NAND Flash跨入128层时代

日前，美光发布第二季度财报，其在电话会议中美光透露，即将开始批量生产其基于公司新的RG（replacement gate）架构的第四代3D NAND存储设备。至此，美光，东芝，SK海力士和三星都已正式挺进128层，甚至更高层级，存储大厂们已经为3D NAND的堆叠层数而疯狂。

市场需求无疑是最大的驱动力，随着5G及物联网技术的发展，数据正呈现出爆炸式的增长，由此对于存储的需求也越来越大。

从2D到3D

此前的闪存多属于平面闪存 (Planar NAND)，我们一般称之为“2D NAND”。巨大需求推动下的2D NAND 工艺不断发展，向1znm（12-15nm）逼近， 平面微缩工艺的难度越来越大，接近物理极限，但尽管如此，存储密度也很难突破128GB容量。并且带来的成本优势开始减弱，有资料指出，16nm制程后，继续采用2D 微缩工艺的难度和成本已超过3D技术，因此各存储大厂都在积极推出3D NAND。

来源：互联网

3D NAND，简单来说，就是通过die堆叠技术，加大单位面积内晶体管数量的增长。有资料称，3D NAND比2D NAND具有更高的存储容量，若采用48层TLC 堆叠技术，存储密度可提升至256GB，轻松突破了平面2D NAND 128GB 的存储密度极限值。

同时还具有更高的可靠性，NAND闪存一直有着电荷之间电场干扰问题,导致需要flash control芯片透过复杂的算法来防止和纠正这么干扰带来的错误,最后拖累了资料的传输速度。透过3D堆叠技术，单位储存空间变大，电荷间的电场干扰降低，大幅提升了产品的可靠性，也因资料错误降低，不仅提升了资料的传输速率，更因简化了纠错算法，进而降低了功耗，一举数得。进一步凸显了成本效益。

来源：三星

在主要的NAND厂商中，三星于2013年8月就已经宣布进入3D NAND量产阶段，2014 年第 1 季正式于西安工厂投产。其他几家公司在3D NAND闪存量产上要落后三星至少2年时间。

东芝、美光、SK海力士2015年正式推出3D NAND闪存。Intel 2016年4月初才发布了首款3D NAND闪存的SSD，不过主要是面向企业级市场的。在这些存储大厂的推动下，NAND Flash正在快速由2D NAND向3D NAND普及。

来源：中国闪存市场

2019年Q3度全球NAND闪存市场明显复苏，三星、铠侠(原东芝存储)、美光等主要存储厂商的出货量均有较大幅度增长。据DRAMeXchange数据显示，2019年Q4季度全球NAND闪存市场营收125.46亿美元，环比增长8.5%，位元出货量增长10%左右，合约价也由跌转涨。

技术升级一向是存储芯片公司间竞争的主要策略。随着存储市场由弱转强，处于新旧转换的节点，各大厂商纷纷加大新技术工艺的推进力度，加快从64层3D NAND向96层3D NAND过渡，同时推进下一代128层3D NAND技术发展进程，以期在新一轮市场竞争中占据有利位置。

如前文所言，3D NAND主要依靠die堆叠，采用这种方式可以使得每颗芯片的储存容量可以显著增加，而不必增加芯片面积或者缩小单元，使用3D NAND可以实现更大的结构和单元间隙，这有利于增加产品的耐用性。因此想要增加存储空间就需要不断的增加堆叠层数，这也就是为什么先进存储厂商一直想要追求更多堆叠层数的原因。

在发展3D NAND的过程中，这些厂商通常采用两种不同的存储技术：电荷撷取技术(CTF, Charge Trap Flash)和浮栅(FG, Floating Gate)技术。

CSDN博主“古猫先生”指出，这两种技术没有好坏之分，应该是各有千秋。

CTF电荷撷取技术实现原理和过程更加简单，有利于加快产品进程。此外，电荷存储在绝缘层比存储在导体浮栅中更加的可靠。

FG浮栅技术从2D NAND开始已经很成熟。另外，采用FG浮栅技术的3D NAND的存储单元相互独立，而采用CTF电荷撷取技术的3D NAND的存储单元是连接在一起的。这样的话，FG浮栅技术的存储过程更具操作性。

三星

三星就是主推CTF电荷撷取技术的厂商 ，其3D NAND的发展轨迹是48层-64层-96层-128层+。从2013年开始量产第一代3D V-NAND，到2018年，开始批量生产第五代V-NAND 3D堆叠闪存，9x层的堆叠设计；一直引领着存储行业在闪存容量和性能方面的持续性创新。

三星在2019 年 6 月就推出了第六代 V-NAND（128 层 256Gb 3D TLC NAND），8 月份宣布基于该技术已批量生产 250GB SATA SSD，而在 11 月实现了第六代 128 层 512Gb TLC 3D NAND的量产。

据三星官方消息显示，新款 V-NAND 运用三星电子有的“通道孔蚀刻”技术，向前代 9x 层单堆叠架构增加了约 40% 单元。这是通过构建由 136 层组成的导电模具堆栈，然后垂直自上而下穿过圆柱孔，形成统一的 3D 电荷撷取闪存 (CTF) 单元实现的。

SK海力士

SK海力士也采用CTF电荷撷取技术，在由2D转进3D NAND世代的竞争中，SK海力士似乎一直处在掉队状态，落后过去 2D 平面式 NAND Flash 时代。因此，SK 海力士在全球 NAND Flash 排名中，已经被甩到五名之外。这对于在 2D 时代实力很强的 SK 海力士，属实有点让人意外。

2019年，在美国闪存峰会上，SK海力士公布3D NAND技术路线图，此技术路线图展示，在2030年3D NAND将达到800多层的堆叠高度。SK海力士将该技术称为第6版4D NAND，但其他制造商都将其称为3D NAND。其中176层对应1.38 TB，500层对应3.9 TB，800层对应6.25 TB。

SK海力士在 2019 年 6 月份宣布推出首款 128 层 TLC 4D NAND，11 月份向主要客户交付基于 128 层 1Tb 4D NAND 的工程样品并较预期提前量产。这种先发优势，将会有助于抢占市场，更快达到规模经济。

SK海力士128层TLC 4D NAND将在2020年进入投产阶段。同时正在开发下一代176层4D NAND，将通过技术优势，持续增强其在NAND Flash市场上的竞争力。

东芝

东芝方面，也是CTF电荷撷取技术，东芝是目前日本最大的半导体制造商，也是闪存技术的缔造者，于1989年最早研制出了NAND闪存。虽然东芝公司最早提出3D NAND架构，并于2012年成功研发16层3D NAND实验品，但却迟迟未推出相关产品上市，导致其市场步伐落于三星之后。

据悉，迫于三星的市场压力，东芝计划采用P-BiCS(Pipe-shaped Bit Cost Scalable)技术量产3D NAND产品，样品于2014年Q1送样，计划于2016年第二季度量产；且在2016年度至2018年度，东芝大举投资半导体存储器，投资额将达8千亿日元。

2018 年6 月东芝将铠侠独立出去，并卖给由美国贝恩资本主导的「日美韩联盟」。东芝目前仍持有铠侠40.2%股权。

1月31日，铠侠宣布已研发出3D NAND Flash「BiCS FLASH」的第5代产品，采用堆叠112层制程技术，且已完成试作、确认基本动作。该款堆叠112 层的3D NAND 试作品为512Gb（64GB），采用3bit/cell（TLC：Triple Level Cel）技术的产品，预计将在2020 年第一季进行样品出货，除将用来抢攻需求持续扩大的资料中心用SSD、商用SSD、PC 用SSD 及智能手机等市场外，也将用来抢攻5G、人工智能（AI）、自动驾驶等新市场需求。

铠侠指出，该款112 层3D NAND 产品为该公司和合作伙伴美国Western Digital（WD）所携手研发完成，今后将利用双方共同营运的四日市工厂以及北上工厂进行生产，且今后也计划推出采用堆叠112 层制程技术的1Tb（128GB）TLC 产品以及1.33Tb 的4bit/cell （QLC：Quadruple-Level Cell）产品。关于上述112 层3D NAND 的量产时间，WD 宣布，预定将在2020 年下半年。

美光

美光过去在 2D 平面式 NAND FLash 技术世代，一直与英特尔联合开发技术、分摊产能建置成本等。

不过，从 2D 转进 3D NAND 世代中，美光已经直逼拥头部厂商水准。IC 设计业者分析，美光在 3D NAND 技术层面，已经直逼三星水准，其读写 read/write performance 只有三星可以抗衡，且在相同layer 下，其die size 也是业界最小，技术实力在 3D NAND 时代大幅追上来。

2019年10月初，美光宣布第一批第四代3D NAND存储芯片流片出样。第四代3D NAND基于美光的RG架构，采用128层工艺。在“Mircon Insight2019”技术大会上，美光科技执行副总裁兼首席商务官Sumit Sadana表示，128层3D NAND如果被广泛使用，将大大降低产品每比特成本。

如前文所言，他们即将开始批量生产其基于公司新的RG架构的第四代3D NAND存储设备，美光第四代的28层3D NAND即将流片表示，表示该公司新设计不仅仅是一个概念。

同时，美光还没有计划将其所有产品线都转换为最初的RG处理技术，因此明年公司范围的每位成本将不会大幅下降。尽管如此，该公司承诺在其后续RG节点广泛部署之后，到2021财年（从2020年9月下旬开始）将实现有意义的成本降低。

长江存储

相比国际先进水平，国内厂商长江存储也在3D NAND上有所突破，并推出了其独特的Xtacking技术。

据相关报道显示，传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20—30％，降低了芯片的存储密度。随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路可能会占到芯片Xtacking技术将外围电路连接到存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。

据悉，长江存储的64层3D NAND闪存产品将在2020年进入大规模量产，此外，长江存储还将在今年跳过96层，直接投入128层闪存的研发和量产工作。

总结

从进度来看，128层3D NAND基本将在今年大量进入企业存储市场，逐渐成为主流。但是从此亦可看出，存储厂商间的新一轮技术升级之争亦将变得更加激烈。

半导体专家莫大康指出，存储芯片具有高度标准化的特性，且品种单一，较难实现产品的差异化。这导致各厂商需要在工艺技术和生产规模上比拼竞争力。

因此，每当市场格局出现新旧转换时，厂商往往打出技术牌，以期通过新旧世代产品的改变，提高产品密度，降低制造成本，取得竞争优势。

值得注意的是，今年由于疫情原因，可能影响智能手机及笔记本等消费电子产品的出货，闪存出货量预计会衰退或者持平。因此也有业内人士指出，存储厂可能会更趋向于加大96层3D NAND的生产。

对于中国存储业来说，技术上从2D到3D的改变，是一个难得的发展机遇，但是如何抓住这个机遇仍具挑战。

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三星96层V-NAND量产，是否逼近了堆叠的物理极限？

来源：由半导体行业观察原创（ID：icbank）

近日，三星电子宣布，已经开始批量生产第五代V-NAND 3D堆叠闪存，称其同时拥有超大容量和超高速度。

据悉，三星第五代V-NAND采用96层堆叠设计，是目前行业最高纪录，内部集成了超过850亿个3D TLC CTF存储单元，每单元可保存3比特数据，单Die容量达256Gb（32GB）。这些单元以金字塔结构堆积，并在每一层之间贯穿极微小的垂直通道孔洞，仅有几百微米宽。

三星称，它在业内首次使用了Toggle DDR 4.0接口，在存储与内存之间的数据传输率高达1.4Gbps，比上一代64层堆叠产品提升了40％，同时电压从1.8V降至1.2V，能效大大提高。此外，其数据写入延迟仅为500微秒，比上一代提升30％，而读取信号响应时间也大幅缩短到50微秒。

三星表示，会率先打造单模256Gb容量的V-NAND，与目前大多数三星消费类SSD使用的相同尺寸，预计会在移动及SSD市场中得到广泛应用，未来将会推出基于第五代V-NAND的1Tb及QLC产品。

而关于第五代V-NAND闪存的推出，三星最早是在2017年8月在旧金山闪存峰会上公布的。

目前，三星的主力产品是第四代V-NAND，它是在2016年的旧金山全球闪存峰会（Flash Memory Summit）上发布的，其最大特点就是在堆叠层数上由第三代的48层提升到了64层。

据悉，具有64层堆栈的第四代V-NAND为，核心容量为256-512Gb，2017年上半年已经大规模量产。

而三星第一代3D V-NAND，是在2013年8月开始量产的。那一代V-NAND产品，每个die容量有128Gb（16GB），通过3D堆叠技术可以实现最多24层die堆叠，这使得24层堆叠的总容量达到了384GB。

在2016年的旧金山闪存峰会上，三星公布了Z-NAND与Z-SSD的相关信息。后者基于第四代V-NAND，但由于具有一些新的特性（介于DRAM内存和NAND闪存之间）、包含独特的电路设计与优化后的主控，三星于是用Z-NAND来命名这款闪存芯片。相比其他NAND，当时发布的Z-SSD延迟有大幅度的降低，而读取速度提高了近2倍。

而在2017年8月的闪存峰会上，三星Z-SSD“概念机”正式落地，被命名为SZ-985，3个月后，SZ-985于2017年11月正式发布。

据悉，Z-SSD非常稳定，能够在整个生命周期内保持同样的延迟时间，不会因为使用时间长改变延迟性能。三星还在积极开发第二代产品，据说可以大大降低成本，而且保持了低延迟的性能。

V-NAND强在哪里

与2D平面闪存相比，V-NAND垂直结构有明显优势，主要包括以下两点：

1、容量增加：每个存储块中的页数增加2倍，每个存储块中可以包含的字节数，由1024K Bytes增加到了3*1024K Bytes. 字节数的增加，代表存储容量的增大；

2. 性能提升：V-NAND的每个页的写入时间为0.6ms，而平面NAND中的页写入时间是2ms, V-NAND快了1.4ms,。随机读方面，V-NAND和平面NAND只相差3us, 处于同一水平。在存储块擦除方面，V-NAND比平面NAND快了1ms.

在2D平面NAND中，随着制程进入20nm以下，不同存储单元之间的干扰效应越来越严重，为了减少干扰，三星在V-NAND中引入了电荷陷阱（Charge Trap Flash, CTF）的概念，目的就是尽可能的消除存储单元之间的干扰。与平面NAND相比，V-NAND存储单元的分布区间变窄了33%，这样的好处就是减少了读写的错误几率，让cell更加可靠。另外，V-NAND的存储单元之间的干扰下降了84%，同样，不同存储单元之间的干扰减少，也可以很大程度上提高NAND的可靠性。

如下图所示，在水平方向，即bit line方向，不同存储单元之间相距较远，且有绝缘层阻隔，可以说在水平方向，不同存储单元之间的干扰基本不存在。

在垂直方向，不同cell之间的距离达到40nm, 比平面NAND的十几nm要大很多，所以，在垂直方向，不同存储单元之间的干扰很小。

在2D平面NAND中，存储单元采用的是浮栅结构，电荷存在浮栅导体中。而在三星V-NAND中，存储单元采用的是CTF结构，电荷储存在绝缘体中，与浮栅结构相比，CTF结构由于电荷储存在绝缘体中，电荷更不容易跑出去，所以，在某种程度上，可以说采用CTF结构的NAND闪存比采用浮栅结构的NAND闪存更加可靠。

简单来讲，由于传统NAND面临着容量要想提高，制程就越先进，可靠性和性能越低这样的困境，而三星的解决方案就是V-NAND，它不再追求缩小cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多cell，这样也可以达到容量增多的目的。

通过3D堆叠，V-NAND可以垂直方向扩展NAND密度，那就没有继续缩小晶体管的压力了，所以三星可以使用相对旧的工艺来生产V-NAND闪存，不必非要演进到10nm以下了。

3D NAND市场风起云涌

3D NAND的发展速度越来越快，如今，96层堆叠的产品都开始量产了。虽然业界对于各家存储器厂商纷纷上马3D NAND项目，使得产能过剩的担忧此起彼伏，但依然没有打消厂商追求最先进3D NAND的热情，这其中不只有以三星（当前，三星是全球最大的NAND供应商）为代表的传统大厂，中国本土的后起之秀也在该领域努力追赶，并极力扩大产能。

可以说，国际大厂都在加快推进3D NAND的技术演进，不只有三星一家，美光、东芝、西数、SK海力士也都在摩拳擦掌，暗中蓄力，以便加高自身的技术壁垒，拉开与竞争者的差距，为下一波市场争夺战做好准备。

而在近日举行的国际存储研讨会（IMW 2018）上，应用材料公司表示，到2020年，3D存储堆叠可以做到120层，2021年可以达到140层。

除了3D堆叠之外，存储厂商也在力图通过改善数据储存单元结构与控制器技术来增加单位存储容量，美光便率先推出QLC 3D NAND，将单位存储容量提升了33%。

还以三星为例，据悉，该公司正在研发128层的3D NAND。其它厂商方面，东芝与西部数据曾经宣布已完成96层3D NAND的研发，并多次扩大Fab6工厂的投资金额，为96层3D NAND的量产做准备。英特尔和美光也曾表示，96层3D NAND的开发结果将于2018年底或2019年初交付，预计英特尔和美光96层3D NAND可在2019年下半年实现量产。

目前，中国投入3D NAND的企业，以长江存储为主，其项目进展的速度也很快。2016年12月底，由长江存储主导的国家存储器基地正式动土，官方预期分三阶段，共建立三座3D-NAND Flash厂房。第一阶段厂房已于2017年9月完成兴建，预定2018年第三季开始移入机台，并于第四季进行试产，初期投片不超过1万片，用于生产32层3D-NAND Flash产品，并预计于自家64层技术成熟后，再视情况拟定第二、三期生产计划。

而准备量产的32层3D-NAND Flash产品，是武汉长江存储与中科院微电子所最著名的合作案例，已于近期试产成功，还荣获了2018年产业技术创新联盟创新奖。

据悉，双方的合作始于2014年，当时正式启动了3D NAND合作项目；

2015年，完成了9层结构的3D NAND测试芯片，实现了电学性能验证；

2016年，实现了32层测试芯片研发及验证，注资240亿美元建设国家存储器基地；

2017年，测试芯片良率大幅提升，并实现了首款芯片的流片；

2018年，开始了3D NAND存储芯片生产线试产。

紫光集团董事长、长江存储董事长赵伟国曾经表示，武汉长江存储基地将募资800亿元，金额已经全数到位，今年可进入小规模量产，明年进入128Gb的3D NAND 64层技术的研发。据紫光集团全球执行副总裁暨长江存储执行董事长高启全透露，长江存储的3D NAND闪存已经获得第一笔订单，总计10776颗芯片，将用于8GB USD存储卡产品。

综上，无论是国际大厂，还是中国的本土新贵，都在不遗余力地发展3D NAND技术。而在各项性能指标中，堆叠层数成为了最为显眼和受瞩目的元素，这就像是在制程工艺方面，节点（10nm，7nm，5nm等）成为了人们关注的焦点一样，随着工艺的演进，节点微缩的难度越来越大，不知道3D NAND的堆叠层数是否也会如制程节点一样。眼下三星量产的96层是否已经逼近了物理极限呢？

文/半导体行业观察 张健

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