3D垂直NAND闪存 轻松提升SSD容量

      韩国三星公司刚刚宣布旗下的最新一代采用3D垂直闪存（V-NAND）的固态硬盘驱动器已经开始进行量产。最新的3D垂直闪存与传统的NAND存储芯片相比，具有包括读写速度快1倍、使用寿命多10倍及能耗减少50%等众多优势。虽然目前3D芯片所能提供的存储密度仍与传统的2D芯片结构相同，但是当在2D结构发展停滞时，完全可以依靠3D结构就能提供更多数量级的额外存储密度。

　　闪存技术可以说是21世纪以来最伟大的奇迹故事之一。虽然早在1980年就已经问世，但是在十多年之后才被正式投放到市场中，当时的闪存存储密度只有20MB。现在经过了20多年的发展，闪存技术已经多次提升甚至超越了摩尔定律的限制，容量已经达到了最初时的3万多倍。

　　最新的NAND闪存采用了10纳米的的光刻工艺，并且开始遇到一些物理上的麻烦。一个NAND闪存，就是一个浮栅晶体管（floating-gate transistor），而一个绝缘栅层能够存储电荷很长的时间。而存储器的读取，则是通过门控脉冲测量设备通道的导通性来实现的。如果没有存储电荷，存储单元就会给出一个响应；而如果存储了电荷，它就不会给出响应，从而允许非破坏性地数据读取。但在制造较小尺寸的NAND闪存方面，至少面临着两种困难。首先，每个门只持有少数的电子，因此会导致其状态很难被区分。其次，控制电极是如此之小（紧密），以至于分布其上的存储单元会受到影响，最终导致不可靠的数据读写。
 

　　而3D V-NAND闪存的“几何学”就是，通过在垂直方向寻求空间，来弥补这个问题。第一个变化就是捕获电荷陷阱的闪存几何学，由AMD公司在2002年首创。在一个闪存单元的电荷陷阱内，存储的电荷并不在浮栅上，而是处于一个嵌入式的氮化硅薄膜上。这种薄膜具有更强的抗点缺陷能力。它也可以被做得很厚，存储更多的电子，从而对少量的电子损失不那么敏感。

　　第二个变化，就是把一个平面的电荷陷阱单元，做成圆柱形（如上图所示）。增长的一大排V-NAND单元（本例中为1 vertical stack / 8cell）开始形成一个交变堆栈，导电（掺杂）了多晶硅曾（红色区域）和中空的二氧化硅层（蓝色区域）。
 

　　下一步则是腐蚀或形成一个通过这些曾的圆柱形孔。在实践中，一个128Gbit的24层V-NAND芯片，其存储单元的形成需要29亿个这样的孔。然后沉积出一个二氧化硅的保形层，罩住这些孔的内表面；随之是一个类似的氮化硅层，以及第二个二氧化硅层。氮化硅是电荷俘获层，二氧化硅层则是门和隧道介质。最后，孔的中心会被填满导电的掺杂多晶硅，以形成存储cell的通道。
 

　　三星公司现在已经开始为企业级用户提供V-NAND固态硬盘的少部分产品，两种容量分别为480GB及960GB，在写入速度上已经比该公司早期的SM843T型980GB固态硬盘提升了20%，而另一方面在功耗上则减少了40%。更重要的是，最新的3D垂直式存储驱动的使用耐久度已经达到了SM843T的10倍有余，而能够满足上一代SSD固态硬盘所无法应对的新类型应用，完全实现之前从来不可能实现的目标。不过目前依然还没有任何全新3D垂直面向大众消费市场的上市时间及价格消息。