存儲技術(shù)現(xiàn)新動力，3D堆疊的引入，NAND架構(gòu)百花齊放
NEO半導(dǎo)體公布3D X-DRAM技術(shù)：230層堆棧，容量提升8倍！
據(jù)了解，NEO半導(dǎo)體是美國一家存儲芯片技術(shù)公司，此前就宣布推出3D X-NAND閃存，號稱解決了TLC、QLC閃存的性能及耐用性問題，第一代順序?qū)懭胨俣葹?600MBps，第二代為3200MBps。
NEO半導(dǎo)體這次公布的3D X-DRAM技術(shù)號稱是全球首款3D DRAM技術(shù)，可以將DRAM帶入3D時(shí)代，希望成為DRAM行業(yè)的游戲規(guī)則改變者。
根據(jù)NEO半導(dǎo)體公布的資料顯示，其3D X-DRAM具有基于無電容器浮柵極 (FBC) 技術(shù)的類 3D NAND DRAM 單元陣列結(jié)構(gòu)。這種 FBC浮柵極技術(shù)使用一個(gè)晶體管和零個(gè)電容器將數(shù)據(jù)存儲為電荷。NEO半導(dǎo)體表示它可以使用當(dāng)前的 3D NAND 類工藝制造，并且只需要增加一層光罩掩模來定義位線孔并在孔內(nèi)形成垂直結(jié)構(gòu)，這提供了一種高速、高密度、低成本和高產(chǎn)量的制造解決方案。
NEO公司承諾，2025年推出的第一代3D X-DRAM就可以做到230層堆棧，核心容量128Gb，而當(dāng)前2D DRAM內(nèi)存的核心容量還在16Gb，實(shí)現(xiàn)了8倍容量。
此外，NEO半導(dǎo)體公司還提出了每10年將3D X-DRAM容量提升8倍的目標(biāo)，預(yù)計(jì)到2035年的時(shí)候?qū)⑼瞥?Tb核心容量的3D X-DRAM，相比現(xiàn)在總計(jì)64倍容量提升。按照NEO的說法，未來的內(nèi)存不僅輕松TB容量起步，追上SSD硬盤也很容易，要知道當(dāng)前3D閃存的核心容量也就512Gb到1Tb。
NEO半導(dǎo)體公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Andy Hsu 樂觀地表示：“3D X-DRAM 將是半導(dǎo)體行業(yè)未來絕對的增長動力?！?/span>
各大廠商紛紛布局3D NAND技術(shù)
3D-NAND的層數(shù)堆疊，已經(jīng)成為各大廠商競相追逐的目標(biāo)。目前主流廠商已經(jīng)到了第6代工藝，Micron剛剛宣布完成232L 3D TLC NAND，讀寫性能都得到大幅提升，采用的是雙堆棧技術(shù)。
從Micron透露的路標(biāo)來看，對NAND技術(shù)的研發(fā)也是持續(xù)投入，爭取一直處于領(lǐng)先的地位，當(dāng)前主要在TLC，后續(xù)會在QLC繼續(xù)發(fā)力。據(jù)了解，Micron在PLC NAND上暫時(shí)未打算重點(diǎn)投入，這也跟PLC NAND的可靠性需要更大的技術(shù)支撐，研發(fā)投入更大有關(guān)。同樣的工藝研發(fā)投入，隨著bit/cell的增加，容量的收益卻在下降。
在Micron宣布232層之后，海力士Sk Hynix也接著發(fā)布了238層 512Gb TLC 4D NAND。海力士這個(gè)4D NAND叫法，噱頭大于實(shí)際意義，實(shí)際也是3D-NAND的變形，類似CuA架構(gòu)，就是把電路單元放在存儲單元之下(Peri Under Cell, PUC)而已.
鎂光Micron和海力士SK Hynix發(fā)布的200L+的NAND，采用的都是Charge Trap Flash(CTF)。目前市場上，也僅剩Solidigm(Intel NAND賣給海力士后新成立的公司)還在堅(jiān)持使用Floating Gate(FG)架構(gòu)。與FG浮柵不同，F(xiàn)G浮柵將電荷存儲在導(dǎo)體中，而CTF將電荷存儲于絕緣體中，這消除了單元之間的干擾，提高了讀寫性能，同時(shí)與浮柵技術(shù)相比減少了單元面積。不過，F(xiàn)G浮柵對read disturb和program disturb的抗干擾比CTF要好，總體來說，CTF工藝成本更低，這也是大多數(shù)公司選擇CTF的原因。
國內(nèi)廠商YMTC自研的Xtacking技術(shù)也到了3.0，預(yù)計(jì)2023也將發(fā)布超過200L層的3D NAND，很可能層數(shù)在232層，采用6-plane的設(shè)計(jì)，相對4-plane的架構(gòu)，性能將得到超過50%的提升。
根據(jù)目前各家NAND原廠的研發(fā)狀態(tài)，預(yù)計(jì)在2025年，我們將會看到層疊超過500L的3D NAND。甚至在2030之前，超過800L的3D NAND也可能會進(jìn)入大家的視野。
主流的3D NAND架構(gòu)
在3D NAND技術(shù)推出之前，NAND閃存均為2D平面形式。2D NAND架構(gòu)的原理就像是在一個(gè)有限的平面上蓋平房，平房的數(shù)量越多，容量也就越大。過往存儲芯片廠商將平面NAND中的單元尺寸從120nm擴(kuò)展到1xnm 節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了100倍的容量。不過隨著單元尺寸達(dá)到14納米的物理極限，2D結(jié)構(gòu)在擴(kuò)展存儲容量方面有著很大的局限性（當(dāng)工藝尺寸達(dá)到一定階段之后，閃存就很容易因?yàn)殡娮恿魇Ф鴣G失其中保存的數(shù)據(jù)）。
隨著2D NAND的微縮達(dá)到極限，2007年東芝（現(xiàn)在的鎧俠）提出了3D NAND結(jié)構(gòu)的技術(shù)理念，3D NAND是行業(yè)的一個(gè)創(chuàng)新性方向。與減少每個(gè)節(jié)點(diǎn)單元尺寸的平面NAND不同，3D NAND使用更寬松的工藝，大約介于30 納米到 50 納米之間，它通過增加垂直層數(shù)來獲得更大的存儲容量。因此，我們也可以看到，目前主流的存儲芯片制造商均在競相通過增加3D NAND垂直門數(shù)，以此來提高存儲密度。他們已經(jīng)規(guī)劃了下一代3D NAND產(chǎn)品，包括232層/238層，甚至更大到4xx層甚至8xx層。雖說都在蓋樓，但是各家蓋樓所采用的架構(gòu)卻有所不同。
架構(gòu)一：V-NAND，代表廠商：三星
2013年，三星率先推出了V-NAND閃存，其中的V代表Vertical，垂直的意思，這是一種通過垂直堆疊3D空間中的穿孔連接其單元層的解決方案。三星是世界上第一家開發(fā)和商業(yè)化3D內(nèi)存解決方案的公司，也為存儲器行業(yè)創(chuàng)造了全新的范例。
2013年，三星所開發(fā)的第一個(gè) V-NAND閃存僅有24層，目前三星的V-NAND已經(jīng)發(fā)展到第八代，它共有200多層。2022年11月7日，三星宣布已開始量產(chǎn)具有200層以上的第八代1 TB的3D NAND (V-NAND)，并計(jì)劃根據(jù)消費(fèi)者需求將其推向市場。 而且三星的目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)1000層。V-NAND閃存不斷發(fā)展，每一代新的V-NAND都帶來了顯著的性能提升，以及更低的功耗。
在此，值得一提的是，在V-NAND 128層以前，三星的V-NAND采用的是單層蝕刻技術(shù)，它通過圓柱形通道連接電池，能夠一次堆疊超過100層，并通過10億多個(gè)孔互連。除了其創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，V-NAND還采用了電荷陷阱閃存 (CTF) 技術(shù)來消除單元間干擾。通過在電池中引入非導(dǎo)電的氮化硅層，CTF技術(shù)使V-NAND技術(shù)免受電荷泄漏和數(shù)據(jù)損壞的影響。憑借著這一超高縱橫比 (UHAR) 孔蝕刻支持的單層技術(shù)，三星一直主導(dǎo)著128層的3D NAND。
但是單次刻蝕最多也就到128層，因此，在 128 層設(shè)備之外，許多競爭對手采用的都是雙層方法，例如美光將兩個(gè)88層的結(jié)構(gòu)相互堆疊，從而形成一個(gè)176層的器件；英特爾的144L 3D QLC設(shè)計(jì)已經(jīng)轉(zhuǎn)向了3層堆棧：48 + 48 + 48層，這種方法更容易實(shí)施。層數(shù)越少，執(zhí)行HAR蝕刻步驟就越容易。
到了第七代512Gb 176層的TLC芯片，三星開始采用COP（Cell-on-Periphery）結(jié)構(gòu)，后續(xù)1Tb 238L TLC產(chǎn)品將是第二代COP TCAT V8 V-NAND。COP結(jié)構(gòu)的存儲單元陣列區(qū)域位于外圍設(shè)備上方，但COP結(jié)構(gòu)還是有部分外圍設(shè)備仍位于單元外部，這意味著必須減少單元陣列以及單元陣列下方和旁邊的外圍區(qū)域，來減小芯片尺寸。
架構(gòu)二：CuA，代表廠商：美光/英特爾
美光從第一代32層3D NAND就開始采用這種在芯片的外圍邏輯上構(gòu)建其3D NAND陣列的方法，美光將之稱為是CuA（CMOS-under-array）。該架構(gòu)為容量增長、密度、性能和成本改進(jìn)提供了一種擴(kuò)展方法。將NAND的位單元陣列堆疊成更多層，每平方毫米硅片提供更多bit，從而實(shí)現(xiàn)更高的密度和更低的每bit成本。
2022年7月下旬，美光宣布了其232層3D NAND，據(jù)美光稱，此232層的3D NAND實(shí)現(xiàn)每平方毫米最高的TLC密度(14.6 Gb/mm2)。面密度比同類TLC產(chǎn)品高35%到100%。據(jù)美光的信息，該3D NAND設(shè)備分成六個(gè)平面（當(dāng)今市場上的許多NAND設(shè)備只有兩個(gè)平面，也有的前沿設(shè)計(jì)采用四個(gè)平面分區(qū)來通道命令和數(shù)據(jù)流），以實(shí)現(xiàn)更高的并行度，從而提高性能。在每個(gè)芯片的基礎(chǔ)上，增加的并行性通過支持可以同時(shí)向 NAND 設(shè)備發(fā)出更多的讀寫命令，提高了順序和隨機(jī)訪問的讀寫性能。就像高速公路一樣，車道越多，擁堵越少，通過給定區(qū)域的交通流量就越大。目前美光的232 層 NAND已出貨。
此前的2D NAND閃存所使用主流技術(shù)正是FG技術(shù)，不過隨著NAND閃存技術(shù)從2D走向3D，除了英特爾-美光聯(lián)盟外，各大廠商都放棄了FG技術(shù)，轉(zhuǎn)而采用CT技術(shù)，如上文中提到的三星。采用CT技術(shù)的主要原因是CT技術(shù)在制造通孔存儲器時(shí)比FG技術(shù)簡單。而FG 技術(shù)因其卓越的數(shù)據(jù)保留特性、高溫特性和優(yōu)于CT技術(shù)的可控性而受到高度評價(jià)。
英特爾-美光聯(lián)盟開發(fā)的3D NAND閃存技術(shù)共有三代，第一代是結(jié)合了32層內(nèi)存通孔和TLC（3bit/cell）型多級內(nèi)存的硅die，內(nèi)存容量為384Gbit。第二代全面引入了CuA技術(shù),將層數(shù)增加一倍至64 層（2個(gè)32 層堆疊）的硅芯片，并與 TLC 和 QLC（4 bit/cell）多級存儲器技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。第三代達(dá)到96層（2個(gè)48 層堆疊），存儲容量與二代持平，硅面積減少至76%左右。
Intel 第四代的144層轉(zhuǎn)向自研，該NAND string首次在source和bitline之間由三層（upper deck，middle deck，lower deck和48L）組成，并為TLC和QLC設(shè)備保留了FG CuA結(jié)構(gòu)。每個(gè)deck都可以分配給 QLC 或 SLC 塊的任意組合，以充分受益于英特爾在存儲系統(tǒng)中的新的block-by-deck概念。
不過英特爾已經(jīng)退出了3D NAND市場，以90億美元的價(jià)格將該業(yè)務(wù)出售給了SK海力士。
架構(gòu)三：BiCS，代表廠商：鎧俠/WD/SK海力士
鎧俠（Kioxia）和西部數(shù)據(jù)（WD）正在聯(lián)合開發(fā)名為 BiCS Flash的3D NAND。鎧俠的前身是東芝，東芝是世界上第一個(gè)發(fā)明閃存（1987年）并且提出3D NAND技術(shù)的公司。早在Kioxia還是東芝的時(shí)候，就與SanDisk建立了閃存合作伙伴關(guān)系，后來西部數(shù)據(jù)收購了SanDisk，東芝成為了Kioxia，兩家便成立了合資企業(yè)Flash Ventures（FV），成為合作伙伴。FV由WD / Kioxia各擁有50/50的份額，晶圓產(chǎn)能也被分成50/50的份額。
2015年鎧俠&西部數(shù)據(jù)推出了48層BiCS 3D NAND ，2017年為64層，2018年為96層，2020年達(dá)到112層。2021年，鎧俠和西部數(shù)據(jù)宣布了他們的第六代 BiCS 3D NAND 技術(shù)，該技術(shù)有162層，這也是采用CuA概念的第一款產(chǎn)品。西部數(shù)據(jù)透露的路線圖中顯示，下一代“BiCS+”將在2023 年底推出，層數(shù)應(yīng)增加到200多個(gè)。
作為全球最主要的NAND閃存公司之一，SK海力士是最后一家開發(fā)3D NAND閃存技術(shù)的公司。據(jù)Tech insights的分析，從2015年到2019年，SK Hynix陸續(xù)開發(fā)了四種類型的存儲單元陣列：2015年至2016年開發(fā)的首個(gè)存儲單元陣列采用類似于Kioxia開發(fā)的稱為“ SP-BiCS”的單元陣列“ P-BiCS”的結(jié)構(gòu)，似乎是32層；2017年其又開發(fā)了存儲單元陣列的改進(jìn)版本—“ DP-BiCS Gen1”，估計(jì)為48層；2018年，SK海力士開發(fā)了一種名為“ DP-BiCS Gen2”的存儲單元陣列，該陣列具有將存儲堆棧分為兩個(gè)“層”（也稱為“甲板”）的結(jié)構(gòu)，估計(jì)為72層。
架構(gòu)四：4D PUC，代表廠商：SK海力士
2018年11月，從第四代96層3D NAND開始，SK海力士推出了新的命名法——4D PUC（Periphery Under Cell），PUC是一種將外圍電路重新定位到電池底部的技術(shù)。盡管有這個(gè)名字，該公司并沒有在四維空間中創(chuàng)建產(chǎn)品，“4”這個(gè)數(shù)字所代表的其實(shí)是一種先進(jìn)性（而不是指進(jìn)入第四維度）。它是3D架構(gòu)變體的商品名，首批所謂的4D NAND設(shè)備提升了CTF（電荷擷取閃存）NAND陣列下的外圍電路，從而在芯片上節(jié)省更多空間，并進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。按照SK海力士的說法，與3D相比，4D 產(chǎn)品單位單元面積更小，生產(chǎn)效率更高。
98層之后，SK海力士陸續(xù)開發(fā)出128層、176層3D NAND。2022年8月，SK海力士宣布已開發(fā)出世界最高238層4D NAND閃存，也是尺寸最小的NAND，預(yù)計(jì)2023年上半年開始量產(chǎn)。SK 海力士目前的4D NAND技術(shù)現(xiàn)已被公認(rèn)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
PUC架構(gòu)使得4D NAND允許在固定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度，減小了芯片尺寸，但缺點(diǎn)是堆疊技術(shù)可能在未來達(dá)到極限。SK海力士計(jì)劃以多站點(diǎn)電池（MSC）為核心來克服這一障礙，通過微制造將現(xiàn)有電池分成兩個(gè)較小的電池來存儲數(shù)據(jù)，減少電池堆疊的數(shù)量，同時(shí)水平擴(kuò)展電池密度，這也是SK海力士 4D 2.0的技術(shù)概念的核心要素之一。
架構(gòu)五：Xtacking，代表廠商：長江存儲
3D閃存中除了存儲陣列之外這些外圍電路會占據(jù)相當(dāng)大的芯片面積，可以看出，上述這些存儲廠商所采用的架構(gòu)大多是是將外圍電路放到存儲單元下方。而長江存儲所采取的是與其他公司完全不同的方法——Xtacking。
Xtacking技術(shù)是把存儲陣列和外圍電路分開來做，分別在兩個(gè)獨(dú)立晶圓上加工，雖然NAND閃存不適合用更先進(jìn)的制程來加工，但是外圍的電路卻可以。兩部分選用合適的工藝節(jié)點(diǎn)完成后，完成的內(nèi)存陣列晶圓通過數(shù)十億個(gè)垂直互連通道(VIAs)連接到外圍晶圓。
迄今為止，主流的3D NAND架構(gòu)大抵有以上這五種：V-NAND、BiCS、CuA（COP）、4D PUC和Xtacking。然而就像蓋高樓大廈一樣，簡單的堆層數(shù)不是最終目的，高樓不僅要高，還要保證可以通過安全高效的電梯輕松抵達(dá)，即每個(gè)存儲芯片內(nèi)部的V-NAND能否以更快、更高效、更省電的方式繼續(xù)上升？這就非?？简?yàn)各家的本領(lǐng)。隨著NAND技術(shù)的進(jìn)步，局限性也將浮出水面。
