3D闪存只讲堆叠层数不谈制程工艺的背后

在我们打开一个固态硬盘的产品信息页面时，总是能看到"采用3D NAND闪存"这样的介绍。大家是否想过，为什么3D结构会取代制程微缩成为闪存的发展方向？

15nm制程成为2D与3D闪存的分水岭，在15nm之后闪存不再像CPU那样继续向更先进的10nm、7nm制程迈进。是什么样的原因使得更先进的半导体制程与NAND闪存无缘？现在的3D闪存到底又是什么制程节点制造的？

TLC转折点

各种闪存新技术的出现，本质上都是为了降低每GB容量的成本。NAND闪存相比内存有一个优势，它在一个单元里可以存储多个比特(bit)的数据。这是制程微缩之外的另一种扩容量、降成本手段。当发展到TLC（3bit/cell）后，遇上麻烦了。

闪存单元的FG浮栅结构就像一个可以存储电子的桶，其中容纳的电子数量会影响到闪存单元的读取阈值电压Vth。在TLC中为了表达3比特数据已经需要用到8种不同的阈值电压，如果发展到QLC的4bit/cell结构，更需要区分出16种阈值电压，这就像蝇头小楷一样难以看清。

电子危机

制程微缩的过程进一步加剧了闪存危机，新制程的FG浮栅结构中能容纳的电子总数不断下降，发展到一个非常危险的水平。下图中的红线是过去BCH纠错技术下的可用界限，除非改变闪存结构，否则制程微缩将难以为继：制造出的闪存单元会因为能够容纳的电子数量太少而极其容易出错。

3D闪存架构提出

3D闪存就是攻城狮们找到的新结构出路。早在2007年，东芝就首次提出BiCS三维闪存结构，成功地解决了当代的发展难题。目前市场上在售的固态硬盘几乎全部使用了3D闪存。

3D闪存并不是简单地把闪存单元从平面堆叠成立体状态，而是涉及了基础的结构变化。下图为东芝BiCS三维闪存与传统平面闪存的结构对比。

最终结果使得闪存单元之间的间隙变大、读写干扰得到降低。同时，Charge Trap取代了传统的Floating Gate结构，有力地提升了闪存单元"抓住"电子的能力，降低了漏电速度。

3D闪存的制程信息

很多地方说3D闪存之所以更耐用，是因为使用了更老的制造工艺。这一点其实只适用于初代的3D NAND，40nm的制程使得初代的3D闪存非常昂贵，没有达到扩容量、降成本的初衷。

尽管闪存原厂都不再透露3D闪存的具体制程信息，TechInsights的分析报告还是给出了我们想要的答案：目前的64层堆叠、96层堆叠技术使用的都是19/20 nm制造工艺。

3D闪存的未来

现在3D闪存已经在固态硬盘当中大为普及，未来还会有4D闪存吗？其实4D概念去年就有闪存厂商提出，不过"4D"只是将闪存中的外围电路拿出来，置于存储单元阵列的下方，属于3D工艺的一个小改进。

目前的主流3D闪存拥有64层堆叠层数，东芝在去年率先宣布96层3D TLC。在即将到来的下个节点是96层堆叠与QLC的结合，东芝的96层BiCS4已实现1.33Tb/die的存储密度，如果以8die封装来计算，每个闪存颗粒就可以提供高达1.33TB的海量存储空间，手机和固态硬盘的容量即将迎来又一次爆发式增长。

32层三维NAND闪存芯片将于年内量产

芯片被誉为高端制造业的“皇冠明珠”，是一个国家制造业和科技实力的象征。然而，多年来受制于技术、投入以及相关体制机制等因素，我国芯片产业发展速度较慢，主要产品依赖进口。

如今，这一尴尬局面有望被彻底打破。4月11日，国家存储器基地项目首套芯片生产机台进场安装，标志着国家存储器基地从厂房建设阶段进入生产准备阶段。同时，我国首批拥有完全自主知识产权的32层三维NAND闪存芯片将于年内量产，将填补我国主流存储器领域空白。

作为“工业的粮食”，芯片是小到手机、电脑，大到人工智能、大数据、网络安全等产业的核心基础。目前，中国已经成为世界上最大的芯片消费国，但其中90%的产品均来自国外厂商。

针对这一问题，2016年3月份，紫光集团联合国家集成电路产业投资基金、湖北集成电路产业投资基金、湖北科投在武汉东湖高新区共同投资建设国家存储器基地项目。4个月后，长江存储科技公司成立，并成为该项目的实施主体。根据计划，该项目总投资额为240亿美元，占地面积1968亩，将建设3座全球单座洁净面积最大的三维NAND Flash生产厂房。项目核心生产厂房和设备每平方米的投资强度超过3万美元，项目一期总产能将达到30万片/月，年产值将超过100亿美元。

“国家存储器基地项目堪称中国集成电路闪存芯片产业规模化发展零的突破，也是打破西方国家垄断的重要抓手。在未来10年左右的时间里，紫光集团将至少投资1000亿美元推进相关产业发展。”紫光集团董事长兼长江存储董事长赵伟国在接受经济日报记者采访时表示。

“一方面，我国在核心技术和产品结构上仍然与世界一流水平存在差距，实现追赶超越的目标绝非一朝一夕，需要坚定的战略定力以及长期保持高投入的耐力与底气；另一方面，未来5年至10年是中国集成电路产业发展的最佳窗口期，既然选择了存储芯片作为切入点和突破口，紫光集团和长江存储就一定要抓住机遇，直面挑战，知难而上，通过超常规的投入缩短发展周期，迅速登上全球存储行业的竞争舞台。”赵伟国说。

专家告诉记者，长江存储的起点“不仅不低，而且很高”，一个典型的佐证就是，项目一投产就将生产3D NAND闪存。这种闪存一改过去平面闪存的架构，实现了三维立体堆叠，“其中的区别就相当于从平房到楼房的跨越”。

“业界普遍认为，3D NAND闪存是中国存储芯片制造业‘弯道超车’的最佳机会。”赵伟国告诉记者，去年国家存储器基地成功研发中国首颗32层三维NAND闪存芯片，这是我国在制造工艺上最接近国际高端水平的主流芯片，在填补中国企业芯片领域空白上迈出了重要一步。4月9日，该芯片获得中国电子信息博览会金奖。

长江存储执行董事长高启全透露，未来几个月内，近3000套生产机台将陆续进场安装调试，预计7月底或8月初具备试生产条件，年内将可产出5000片32层三维NAND闪存芯片；2019年，32层三维NAND闪存芯片产量将提升至每年10万片，当年年底试产64层三维NAND闪存芯片；2020年，64层三维NAND闪存芯片产能将提升至每年10万片，并研发具有全球先进水平的128层三维NAND闪存芯片。

国务院公布的《促进中部地区崛起“十三五”规划》明确提出，“支持武汉、合肥建设存储器产业基地”。目前，湖北省和武汉市正在举全省、全市之力，将这一项目打造成转型跨越发展的千亿元高科技产业项目。武汉市有关负责人告诉记者，在加快实现存储器芯片量产的同时，武汉东湖高新区将加大设计、设备、材料、封测、存储控制等企业招商引资力度，打造“芯片―显示―终端”全产业链，尽快形成万亿级产业集群。（经济日报记者 郑明桥 通讯员 吴 非）

本文源自中国经济网―《经济日报》

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