3D NAND，1000层

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据Xtech Nikkei报道，Kioxia 首席技术官 (CTO) Hidefumi Miyajima 表示，该公司计划到 2031 年批量生产超过 1,000 层的 3D NAND 内存。在东京城市大学举行的第 71 届应用物理学会春季会议上的演讲中，Miyajima 讨论了在 3D NAND 器件中实现超过 1000 层的技术挑战和解决方案。

增加 3D NAND 器件中的有源层数量是当今提高闪存记录密度的最佳方法，因此所有 3D NAND 制造商都努力每 1.5 到 2 年就推出新的工艺节点来实现这一目标。每个新节点都会带来一些挑战，因为 3D NAND 制造商必须增加层数并横向和纵向缩小 NAND 单元。这个过程要求制造商在每个新节点都采用新材料，这是一项重大的研发挑战。

图1：NAND 闪存公司正在竞相开发通过高堆叠增加容量的技术。

2013年前后，NAND Flash的容量提升方式从小型化转向分层化。目前，各家公司都在竞相量产200层以上的3D NAND（图1）。小型化的限制是由于器件操作的物理限制和光刻成本的增加，但对于堆叠而言，“如何降低工艺成本已成为与光刻一样大的问题。”

蚀刻工艺对制造成本的影响特别大。3D NAND 的多层薄膜形成后，通过等离子蚀刻产生大量孔（存储孔），从顶层贯穿底层。该工艺是通过在孔中沉积氧化膜、氮化膜等来制造多层存储单元。

内存孔的直径约为100纳米，深度为数微米，因此能够快速、均匀地钻出大深宽比孔的蚀刻技术至关重要。每 300mm 晶圆上的存储孔数量达到数万亿个。

这种蚀刻工艺“大约需要一个小时。因为需要时间，所以需要增加设备数量，使其成为（对于3D NAND）成本最高的工艺”。随着堆叠层数的增加以及存储孔的深宽比的增加，蚀刻所需的时间呈指数增长，从而增加了制造成本。均匀加工难度的增加也往往是降低产量的一个因素。

因此，对于Kioxia的第8代产品，我们没有一次性构建218层，而是采用了分两步构建的方法。但又增加了新的困难，比如需要将下层和上层的内存孔完美对齐。

如今，Kioxia 最好的 3D NAND 器件是第八代 BiCS 3D NAND 存储器，具有 218 个有源层和 3.2 GT/s 接口（于 2023 年 3 月首次推出）。这一代引入了一种新颖的CBA（CMOS直接键合到阵列）架构，该架构涉及使用最合适的工艺技术单独制造3D NAND单元阵列晶圆和I/O CMOS晶圆并将它们键合在一起。其结果是产品具有增强的位密度和改进的 NAND I/O 速度，这确保了内存可用于构建最好的 SSD。

与此同时，Kioxia 及其制造合作伙伴 Western Digital 尚未披露 CBA 架构的具体细节，例如 I/O CMOS 晶圆是否包括额外的 NAND 外围电路（如页缓冲器（page buffers）、读出放大器和电荷泵）。通过分别生产存储单元和外围电路，制造商可以为每个组件利用最高效的工艺技术，随着行业向串堆叠等方法发展，制造商将获得更多优势，串堆叠肯定会用于 1,000 层 3D NAND。

值得注意的是，三星还预计将实现量产级1000层3D NAND。根据2022年9月的报道，该公司目前正在设计第 9 代和第 10 代 V-NAND 并进行原型设计，与当今的技术相比，层密度适当增加。三星目前正在出货其第七代 176 层 V-NAND，并计划在今年年底前发布基于其第八代 230 层设计的 V-NAND 芯片。后者采用 512 Gb 芯片，密度将提高 42%。

但三星正着眼于密度的更大幅度跃升，并预计到 2030 年实现 1,000 层 V-NAND 设计。三星还继续致力于 QLC（四级单元）技术，希望在提高存储位的同时提高性能密度。

3D-NAND 的层数有限制吗？

回顾 2D NAND，它采用平面架构，浮动栅极 (FG) 和外围电路彼此相邻。2007年，随着2D NAND的尺寸达到极限，东芝提出了3D NAND结构。

三星于 2013 年率先向市场推出了所谓的“V-NAND”。

3D 设计引入了多晶硅和二氧化硅的交替层，并将浮动栅极替换为电荷陷阱闪存 (CTF)。这些区别既有技术上的，也有经济上的。FG 将存储器存储在导电层中，而 CTF 将电荷“捕获”在介电层内。由于制造成本降低，CTF 设计很快成为首选，但当然不是唯一的。

IBM 研究员 Roman Pletka 指出：“尽管所有制造商都转向电荷陷阱单元架构，但我预计传统浮栅单元在未来仍将发挥不可忽视的作用，特别是对于容量或保留敏感的用例。”

然而，Hynix 表示，尽管采用了摩天大楼式堆叠的创新，但第一代 3D NAND 设计仍将外围电路保留在一侧。

最终，3D NAND 供应商将外围电路移至 CTF 下。用 SK Hynix 的术语来说，它现在是 Periphery Under Cell (PUC) 层。一方面，“4D NAND”比 CTF/PUC NAND 更短、更酷。另一方面，这最终是 3D NAND 的另一种变体，单位单元面积更小。针对较小占地面积的类似设计有不同的商标名称，例如 Micron 的 CMOS under Array (CuA)。

美光科技在 2022 年 7 月下旬宣布推出 232 层 NAND，并已投入生产，因此获得了吹嘘的资本。根据该公司的新闻稿，美光表示，其 232 层 NAND 是存储创新的分水岭，也是将 3D NAND 生产扩展到 200 层以上的能力的第一个证明。

美光还声称业界最快的 NAND I/O 速度为 2.4 Gbps，与上一代产品相比，每个芯片的写入带宽提高了 100%，读取带宽提高了 75% 以上。此外，232层NAND包含六平面TLC生产NAND，美光表示这是所有TLC闪存中每个芯片最多的平面，并且每个平面都具有独立的读取能力。

业内分析人士认为，这可能是此次公告中最令人印象深刻的部分。由于有六个平面，该芯片的表现就像是六个不同的芯片一样。

制造：优势与挑战

在早几年的 IEEE IEDM 论坛上，三星的 Kinam Kim 发表了主题演讲，他预测到 2030 年将出现 1,000 层闪存。这可能听起来令人头晕，但这并不完全是科幻小说。Imec 存储内存项目总监 Maarten Rosmeulen 表示：“相对 NAND 闪存的历史趋势线而言，这一速度已经放缓。” “如果你看看其他公司，比如美光或西部数据，他们在公开声明中提出的内容，你会发现他们的速度甚至比这还要慢。不同制造商之间也存在一些差异——看起来他们正在延长路线图，让它放慢速度。我们相信这是因为维持这个空间的运转需要非常高的投资。”

尽管如此，竞争风险仍然足够高，这些投资是不可避免的。“前进的主要方式，主要的乘数，是在堆栈中添加更多层，”Rosmeulen 说。“几乎没有空间进行 XY 收缩并缩小内存空洞。这很难做到。也许他们会在这里或那里挤压百分之几，将孔放得更近，孔之间的缝隙更少等等。但这并不是最大的收益所在。如果你能继续堆叠更多的层，密度只能以目前的速度显着提高。”

图 2：NAND 制造中的 3D 步骤

除了整个过程的核心不可避免的问题之外，进一步堆叠似乎是合理的。

“主要挑战在于蚀刻，因为你必须蚀刻具有非常高深宽比的非常深的孔，”Rosmeulen 说。“如果你看看上一代的 128 层，这大约是一个 6、7 或 8 微米深的孔，直径仅为 120 纳米左右，具有极高的纵横比，或者可能更高一点，但并非如此很多。蚀刻技术取得了进步，可以一次性蚀刻更深的孔，但速度不会更快。您无法提高蚀刻速度。因此，如果工艺流程以沉积和蚀刻为主，并且这些工艺步骤没有提高成本效率，那么添加更多层就不再能够有效地降低成本。”

蚀刻也只是多个步骤之一。“除了蚀刻之外，您还需要用非常薄的介电层上下均匀地填充这个孔，”Synopsys 的 Lin 说。“通常，由于晶圆的化学性质，沉积几纳米的层并不容易。在这里，他们必须一路向下才能填满。有亚原子层沉积方法，但仍然具有挑战性。另一个巨大的挑战是压力。如果您构建了如此多的层并经历一些蚀刻/沉积/清洁/热循环，则可能会导致局部和全局应力。在局部，因为钻孔后，您需要在整个堆栈上切出一条非常深的沟槽。它变成了一座非常高的摩天大楼，而且摇摇欲坠。如果你开始进行一些清洗或其他过程，很多事情都可能发生，导致两座摩天大楼相互倒塌。那么你就失去了收益。通过将如此多的材料相互叠加并切割不同的图案，这可能会产生全局应力并导致晶圆翘曲，这将使其无法在晶圆厂中进行处理，因为晶圆必须是平坦的。

请记住，蚀刻是穿过不同材料层的。

Objective Analysis 的 Handy 表示，三星的解决方案是创建极薄的层。“这对整个行业很有用，因为每个人都使用几乎相同的工具来创建这些东西。”

结论

2016年，专家指出，由于技术问题，3D NAND可能会在300层或接近300层时失去动力。这似乎已被今天的谨慎乐观所取代。

“[SK Hynix 的 238 层之后]我预计未来几年层数将以大致相同的速度增加，”IBM 的 Pletka 表示。“然而，从技术角度来看，由于高深宽比蚀刻工艺，增加层数面临挑战，而且资本支出也面临挑战，因为制造芯片的时间随着层数的增加而增加。这就是为什么我们将看到新的缩放方向，通过制作更薄的层、横向缩放（例如更密集地放置垂直孔）以及使用更有效的布局（例如共享位线和逻辑缩放）（例如，使用分栅架构或存储更多每单元位数）。借助这些技术，预计 NAND 闪存的存储密度至少在未来 5 到 10 年内将继续以类似的速度增长。”

其他人也同意。Objective Analysis 首席分析师吉姆·汉迪 (Jim Handy) 表示：“当人们说我们无法超越这么多层时，这实际上是没有物理限制的。” “在半导体领域，总是有人说我们做不到。我们无法进行 20 纳米以下的光刻。现在，他们正在研究 1 纳米。三星谈到了 1,000 层。20年后，我们可能会嘲笑我们曾经认为这已经很多了。”

参考链接

https://www.tomshardware.com/pc-components/ssds/kioxia-aims-to-mass-produce-1000-layer-3d-nand-by-2031-quadruple-the-current-number-of-layers

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/00001/09089/

https://semiengineering.com/is-there-a-limit-to-the-number-of-layers-in-3d-nand/

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