YMTC 128L Xtacking 2.0 3D NAND。

从上面的对比数据来看，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的单位存储密度达到了8.48b/mm²，远高于三星的6.91Gb/mm²、美光的7.76Gb/mm2、SK海力士的8.13Gb/mm²，达到了目前业界最高单位存储密度。

目前长江存储Xtacking 2.0架构的512Gb 128层TLC NAND芯片已量产。虽然三星、SK海力士、美光等厂商也在致力于开发176层3D NAND闪存芯片，但是他们目前最先进的量产产品还是128层。

作为一家成立仅数年的国产NAND Flash闪存芯片厂商，长江存储在国外巨头已领跑数十年的存储技术领域，能够在如此短的时间内追赶上来，并且取得技术上的领先，实属不易。

编辑：芯智讯-浪客剑资料来源：Tech Insights

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