4D闪存+176层，SK Hynix做到了

继美光之后，SK海力士宣布完成了业内首款多堆栈176层4D闪存的研发，容量512GB/64GB，TLC。SK海力士透露，闪存单元架构为CTF（电荷捕获），同时集成了PUC技术。公司将样品提供给controller公司去制作解决方案产品

海力士一直在推广96层NAND Flash产品中的4D技术，该产品将电荷阱闪存(CTF)与高集成度Peri相结合，并采用单元(PUC)技术。新的176层NAND闪存是第三代4D产品，从制造上来说，其能够确保业内最佳的每片晶圆产出。与上一代相比，除了容量增加35%，它采用2分裂单元阵列选择技术后，单元的读取速度比上一代提高了20%，在不增加进程数量的情况下，采用加速技术的数据传输速度也提高了33%，达到1.6Gbps。

对于移动解决方案产品，最大读取速提高了70%，最大写入速提高了35%，SK海力士计划在明年年中发布消费者和企业SSD，从而扩大产品的应用市场。

从技术层面来讲，NAND闪存层数的增加，会导致电池电流减少，沟道孔扭曲，以及由于双叠层未对准而引起的单元分布恶化。SK海力士通过采用创新技术，如单元层间高度降低、层变量定时控制和超精密对准，克服了这些挑战，并开发了行业顶级176层NAND闪存。

SK海力士还计划通过在176层4D NAND的基础上开发双倍密度的1Tb产品，以不断增强其在NAND闪存业务上的竞争力。

根据市场情报提供商Omdia的数据，NAND闪存市场预计将从2020年的4318亿GB扩大到2024年的1.366万亿GB，复合年增长率为33.4%。

4D NAND

2018年SK海力士推出96层512Gb的基于CTF(Charge Trap Flash, 电荷捕获型闪存)的4D NAND闪存。这款产品基于TLC（Triple-Level Cell，三层单元）阵列，采用3D CTF设计和PUC（Peri. Under Cell）技术。这是SK海力士在业内首次将3D CTF与PUC相结合，这与结合3D浮栅与PUC的方式不同。其结果，前者获得了业界最好的性能和生产效率。公司将该产品命名为“基于CTF的4D NAND闪存”，以区别于当前的3D NAND闪存技术。

电荷阱闪光灯(CTF)

与浮栅将电荷存储在导体中不同，CTF将电荷存储在绝缘体中，消除了电池之间的干扰，提高了读写性能，同时与浮栅技术相比，减少了单位电池面积。在CTF架构中，没有浮栅，数据被临时存放在闪存内由氮化硅成的非传导层，也就是所谓的保持室（Holding Chamber）中，从而可以获得更高等级的可靠性与更好的存储电路的控性。大多数3D NAND公司正在采用CTF。

PUC技术

这是一种通过在电池阵列下放置外围电路而使生产效率最大化的技术。那SK海力士的4D NAND与竞争“对手”3D NAND的区别是什么呢？SK海力士称其结合了自身CTF设计与Periphery Under Cell（PUC）技术。简单来说，3D闪存由阵列和外围电路两个主要组件组成。与传统3D NAND相同，SK海力士的阵列是垂直堆叠的层用于存储数据，而外围电路排列在单元边缘。由电路控制阵列，但随着NAND层的增加，它就会消耗芯片空间，增加复杂性与尺寸大小，由此增加产品的最终成本。

为了解决这一问题，SK海力士的4D NAND采用了PUC设计，将外围电路放置在阵列之下而不是围绕，来提高存储密度，同时降低成本。然而，这与英特尔和美光首次推出第一代3D闪存设计相同，那边称之为“CMOS under Array”（CuA）。并且，三星也已经宣布其将来会转向CuA型设计，因此这绝不能算是新技术了。

2分单元阵列选择技术（2-division cell array selection technology）

字线在NAND闪存电路中向电池施加电压。层数越多，字线越薄，就会降低细胞的高度，对字线的电阻越大，就会影响速度。通过将连接字线的电池与现有的电池相比分成两部分，可以降低电阻，从而缩短施加电压的时间，提高读取速度。

电池层间高度降低技术

随着层数的增加，通过钻孔形成存储单元就会变得困难。这导致电阻增加，电流减少，难以保证性能和可靠性。为此，这就需要尽可能降低单元间层的高度，但这会增加单元间的干扰和缺陷率。电池层间高度降低技术不仅大幅降低了176层的电池层间高度，而且通过相关工艺和设计技术确保了具有竞争力的性能/可靠性。

层变定时控制技术

增加层数和降低层高往往会导致通道孔扭曲和单元散射恶化，从而降低每一层的性能和可靠性。该技术根据每层的特性调整施加电压的数量和时间，以保持均匀的电池特性，提高了性能和可靠性。

超精密定位技术

由于随着层数的增加，不可能一次钻出用于单元形成的孔，所以使用两次钻出孔的双堆叠工艺。双堆叠技术的核心是使堆叠误差最小化。如果堆栈没有正确对齐，将导致堆栈之间的电流流动不顺畅，并发生恶化，降低成品率、性能和可靠性。SK海力士自2017年推出72层的产品以来，就一直在使用双堆叠技术，对176层产品进行了改进，并基于自身的专业知识，实时自动校正孔的位置和尺寸。

存储厂商们各自努力，176层顶峰见实力

在全球NAND市场份额中，虽然美光排在第七位，但是在堆叠能力方面，美光却毫不逊色。美光是第一家发布176层3D NAND的存储厂商，其第五代3D NAND闪存是176层构造，这也是自美光与英特尔的存储器合作解散以来推出的第二代产品。2020年11月9日，美光宣布将批量发售世界上第一个176层3D NAND。

据美光官网介绍，该176层NAND采用了独特的技术，替换门架构将电荷陷阱与CMOS阵列下（CuA）设计相结合，与同类最佳竞争产品相比，其die尺寸减小了约30％。

三星电子作为全球NAND领导者，占有33.8％的市场份额，如果三星想在很长一段时间内保持这一头把交椅，就必须始终走在前面。三星电子计划在2021年上半年大规模生产具有170层或更多层的第七代V-NAND闪存，并将使用字符串堆叠方法，结合两个88L模具，新芯片还将采用“双栈”技术。行业观察家表示，由于三星电子改变了其堆叠方法，该产品的发布已被推迟。

铠侠也没闲着，值得一提的是，NAND闪存由东芝于1987年首次提出的。今年10月，铠侠表示，铠侠将在日本中部三重县的四日市工厂内建立一个新的1万亿日元（95亿美元）工厂，以提高其尖端NAND闪存的产量，因为他们的目标是满足5G增长推动的不断增长的需求网络。这项投资将与美国合作伙伴Western Digital进行。该工厂将从明年春季开始分两个阶段进行建设。这家占地40，000平方米的工厂将是铠侠最大的工厂。

英特尔也谈到了他们的3D NAND技术。早在2019年9月于韩国首尔举行的英特尔存储日上，英特尔宣布他们将跳过业界大多数人正在开发的128层NAND闪存节点，并将直接跳到144层。

西部数据于今年1月份宣布，它已经成功开发了其第五代3D NAND技术BiCS5，BiCS5设计使用112层，而BiCS4使用96层。

长江存储进步非凡，他们坚持创新发展，走差异化的路线，于2018年7月正式推出自家的独门绝技Xtacking®架构。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整体面积的50%以上。Xtacking®技术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。2020年4月，长江存储抢先推出了128层QLC 3D NAND闪存芯片X2-6070。目前长江存储的技术已经处于全球一流的水准，下一步就是解决产能的问题。

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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