據國外媒體Xtech Nikkei報道，日本存儲芯片巨頭鎧俠（Kioxia）首席技術官（CTO）Hidefumi Miyajima近日在東京城市大學的應用物理學會春季會議上宣布，該公司計劃到2031年批量生產超過1000層的3D NAND Flash芯片。

眾所周知，在所有的電子產品中，NAND閃存應用幾乎無處不在。而隨著云計算、大數據以及AI人工智能的發展，以SSD為代表的大容量存儲產品需求高漲，堆疊式閃存因此而受到市場的青睞。

自三星2013年設計出垂直堆疊單元技術后，NAND廠商之間的競爭便主要集中在芯片層數上。隨著3D堆疊時代的到來，在三星、鎧俠、SK海力士等存儲廠商的不斷推動下，NAND Flash閃存堆疊層數不斷被刷新。

目前，各大廠商的NAND閃存堆疊層數均已突破200層，并持續向更高層數的NAND Flash邁進，其中三星和鎧俠更是將目標瞄準1000層。根據此前的消息，三星計劃在2024年推出第九代3D NAND（有望達到280層），2025-2026年推出第十代3D NAND(有望達到430層），2030年前實現1000層NAND Flash。


層數“爭霸賽”

眾所周知，固態硬盤的數據傳輸速度雖然很快，但售價和容量還都是個問題。這種寬度為2.5英寸的硬盤用來容納存儲芯片的空間較為有限，容量越高的芯片可以增加硬盤的總體存儲空間，但更高的成本也拉高了硬盤的售價。

對于這個問題，英特爾可能已經在3D NAND當中找到了解決辦法。3D NAND閃存是英特爾和美光的合資企業所研發的一種技術，是一種新興的閃存類型，通過把內存顆粒堆疊在一起來解決2D或者平面NAND閃存帶來的限制。

平面結構的NAND閃存已接近其實際擴展極限，給半導體存儲器行業帶來嚴峻挑戰。新的3D NAND技術，垂直堆疊了多層數據存儲單元，具備卓越的精度。基于該技術，可打造出存儲容量比同類NAND技術高達三倍的存儲設備。該技術可支持在更小的空間內容納更高存儲容量，進而帶來很大的成本節約、能耗降低，以及大幅的性能提升以全面滿足眾多消費類移動設備和要求最嚴苛的企業部署的需求。

2007年，隨著2DNAND達到其規模極限，東芝率先提出了3D NAND結構概念。2013年三星則率先推出了其所謂的“V-NAND”，也就是3D NAND。

3D設計引入了多晶硅和二氧化硅的交替層，并將浮柵交換為電荷陷阱閃存(CTF)，區別在于FG將存儲器存儲在導電層中，而CTF將電荷“捕獲”在電介質層中。這種3D設計方式不僅帶來了技術性能的提升，而且還進一步控制了成本。

此后，三星不斷更新技術和擴增產業線，10年間推出了數代產品，以維護自己在NAND閃存市場的地位。其中，2020年，三星推出了176層的第七代“V-NAND”，其采用了“雙堆棧”技術，不是一次性蝕刻所有層，而是將它們分成兩部分，然后一層一層堆疊。

2022年，美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 與高管團隊宣布美光下一代 232 層 NAND 閃存將于 2022 年底前實現量產。這表明美光團隊在完善和擴大 176 層 NAND 技術應用的同時，同步在努力開發下一代更先進的 NAND 技術。

美光的232 層 NAND是業界的首款232 層 3D NAND ，這項前沿技術已經應用在英睿達（Crucial）旗下幾款固態硬盤上，其他搭載這項技術的產品將會陸續上市為消費者帶來更大容量、更高密度、更少能耗與更低單位存儲成本的存儲解決方案。

去年5月美光曝光的技術路線圖顯示，232層之后美光還將發力2YY、3XX與4XX等更高層數。

大數據、云計算等技術發展，持續提升NAND Flash需求，同時也不斷推動著NAND技術的升級和迭代，NAND Flash原廠層數競爭或將更加激烈。


制造：優勢與挑戰

在早幾年的 IEEE IEDM 論壇上，三星的 Kinam Kim 發表了主題演講，他預測到 2030 年將出現 1,000 層閃存。這可能聽起來令人頭暈，但這并不完全是科幻小說。Imec 存儲內存項目總監 Maarten Rosmeulen 表示：“相對 NAND 閃存的歷史趨勢線而言，這一速度已經放緩。” “如果你看看其他公司，比如美光或西部數據，他們在公開聲明中提出的內容，你會發現他們的速度甚至比這還要慢。不同制造商之間也存在一些差異——看起來他們正在延長路線圖，讓它放慢速度。我們相信這是因為維持這個空間的運轉需要非常高的投資。”

盡管如此，競爭風險仍然足夠高，這些投資是不可避免的。“前進的主要方式，主要的乘數，是在堆棧中添加更多層，”Rosmeulen 說。“幾乎沒有空間進行 XY 收縮并縮小內存空洞。這很難做到。也許他們會在這里或那里擠壓百分之幾，將孔放得更近，孔之間的縫隙更少等等。但這并不是最大的收益所在。如果你能繼續堆疊更多的層，密度只能以目前的速度顯著提高。”

除了整個過程的核心不可避免的問題之外，進一步堆疊似乎是合理的。

“主要挑戰在于蝕刻，因為你必須蝕刻具有非常高深寬比的非常深的孔，”Rosmeulen 說。“如果你看看上一代的 128 層，這大約是一個 6、7 或 8 微米深的孔，直徑僅為 120 納米左右，具有極高的縱橫比，或者可能更高一點，但并非如此很多。蝕刻技術取得了進步，可以一次性蝕刻更深的孔，但速度不會更快。您無法提高蝕刻速度。因此，如果工藝流程以沉積和蝕刻為主，并且這些工藝步驟沒有提高成本效率，那么添加更多層就不再能夠有效地降低成本。”

蝕刻也只是多個步驟之一。“除了蝕刻之外，您還需要用非常薄的介電層上下均勻地填充這個孔，”Synopsys 的 Lin 說。“通常，由于晶圓的化學性質，沉積幾納米的層并不容易。在這里，他們必須一路向下才能填滿。有亞原子層沉積方法，但仍然具有挑戰性。另一個巨大的挑戰是壓力。如果您構建了如此多的層并經歷一些蝕刻/沉積/清潔/熱循環，則可能會導致局部和全局應力。在局部，因為鉆孔后，您需要在整個堆棧上切出一條非常深的溝槽。它變成了一座非常高的摩天大樓，而且搖搖欲墜。如果你開始進行一些清洗或其他過程，很多事情都可能發生，導致兩座摩天大樓相互倒塌。那么你就失去了收益。通過將如此多的材料相互疊加并切割不同的圖案，這可能會產生全局應力并導致晶圓翹曲，這將使其無法在晶圓廠中進行處理，因為晶圓必須是平坦的。

請記住，蝕刻是穿過不同材料層的。

Objective Analysis 的 Handy 表示，三星的解決方案是創建極薄的層。“這對整個行業很有用，因為每個人都使用幾乎相同的工具來創建這些東西。”

NAND Flash價格回漲

受消費電子市場需求不振、市場經濟逆風等因素影響，存儲器產業經過了較為漫長的低迷時期。其中NAND Flash產品合約價自2022年第三季開始連續四個季度下跌，直到2023年第三季開始起漲。隨后，自2023年第四季度開始，存儲器市場開始逐漸反彈，NAND Flash價格也開始回漲。

市場研究機構TrendForce集邦咨詢表示，除了鎧俠（Kioxia）和西部數據（WDC）自今年第一季起提升產能利用率外，其它供應商大致維持低投產策略。盡管第二季NAND Flash采購量較第一季小幅下滑，但整體市場氛圍持續受供應商庫存降低，以及減產效應影響，預估第二季NAND Flash合約價將強勢上漲約13~18%。

從各品類來看，集邦咨詢預估，2024年第二季度，Enterprise SSD合約價漲幅為全線產品最高，季增20~25%；eMMC、UFS、Client SSD合約價將分別季增10~15%，NAND Flash Wafer漲幅則較第一季大幅收斂，預估季增5~10%。