3D NAND Flash技術(shù)的發(fā)展
[導(dǎo)讀]1.?NAND的歷史2020年5月17日的會(huì)議（Tutorial）“PARTI-3DNAND”中，首位出場(chǎng)的是鎧俠（原東芝存儲(chǔ)半導(dǎo)體）的NoboruShibata先生，他在主題為《HistoryandFutureofMulti-Level-CellTechnologyin2Dan...
2020年5月17日的會(huì)議（Tutorial）“PART I - 3D NAND”中，首位出場(chǎng)的是鎧俠（原東芝存儲(chǔ)半導(dǎo)體）的Noboru Shibata先生，他在主題為《History and Future of Multi-Level-Cell Technology in 2D and 3D Flash Memory》的演講中，說(shuō)明了NAND的歷史，如下圖1。
圖1：NAND存儲(chǔ)密度增加的趨勢(shì)Noboru Shibata先生以NAND的字位（Bit）為焦點(diǎn)，如上圖1展示了2字位（MLC）、3字位（TLC）、4字位（QLC）分別對(duì)應(yīng)了何種細(xì)微性、何種存儲(chǔ)容量的芯片。
在2009年（32納米）以后，存儲(chǔ)半導(dǎo)體密度的增長(zhǎng)趨勢(shì)呈現(xiàn)了一時(shí)的放緩現(xiàn)象，自2016年開始轉(zhuǎn)向3D趨勢(shì)，且趨勢(shì)越來(lái)越明顯。因此，人們普遍期待未來(lái)3D化的NAND將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大存儲(chǔ)的密度。
Shibata先生的演講之后，WD的Yan Li先生做了題目為《3D NAND Architecture and its Application》的演講，其中提到31年來(lái)NAND的細(xì)微化全過(guò)程。如下圖2所示。
圖2：NAND存儲(chǔ)密度增加的趨勢(shì)1987年在IEDM上公布的NAND的細(xì)微化為1um。此次的發(fā)言者應(yīng)該是NAND的發(fā)明人—舛岡富士雄先生（筆者推測(cè)），在次年的1988年，以1um生產(chǎn)出了4M bit的NAND，1992年以0.7um發(fā)布了16M bit。自此，東芝的NAND業(yè)務(wù)開始正式啟動(dòng)。
后來(lái)，隨著細(xì)微化、高度集成化的發(fā)展，2014年以1Znm（應(yīng)該是15納米）發(fā)布了128Gbit的NAND。但是，后來(lái)由于發(fā)生了近鄰存儲(chǔ)單元（Memory Cell）之間的串?dāng)_（Cross Talk）問(wèn)題，放棄了2D的細(xì)微化，自2015年開始轉(zhuǎn)入（Paradigm Shift）3D時(shí)代。而且，除了細(xì)微化，還開始了在縱向堆積更多層數(shù)的“多層化”發(fā)展。
這種多層化以48層、64層、96層（約1.5倍）的形式發(fā)展，可以推測(cè)，下一步應(yīng)該是1.2倍的112層。
2.? 各3D NANA廠家的現(xiàn)狀
會(huì)議（Tutorial）“PART I - 3D NAND”的第三位演講者是Applied Materials（AMAT）的Tomohiko Kitajima先生，演講題目為《Materials and process technology driven 3D NAND Scaling beyond 200 pairs》。在這篇演講中Tomohiko Kitajima先生簡(jiǎn)明地分析、比較了各家NAND廠商的現(xiàn)狀，且說(shuō)明了未來(lái)的技術(shù)藍(lán)圖。這篇演講，為理解3D NAND，很有幫助，且演講者在過(guò)程中反復(fù)展示了視頻說(shuō)明。下面筆者簡(jiǎn)單介紹其中一部分。
下圖3是各家廠商生產(chǎn)的3D NAND的所有斷面SEM圖，此外，圖4是各家廠商的最新的3DNAND的SEM照片與構(gòu)造?？吹竭@兩幅圖，筆者感覺很震驚、很有價(jià)值。
圖3：各半導(dǎo)體廠家的3D NAND的斷面SEM照片圖4：各半導(dǎo)體廠家的最新的3D NAND的比較3.? 行業(yè)先驅(qū)--三星（Samsung Electronics）直面的問(wèn)題
下面我們?cè)倏聪乱粓D3，僅從這一張圖我們就可以看到各家集團(tuán)公司的技術(shù)、戰(zhàn)略、面臨的問(wèn)題等信息。
三星（Samsung Electronics）正在推進(jìn)24層、32層、48層、64層、92層以及3D的的多層化發(fā)展，由于中國(guó)西安工廠大量生產(chǎn)并最先開始出貨的是48層，因此可以判斷24層、32層是樣品交貨。三星是最先開始出貨48層產(chǎn)品的，且已經(jīng)發(fā)售64層產(chǎn)品，因此可以斷言三星控制了48層和64層的市場(chǎng)。
業(yè)界普遍認(rèn)為三星競(jìng)爭(zhēng)力的來(lái)源在于縱橫比（Aspect Ratio、AR）較大的內(nèi)存孔（Memory Hole）的干蝕刻技術(shù)（Dry Etching）。三星通過(guò)與Lam Research共同研發(fā)，開發(fā)了AR較大的HARC（High Aspect Ratio Contact）蝕刻設(shè)備與技術(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他公司。
此外，在64層的下一代產(chǎn)品上，三星“摔了一個(gè)大跟頭”，盡管其他公司已經(jīng)開始生產(chǎn)96層，只有三星在生產(chǎn)這種處于中間位置的92層的產(chǎn)品。此外，從斷面圖的高度來(lái)看，三星的92層縱向高度明顯比其他公司的96層低了很多。
主要原因如下：鎧俠與WD等其他公司的96層是利用兩個(gè)48層堆疊而成的，然而僅有三星采用了一次性加工的方式、進(jìn)行內(nèi)存孔（Memory Hole）的HARC蝕刻。
也就是說(shuō)，AR越大，HARC蝕刻的難度也越大。具體而言，蝕刻速度會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的降低，且會(huì)發(fā)生各種異常情況，如很難控制內(nèi)存孔（Memory Hole）的方差。
為此，三星將縱向的層數(shù)做成92層（比其他公司少了4層），進(jìn)一步將存儲(chǔ)單元（Memory Cell）朝縱向收縮，盡量把HARC的AR做得更小。據(jù)推測(cè)，三星的92層的產(chǎn)品良率十分低。
盡管如此，三星在2019年11月19日公布說(shuō)，新一代的128層也會(huì)采用一次性加工的方式進(jìn)行生產(chǎn)。筆者認(rèn)為，與其拘泥于一次性加工的生產(chǎn)方式，不如再研發(fā)其他新的生產(chǎn)方式，因此三星的未來(lái)堪憂。
4.? 鎧俠和WD生產(chǎn)的96層產(chǎn)品
與由于對(duì)HARC蝕刻技術(shù)懷有較大的信心而“摔了跟頭”的三星不同，鎧俠和WD通過(guò)96層產(chǎn)品統(tǒng)領(lǐng)了全球市場(chǎng)。根據(jù)筆者從供應(yīng)鏈等處得到的信息來(lái)看，在2019年時(shí)間點(diǎn)的第四季度，日本四日市工廠的96層的稼動(dòng)產(chǎn)能是三星的3倍-4倍。
那么，為什么鎧俠和WD可以在96層上獲得成功呢？
在64層之前，鎧俠和WD在HARC蝕刻技術(shù)方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于三星。因此，他們盡早地將堆疊兩個(gè)48層應(yīng)用到了96層上。
從圖3 來(lái)看，就96層而言，三星以外的其他廠家都分為L(zhǎng)ower和Upper。在這種雙層堆疊方式形成96層的情況下，很難將12英寸晶圓完美地與將近約2兆個(gè)內(nèi)存孔（Memory Hole）貼合。據(jù)推測(cè)，即使在四日市工廠，也曾因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題而導(dǎo)致產(chǎn)品的良率低下。
此外，自2019年夏季開始，行業(yè)的趨勢(shì)就變化了。筆者從就職于鎧俠的朋友得知，“如果要我們堆疊500層，我們也可以做到”！就內(nèi)存孔（Memory Hole）貼合的技術(shù)而言，筆者推測(cè)他們應(yīng)該是取得了某種技術(shù)突破（Breakthrough）。此外，據(jù)筆者調(diào)查的各家NAND廠家的稼動(dòng)產(chǎn)能而言，如上文所述，四日市工廠的96層，具有壓倒性的規(guī)模。
下面我們?cè)倏匆幌聢D3，Intel＆Micron在64層以后，采用了雙層堆疊的方式。此外，海力士是自72層以后（不是64層），采用雙層堆疊的方式。
此外，比較一下各家的雙層堆疊方式，我們可以看出，鎧俠和WD的Lower、Upper的分界線十分明顯。因此筆者推測(cè)，鎧俠和WD為解決內(nèi)存孔的貼合問(wèn)題，在Lower、Upper之間植入了某種特殊的構(gòu)造。筆者認(rèn)為，正是這種特殊的構(gòu)造技術(shù)使鎧俠和WD的雙層堆疊的良率大幅度提高、產(chǎn)能遠(yuǎn)超三星，且順利地生產(chǎn)96層。
三星由于對(duì)HARC蝕刻技術(shù)過(guò)度自信，導(dǎo)致“栽了跟頭”，但是，鎧俠和WD及時(shí)地放棄了一次性加工的生產(chǎn)方式，所以成功了生產(chǎn)了96層的雙層堆疊方式。這讓人想起了2020年1月23日逝去的哈佛商業(yè)學(xué)院的Clayton M. Christensen教授提出的“創(chuàng)新的困境（Innovation Dilemma）”。
5.? 各廠家的最新3D NAND
下面我們看看下圖5，即比較了各家廠商的最新3D NAND。此處最引人注目的是中國(guó)的紫光集團(tuán)旗下的長(zhǎng)江存儲(chǔ)（YMTC，原XMC）的3D NAND。
圖5：比較各家廠商的最新3D NAND2016年3月，YMTC突然宣布要進(jìn)軍3D NAND。YMTC 以較高的薪資待遇匯集了大批的日本、臺(tái)灣、韓國(guó)等地的半導(dǎo)體技術(shù)人員，首先致力于32層的研發(fā)。僅僅用了一年的時(shí)間就成功研發(fā)了32層的產(chǎn)品，且跳過(guò)48層直接開始研發(fā)64層。同時(shí)，2019年9月17日，YMTC成功量產(chǎn)了64層。
就YMTC的64層產(chǎn)品而言，控制數(shù)據(jù)讀取、寫入的CMOS線路由一種不同于存儲(chǔ)單元（Memory Cell）的晶圓制造而成，分別通過(guò)Bonding工藝進(jìn)行貼合。
為了擴(kuò)大單個(gè)芯片的存儲(chǔ)密度，一般采用的是將CMOS線路放在存儲(chǔ)單元下部的CUA結(jié)構(gòu)（CMOS Under Array），實(shí)際上，Intel＆Micron和海力士正是采用的這種模式。但是，YMTC的Xtacking則采用不同的鍵合工藝！
在2019年第四季度時(shí)間點(diǎn)，YMTC的64層稼動(dòng)產(chǎn)能不足2萬(wàn)個(gè)，但是，在2020年4月12日，YMTC發(fā)布說(shuō)，成功研發(fā)了128層的、1.33Terabit、QLC的3D NAND。未來(lái)，3D NAND的“風(fēng)向標(biāo)”可能要發(fā)生變化了。
6.? 3D NAND的技術(shù)藍(lán)圖（Roadmap）
一場(chǎng)出人意料的新冠肺炎促使了遠(yuǎn)程辦公、在線授課、在線診療等網(wǎng)上業(yè)務(wù)的發(fā)展。IMW2020也是在線召開的。結(jié)果，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)中心（Data Center）的需求暴增，用于服務(wù)器的NAND的需求也呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。
因此，人們對(duì)于3D NAND的高密度化的期待越來(lái)越高。其研發(fā)的R
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