浅谈3D NAND Flash技术未来的走向及发展趋势

2020年5月17日-20日举行了在线imw(international memory workshop),笔者自2018年起已经连续三年参加imw会议,而在线会议还是首次参加。今年的会议中,有关3d nand的论文数量最多,因此,笔者就各家nand型闪存(以下简称为:“nand”)厂家的现状、未来的技术蓝图(roadmap)展开论述。
nand的历史
5月17日的会议(tutorial)“part i - 3d nand”中,首位出场的是铠侠(原东芝存储半导体)的noboru shibata先生,他在主题为《history and future of multi-level-cell technology in 2d and 3d flash memory》的演讲中,说明了nand的历史,如下图1。
图1:nand存储密度增加的趋势。(图片出自:noboru shibata, kioxia corp., “history and future of multi-level-cell technology in 2d and 3d flash memory”, imw2020, tutorials part 1.)
noboru shibata先生以nand的字位(bit)为焦点,如上图1展示了2字位(mlc)、3字位(tlc)、4字位(qlc)分别对应了何种细微性、何种存储容量的芯片。
在2009年(32纳米)以后,存储半导体密度的增长趋势呈现了一时的放缓现象,自2016年开始转向3d趋势,且趋势越来越明显。因此,人们普遍期待未来3d化的nand将会继续扩大存储的密度。
shibata先生的演讲之后,wd的yan li先生做了题目为《3d nand architecture and its application》的演讲,其中提到31年来nand的细微化全过程。如下图2所示。
图2:nand存储密度增加的趋势。(图片出自:yan li, western digital corporation, “3d nand architecture and its application”, imw2020, tutorials part 1.)
1987年在iedm上公布的nand的细微化为1um。此次的发言者应该是nand的发明人—舛冈富士雄先生(笔者推测),在次年的1988年,以1um生产出了4m bit的nand,1992年以0.7um发布了16m bit。自此,东芝的nand业务开始正式启动。
后来,随着细微化、高度集成化的发展,2014年以1znm(应该是15纳米)发布了128gbit的nand。但是,后来由于发生了近邻存储单元(memory cell)之间的串扰(cross talk)问题,放弃了2d的细微化,自2015年开始转入(paradigm shift)3d时代。而且,除了细微化,还开始了在纵向堆积更多层数的“多层化”发展。
这种多层化以48层、64层、96层(约1.5倍)的形式发展,可以推测,下一步应该是1.2倍的112层。
各3d nana厂家的现状
会议(tutorial)“part i - 3d nand”的第三位演讲者是applied materials(amat)的tomohiko kitajima先生,演讲题目为《materials and process technology driven 3d nand scaling beyond 200 pairs》。在这篇演讲中tomohiko kitajima先生简明地分析、比较了各家nand厂商的现状,且说明了未来的技术蓝图。这篇演讲,为理解3d nand,很有帮助,且演讲者在过程中反复展示了视频说明。下面笔者简单介绍其中一部分。
下图3是各家厂商生产的3d nand的所有断面sem图,此外,图4是各家厂商的最新的3dnand的sem照片与构造。看到这两幅图,笔者感觉很震惊、很有价值。
图3:各家存储半导体厂家的3d nand的断面sem照片。(图片出自:tomohiko kitajima, applied materials, “materials and process technology driven 3d nand scaling beyond 200 pairs ”, imw2020, tutorials part 1.)
图4:各家存储半导体厂家的最新的3d nand的比较。(图片出自:tomohiko kitajima, applied materials, “materials and process technology driven 3d nand scaling beyond 200 pairs ”, imw2020, tutorials part 1.)
行业先驱--三星(samsung electronics)直面的问题
下面我们再看下一图3,仅从这一张图我们就可以看到各家集团公司的技术、战略、面临的问题等信息。
三星(samsung electronics)正在推进24层、32层、48层、64层、92层以及3d的的多层化发展,由于中国西安工厂大量生产并最先开始出货的是48层,因此可以判断24层、32层是样品交货。三星是最先开始出货48层产品的,且已经发售64层产品,因此可以断言三星控制了48层和64层的市场。
业界普遍认为三星竞争力的来源在于纵横比(aspect ratio、ar)较大的内存孔(memory hole)的干蚀刻技术(dry etching)。三星通过与lam research共同研发,开发了ar较大的harc(high aspect ratio contact)蚀刻设备与技术,远远领先于其他公司。
此外,在64层的下一代产品上,三星“摔了一个大跟头”,尽管其他公司已经开始生产96层,只有三星在生产这种处于中间位置的92层的产品。此外,从断面图的高度来看,三星的92层纵向高度明显比其他公司的96层低了很多。
主要原因如下:铠侠与wd等其他公司的96层是利用两个48层堆叠而成的,然而仅有三星采用了一次性加工的方式、进行内存孔(memory hole)的harc蚀刻。
也就是说,ar越大,harc蚀刻的难度也越大。具体而言,蚀刻速度会呈现指数级的降低,且会发生各种异常情况,如很难控制内存孔(memory hole)的方差。
为此,三星将纵向的层数做成92层(比其他公司少了4层),进一步将存储单元(memory cell)朝纵向收缩,尽量把harc的ar做得更小。据推测,三星的92层的产品良率十分低。
尽管如此,三星在2019年11月19日公布说,新一代的128层也会采用一次性加工的方式进行生产。笔者认为,与其拘泥于一次性加工的生产方式,不如再研发其他新的生产方式,因此三星的未来堪忧。
铠侠和wd生产的96层产品
与由于对harc蚀刻技术怀有较大的信心而“摔了跟头”的三星不同,铠侠和wd通过96层产品统领了全球市场。根据笔者从供应链等处得到的信息来看,在2019年时间点的第四季度,日本四日市工厂的96层的稼动产能是三星的3倍-4倍。
那么,为什么铠侠和wd可以在96层上获得成功呢?
在64层之前,铠侠和wd在harc蚀刻技术方面,都远远落后于三星。因此,他们尽早地将堆叠两个48层应用到了96层上。
从图3 来看,就96层而言,三星以外的其他厂家都分为lower和upper。在这种双层堆叠方式形成96层的情况下,很难将12英寸晶圆完美地与将近约2兆个内存孔(memory hole)贴合。据推测,即使在四日市工厂,也曾因为这个问题而导致产品的良率低下。
此外,自2019年夏季开始,行业的趋势就变化了。笔者从就职于铠侠的朋友得知,“如果要我们堆叠500层,我们也可以做到”!就内存孔(memory hole)贴合的技术而言,笔者推测他们应该是取得了某种技术突破(breakthrough)。此外,据笔者调查的各家nand厂家的稼动产能而言,如上文所述,四日市工厂的96层,具有压倒性的规模。
下面我们再看一下图3,intel&micron在64层以后,采用了双层堆叠的方式。此外,海力士是自72层以后(不是64层),采用双层堆叠的方式。
此外,比较一下各家的双层堆叠方式,我们可以看出,铠侠和wd的lower、upper的分界线十分明显。因此笔者推测,铠侠和wd为解决内存孔的贴合问题,在lower、upper之间植入了某种特殊的构造。笔者认为,正是这种特殊的构造技术使铠侠和wd的双层堆叠的良率大幅度提高、产能远超三星,且顺利地生产96层。
三星由于对harc蚀刻技术过度自信,导致“栽了跟头”,但是,铠侠和wd及时地放弃了一次性加工的生产方式,所以成功了生产了96层的双层堆叠方式。这让人想起了2020年1月23日逝去的哈佛商业学院的clayton m. christensen教授提出的“创新的困境(innovation dilemma)”。
各厂家的最新3d nand
下面我们看看下图5,即比较了各家厂商的最新3d nand的图。此处最引人注目的是中国的紫光集团旗下的长江存储(ymtc,原xmc)的3d nand。
图5:比较各家厂商的最新3d nand。(图片出自:tomohiko kitajima, applied materials, “materials and process technology driven 3d nand scaling beyond 200 pairs ”, imw2020, tutorials part 1.)
2016年3月,ymtc突然宣布要进军3dnand。ymtc 以较高的薪资待遇汇集了大批的日本、台湾、韩国等地的半导体技术人员,首先致力于32层的研发。仅仅用了一年的时间就成功研发了32层的产品,且跳过48层直接开始研发64层。同时,2019年9月17日,ymtc成功量产了64层。
就ymtc的64层产品而言,控制数据读取、写入的cmos线路由一种不同于存储单元(memory cell)的晶圆制造而成,分别通过bonding工艺进行贴合。
为了扩大单个芯片的存储密度,一般采用的是将cmos线路放在存储单元下部的cua结构(cmos under array),实际上,intel&micron和海力士正是采用的这种模式。但是,ymtc却自主研发了此项技术!
在2019年第四季度时间点,ymtc的64层稼动产能不足2万个,但是,在2020年4月12日,ymtc发布说,成功研发了128层的、1.33terabit、qlc的3d nand。未来,3d nand的“风向标”可能要发生变化了。
3d nand的技术蓝图(roadmap)
一场出人意料的新冠肺炎促使了远程办公、在线授课、在线诊疗等网上业务的发展。imw2020也是在线召开的。结果,导致了数据中心(data center)的需求暴增,用于服务器的nand的需求也呈现了爆发式增长。
因此,人们对于3d nand的高密度化的期待越来越高。其研发的r&d的蓝图如下图6所示。如今,各家厂家都在努力推进128层(铠侠和wd是112层)的量产工作。未来,层数应该还是更高,从蓝图上看,2021年-2022年研发200层,2022年-2023年研发250层以及以上。从技术蓝图来看,charge trap方式是具有代表意义的3d nand结构(如图7)。
图6:3d nand的r&d 技术蓝图。(图片出自:tomohiko kitajima, applied materials, “materials and process technology driven 3d nand scaling beyond 200 pairs ”, imw2020, tutorials part 1.)
图7:charge trap方式--具有代表意义的3d nand。(图片出自:tomohiko kitajima, applied materials, “materials and process technology driven 3d nand scaling beyond 200 pairs ”, imw2020, tutorials part 1.)
为了实现以上这些多层化,如图6下部所示的研发是必不可缺的。首先, 就左侧的“architecture change”而言,会把cmos线路配置在存储单元格(memory cell)的下面(cua),或者像ymtc的做法一样采取bonding的方式,增大单个芯片的面积上的存储密度。这种技术已经被多个nand厂家采用。
所谓的“vertical scaling”技术,指的是在纵向可以堆叠多少层的存储单元。此图中清晰地写着未来的发展趋势。首先,有一个单纯地增加存储单元格(cell)数量的“more pairs”。其次,有一个“wl(ward line)pitch reduction”(三星已经采用此项技术)。这是一种纵向收缩存储单元格尺寸的技术方法。运用此技术,如果是同样的pair数量,由于可以降低stack height,内存孔(memory hole)的harc加工将会变得很容易。
此外,如果同时进行“wl pitch reduction”和“more pairs”,迟早会出现“multi tiers”(多层堆叠)。三星以外的厂家已经运用到量产产品中。笔者认为,未来三星肯定也会转移到“multi tiers”(多层堆叠)。此外,笔者还认为,所有的nand厂家未来都为朝着堆叠双层、三层、四层甚至更多的方向发展。
另外,作为扩大存储密度的方法,还有一种是“lateral scaling”。这是一种通过横向收缩的方式,来扩大单个芯片存储密度的技术手段。“lateral scaling”有两种方式,其一为“more holes b/w slits”,即将slit和slit之间的内存孔的数量由现在的九个增加至十四个。其二为“hole bl(bit line) pitch reduction”,即缩小存储孔的直径,使存储孔的密度更高。
但是,这两种研发都需要harc蚀刻,此外,“more pairs”的实行还存在很多复杂的问题,各家nand厂家都需要在元件构造、材料、工艺流程等方面下工夫,在与生产设备厂家以及材料厂家共同研发的同时,推进存储半导体的高密度化。
另外,就像三星掌控了48层和64层、铠侠和wd掌控了96层一样,真正在高密度方面获得突破性发展的nand厂家才能掌握新时代的霸权。究竟会花落谁家呢?也许我们能在下次在德国德累斯顿(dresden)召开的imw2021上看到端倪。笔者明年(2021年)还会继续参加imw。

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