半导体行业3D NAND Flash

3D NAND Flash 作为新一代的存储产品，受到了业内的高度关注！但目前3D NAND仅由三星电子独家量产。而进入了最近两个月，先有东芝（Toshiba）杀入敌营，如今美光（Micron）也宣布研发出3D NAND 芯片，而且已经送样，三星一家独大的情况将画下句点，加上早前Intel加大在大连工厂的3D Xpoint的投入，3D NAND大战一触即发。

什么是3D NAND闪存？
从新闻到评测，我们对3D NAND闪存的报道已经非常多了，首先我们要搞懂什么是3D NAND闪存。

我们之前见过的闪存多属于Planar NAND平面闪存，也叫有2D NAND或者直接不提2D的，而3D 闪存，顾名思义，就是它是立体堆叠的，Intel之前用盖楼为例介绍了3D NAND，普通NAND是平房，那么3D NAND就是高楼大厦，建筑面积一下子就多起来了，理论上可以无线堆叠。

 

 

3D NAND闪存也不再是简单的平面内存堆栈，这只是其中的一种，还有VC垂直通道、VG垂直栅极等两种结构。

 

3D NAND闪存有什么优势？

 

在回答3D NAND闪存有什么优势的时候，我们先要了解平面NAND遇到什么问题了——NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分，为了进一步提高容量、降低成本，NAND的制程工艺也在不断进步，从早期的50nm一路狂奔到目前的15/16nm，但NAND闪存跟处理器不一样，先进工艺虽然带来了更大的容量，但NAND闪存的制程工艺是双刃剑，容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降，因为工艺越先进，NAND的氧化层越薄，可靠性也越差，厂商就需要采取额外的手段来弥补，但这又会提高成本，以致于达到某个点之后制程工艺已经无法带来优势了。

相比之下，3D NAND解决问题的思路就不一样了，为了提高NAND的容量、降低成本，厂商不需要费劲心思去提高制程工艺了，转而堆叠更多的层数就可以了，这样一来3D NAND闪存的容量、性能、可靠性都有了保证了，比如东芝的15nm NAND容量密度为1.28Gb/mm2，而三星32层堆栈的3D NAND可以轻松达到1.87Gb/mm2，48层堆栈的则可以达到2.8Gb/mm2。

 

传统的平面NAND闪存现在还谈不上末路，主流工艺是15/16nm，但10/9nm节点很可能是平面NAND最后的机会了，而3D NAND闪存还会继续走下去，目前的堆栈层数不过32-48层，厂商们还在研发64层甚至更高层数的堆栈技术。

四大NAND豪门的3D NAND闪存及特色

在主要的NAND厂商中，三星最早量产了3D NAND，其他几家公司在3D NAND闪存量产上要落后三星至少2年时间，Intel、美光去年才推出3D NAND闪存，Intel本月初才发布了首款3D NAND闪存的SSD，不过主要是面向企业级市场的。

这四大豪门的3D NAND闪存所用的技术不同，堆栈的层数也不一样，而Intel在常规3D NAND闪存     之外还开发了新型的3D XPoint闪存，它跟目前的3D闪存有很大不同，属于杀手锏级产品，值得关注。

 

上述3D NAND闪存中，由于厂商不一定公布很多技术细节，特别是很少提及具体的制程工艺，除了三星之外其他厂商的3D NAND闪存现在才开始推向市场，代表性产品也不足。

 

三星：最早量产的V-NAND闪存

 

三星是NAND闪存市场最强大的厂商，在3D NAND闪存上也是一路领先，他们最早在2013年就开始量产3D NAND闪存了。在3D NAND路线上，三星也研究过多种方案，最终量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存，目前已经发展了三代V-NAND技术，堆栈层数从之前的24层提高到了48层，TLC类型的3D NAND核心容量可达到256Gb容量，在自家的840、850及950系列SSD上都有使用。

 

值得一提的是，三星在3D NAND闪存上领先不光是技术、资金的优势，他们首先选择了CTF电荷撷取闪存（charge trap flash，简称CTF）路线，相比传统的FG（Floating Gate，浮栅极）技术难度要小一些，这多少也帮助三星占了时间优势。

 

有关V-NAND闪存的详细技术介绍可以参考之前的文章：NAND新时代起点，三星V-NAND技术详解

 

东芝/闪迪：独辟蹊径的BiCS技术

 

东芝是闪存技术的发明人，虽然现在的份额和产能被三星超越，不过东芝在NAND及技术领域依然非常强大，很早就投入3D NAND研发了，2007年他们独辟蹊径推出了BiCS技术的3D NAND——之前我们也提到了，2D NAND闪存简单堆栈是可以作出3D NAND闪存的，但制造工艺复杂，要求很高，而东芝的BiCS闪存是Bit Cost Scaling，强调的就是随NAND规模而降低成本，号称在所有3D NAND闪存中BiCS技术的闪存核心面积最低，也意味着成本更低。

 

东芝和闪迪是战略合作伙伴，双方在NAND领域是共享技术的，他们的BiCS闪存去年开始量产，目前的堆栈层数是48层，MLC类型的核心容量128Gb，TLC类型的容量可达256Gb，预计会在日本四日市的Fab 2工厂规模量产，2016年可以大量出货了。

 

SK Hynix：闷声发财的3D NAND

 

在这几家NAND厂商中，SK Hynix的3D NAND最为低调，相关报道很少，以致于找不到多少SK Hynix的3D NAND闪存资料，不过从官网公布的信息来看，SK Hynix的3D NAND闪存已经发展了3代了，2014年Q4推出的第一代，2015年Q3季度推出的第二代，去年Q4推出的则是第三代3D NAND闪存，只不过前面三代产品主要面向eMCC 5.0/5.1、UFS 2.0等移动市场，今年推出的第四代3D NAND闪存则会针对UFS 2.1、SATA及PCI-E产品市场。

SK Hynix的3D NAND闪存堆栈层数从36层起步，不过真正量产的是48层堆栈的3D NAND闪存，MLC类型的容量128Gb，TLC类型的也可以做到256Gb容量。

 

Intel/美光：容量最高的3D NAND闪存

 

这几家厂商中，Intel、美光的3D NAND闪存来的最晚，去年才算正式亮相，不过好菜不怕晚，虽然进度上落后了点，但IMFT的3D NAND有很多独特之处，首先是他们的3D NAND第一款采用FG浮栅极技术量产的，所以在成本及容量上更有优势，其MLC类型闪存核心容量就有256Gb，而TLC闪存则可以做到384Gb，是目前TLC类型3D NAND闪存中容量最大的。

SK Hynix的3D NAND闪存堆栈层数从36层起步，不过真正量产的是48层堆栈的3D NAND闪存，MLC类型的容量128Gb，TLC类型的也可以做到256Gb容量。

 

Intel/美光：容量最高的3D NAND闪存

 

这几家厂商中，Intel、美光的3D NAND闪存来的最晚，去年才算正式亮相，不过好菜不怕晚，虽然进度上落后了点，但IMFT的3D NAND有很多独特之处，首先是他们的3D NAND第一款采用FG浮栅极技术量产的，所以在成本及容量上更有优势，其MLC类型闪存核心容量就有256Gb，而TLC闪存则可以做到384Gb，是目前TLC类型3D NAND闪存中容量最大的。

 

384Gb容量还不终点，今年的ISSCC大会上美光还公布了容量高达768Gb的3D NAND闪存论文，虽然短时间可能不会量产，但已经给人带来了希望。

 

Intel的杀手锏：3D XPoint闪存

 

IMFT在3D NAND闪存上进展缓慢已经引起了Intel的不满，虽然双方表面上还很和谐，但不论是16nm闪存还是3D闪存，Intel跟美光似乎都有分歧，最明显的例子就是Intel都开始采纳友商的闪存供应了，最近发布的540s系列硬盘就用了SK Hynix的16nm TLC闪存，没有用IMFT的。

 

Intel、美光不合的证据还有最明显的例子——那就是Intel甩开美光在中国大连投资55亿升级晶圆厂，准备量产新一代闪存，很可能就是3D XPoint闪存，这可是Intel的杀手锏。

这个3D XPoint闪存我们之前也报道过很多了，根据Intel官方说法，3D XPoint闪存各方面都超越了目前的内存及闪存，性能是普通显存的1000倍，可靠性也是普通闪存的1000倍，容量密度是内存的10倍，而且是非易失性的，断电也不会损失数据。

 

由于还没有上市，而且Intel对3D XPoint闪存口风很严，所以我们无法确定3D XPpoint闪存背后到底是什么，不过比较靠谱的说法是基于PCM相变存储技术，Intel本来就是做存储技术起家的，虽然现在的主业是处理器，但存储技术从来没放松，在PCM相变技术上也研究了20多年了，现在率先取得突破也不是没可能。

 

相比目前的3D NAND闪存，3D XPoint闪存有可能革掉NAND及DRAM内存的命，因为它同时具备这两方面的优势，所以除了做各种规格的SSD硬盘之外，Intel还准备推出DIMM插槽的3D XPoint硬盘，现在还不能取代DDR内存，但未来一切皆有可能。

 

3D NAND技术进展

 

2016年年下半除东芝（TOSHIBA）就64层3D NAND闪存展开送样出货外，三星电子电子（Samsung Electronics），美光（美光），SK海力士（SK海力士）等记忆体业者亦将陆续量产，将促使3D NAND闪存垂直堆叠最高层数自64层朝2017年年的80层迈进.DIGITIMES研究观察，由于干蚀刻使用在64层以上更高堆叠层数的三维NAND闪存，其蚀刻速度与正确性可望优于湿蚀刻，将使三星于64层以上的3D NAND闪存转向干蚀刻发展的可能性提升。

 

垂直通道（垂直通道）构造的三维NAND闪存系指字元线（字线，WL）与位元线（位 栈）构造，垂直通道具备成本优势，成为记忆体业者发展的三维NAND闪存所采主流构造。

 

随3D NAND Flash持續朝64層以上更高垂直堆疊層數邁進，製程中需貫通至底部的蝕刻厚度將較以往增加，且蝕刻精密度亦將提升。

 

湿蚀刻与乾蚀刻主要特性，湿蚀刻具备纵向与横向同时蚀刻的效果，乾蚀刻则朝单一方向蚀刻，而湿蚀刻可运用只对被蚀刻物产生化学反应的材料，其蚀刻选择性（Selectivity）优于乾蚀刻。

 

DIGITIMES研究观察，干蚀刻相对湿蚀刻适用于线宽较小的制程，如应用于64层以上的3D NAND NAND闪存制程。

 

国内的3D NAND进展

 

由于国家政策和大基金的支持，中国大陆现在也把存储芯片作为重点来抓，3D NAND也顺理成章成为广大厂商关注的重点，早前被紫光纳入旗下的武汉新芯科技（XMC）很早已经在武汉开工建设12英寸晶圆厂，第一个目标就是NAND闪存，而且是直接切入3D NAND闪存，他们的3D NAND技术来源于飞索半导体（Spansion），而后者又是1993年AMD和富士通把双方的NOR闪存部门合并而来，后来他们又被赛普拉斯半导体以40亿美元的价格收购。

 

2015年新芯科技与飞索半导体达成了合作协议，双方合作研发、生产3D NAND闪存，主要以后者的MirrorBit闪存技术为基础。搜遍了网络也没找到多少有关MirrorBit的技术资料。这两家公司的闪存技术多是NOR领域的，3D NAND显然是比不过三星、SK Hynix及东芝等公司的，有一种说法是MirrorBit的堆栈层数只有8层，如果真是这样，相比主流的32-48层堆栈就差很远了，成本上不会有什么优势。