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NAND Flash跨入128层时代
2020-04-06 17:00:59
详细内容

日前,美光发布第二季度财报,其在电话会议中美光透露,即将开始批量生产其基于公司新的RG(replacement gate)架构的第四代3D NAND存储设备。至此,美光,东芝,SK海力士和三星都已正式挺进128层,甚至更高层级,存储大厂们已经为3D NAND的堆叠层数而疯狂。



市场需求无疑是最大的驱动力,随着5G及物联网技术的发展,数据正呈现出爆炸式的增长,由此对于存储的需求也越来越大。


此前的闪存多属于平面闪存 (Planar NAND),我们一般称之为“2D NAND”。巨大需求推动下的2D NAND 工艺不断发展,向1znm(12-15nm)逼近, 平面微缩工艺的难度越来越大,接近物理极限,但尽管如此,存储密度也很难突破128GB容量。并且带来的成本优势开始减弱,有资料指出,16nm制程后,继续采用2D 微缩工艺的难度和成本已超过3D技术,因此各存储大厂都在积极推出3D NAND。


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来源:互联网


3D NAND,简单来说,就是通过die堆叠技术,加大单位面积内晶体管数量的增长。有资料称,3D NAND比2D NAND具有更高的存储容量,若采用48层TLC 堆叠技术,存储密度可提升至256GB,轻松突破了平面2D NAND 128GB 的存储密度极限值。



同时还具有更高的可靠性,NAND闪存一直有着电荷之间电场干扰问题,导致需要flash control芯片透过复杂的算法来防止和纠正这么干扰带来的错误,最后拖累了资料的传输速度。


透过3D堆叠技术,单位储存空间变大,电荷间的电场干扰降低,大幅提升了产品的可靠性,也因资料错误降低,不仅提升了资料的传输速率,更因简化了纠错算法,进而降低了功耗,一举数得。进一步凸显了成本效益。


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来源:三星



在主要的NAND厂商中,三星于2013年8月就已经宣布进入3D NAND量产阶段,2014 年第 1 季正式于西安工厂投产。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。



东芝、美光、SK海力士2015年正式推出3D NAND闪存。Intel 2016年4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。在这些存储大厂的推动下,NAND Flash正在快速由2D NAND向3D NAND普及。


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来源:中国闪存市场


2019年Q3度全球NAND闪存市场明显复苏,三星、铠侠(原东芝存储)、美光等主要存储厂商的出货量均有较大幅度增长。据DRAMeXchange数据显示,2019年Q4季度全球NAND闪存市场营收125.46亿美元,环比增长8.5%,位元出货量增长10%左右,合约价也由跌转涨。


技术升级一向是存储芯片公司间竞争的主要策略。随着存储市场由弱转强,处于新旧转换的节点,各大厂商纷纷加大新技术工艺的推进力度,加快从64层3D NAND向96层3D NAND过渡,同时推进下一代128层3D NAND技术发展进程,以期在新一轮市场竞争中占据有利位置。


如前文所言,3D NAND主要依靠die堆叠,采用这种方式可以使得每颗芯片的储存容量可以显著增加,而不必增加芯片面积或者缩小单元,使用3D NAND可以实现更大的结构和单元间隙,这有利于增加产品的耐用性。因此想要增加存储空间就需要不断的增加堆叠层数,这也就是为什么先进存储厂商一直想要追求更多堆叠层数的原因。


在发展3D NAND的过程中,这些厂商通常采用两种不同的存储技术:电荷撷取技术(CTF, Charge Trap Flash)和浮栅(FG, Floating Gate)技术。


CSDN博主“古猫先生”指出,这两种技术没有好坏之分,应该是各有千秋。


CTF电荷撷取技术实现原理和过程更加简单,有利于加快产品进程。此外,电荷存储在绝缘层比存储在导体浮栅中更加的可靠。


FG浮栅技术从2D NAND开始已经很成熟。另外,采用FG浮栅技术的3D NAND的存储单元相互独立,而采用CTF电荷撷取技术的3D NAND的存储单元是连接在一起的。这样的话,FG浮栅技术的存储过程更具操作性。


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三星就是主推CTF电荷撷取技术的厂商 ,其3D NAND的发展轨迹是48层-64层-96层-128层+。从2013年开始量产第一代3D V-NAND,到2018年,开始批量生产第五代V-NAND 3D堆叠闪存,9x层的堆叠设计;一直引领着存储行业在闪存容量和性能方面的持续性创新。


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三星在2019 年 6 月就推出了第六代 V-NAND(128 层 256Gb 3D TLC NAND),8 月份宣布基于该技术已批量生产 250GB SATA SSD,而在 11 月实现了第六代 128 层 512Gb TLC 3D NAND的量产。


据三星官方消息显示,新款 V-NAND 运用三星电子有的“通道孔蚀刻”技术,向前代 9x 层单堆叠架构增加了约 40% 单元。这是通过构建由 136 层组成的导电模具堆栈,然后垂直自上而下穿过圆柱孔,形成统一的 3D 电荷撷取闪存 (CTF) 单元实现的。



SK海力士也采用CTF电荷撷取技术,在由2D转进3D NAND世代的竞争中,SK海力士似乎一直处在掉队状态,落后过去 2D 平面式 NAND Flash 时代。因此,SK 海力士在全球 NAND Flash 排名中,已经被甩到五名之外。这对于在 2D 时代实力很强的 SK 海力士,属实有点让人意外。



2019年,在美国闪存峰会上,SK海力士公布3D NAND技术路线图,此技术路线图展示,在2030年3D NAND将达到800多层的堆叠高度。SK海力士将该技术称为第6版4D NAND,但其他制造商都将其称为3D NAND。其中176层对应1.38 TB,500层对应3.9 TB,800层对应6.25 TB。


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SK海力士在 2019 年 6 月份宣布推出首款 128 层 TLC 4D NAND,11 月份向主要客户交付基于 128 层 1Tb 4D NAND 的工程样品并较预期提前量产。这种先发优势,将会有助于抢占市场,更快达到规模经济。



东芝方面,也是CTF电荷撷取技术,东芝是目前日本最大的半导体制造商,也是闪存技术的缔造者,于1989年最早研制出了NAND闪存。虽然东芝公司最早提出3D NAND架构,并于2012年成功研发16层3D NAND实验品,但却迟迟未推出相关产品上市,导致其市场步伐落于三星之后。


据悉,迫于三星的市场压力,东芝计划采用P-BiCS(Pipe-shaped Bit Cost Scalable)技术量产3D NAND产品,样品于2014年Q1送样,计划于2016年第二季度量产;且在2016年度至2018年度,东芝大举投资半导体存储器,投资额将达8千亿日元。


2018 年6 月东芝将铠侠独立出去,并卖给由美国贝恩资本主导的「日美韩联盟」。东芝目前仍持有铠侠40.2%股权。


1月31日,铠侠宣布已研发出3D NAND Flash「BiCS FLASH」的第5代产品,采用堆叠112层制程技术,且已完成试作、确认基本动作。该款堆叠112 层的3D NAND 试作品为512Gb(64GB),采用3bit/cell(TLC:Triple Level Cel)技术的产品,预计将在2020 年第一季进行样品出货,除将用来抢攻需求持续扩大的资料中心用SSD、商用SSD、PC 用SSD 及智能手机等市场外,也将用来抢攻5G、人工智能(AI)、自动驾驶等新市场需求。


铠侠指出,该款112 层3D NAND 产品为该公司和合作伙伴美国Western Digital(WD)所携手研发完成,今后将利用双方共同营运的四日市工厂以及北上工厂进行生产,且今后也计划推出采用堆叠112 层制程技术的1Tb(128GB)TLC 产品以及1.33Tb 的4bit/cell (QLC:Quadruple-Level Cell)产品。关于上述112 层3D NAND 的量产时间,WD 宣布,预定将在2020 年下半年


美光过去在 2D 平面式 NAND FLash 技术世代,一直与英特尔联合开发技术、分摊产能建置成本等。


不过,从 2D 转进 3D NAND 世代中,美光已经直逼拥头部厂商水准。IC 设计业者分析,美光在 3D NAND 技术层面,已经直逼三星水准,其读写 read/write performance 只有三星可以抗衡,且在相同layer 下,其die size 也是业界最小,技术实力在 3D NAND 时代大幅追上来


2019年10月初,美光宣布第一批第四代3D NAND存储芯片流片出样。第四代3D NAND基于美光的RG架构,采用128层工艺。在“Mircon Insight2019”技术大会上,美光科技执行副总裁兼首席商务官Sumit Sadana表示,128层3D NAND如果被广泛使用,将大大降低产品每比特成本。


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如前文所言,他们即将开始批量生产其基于公司新的RG架构的第四代3D NAND存储设备,美光第四代的28层3D NAND即将流片表示,表示该公司新设计不仅仅是一个概念。



同时,美光还没有计划将其所有产品线都转换为最初的RG处理技术,因此明年公司范围的每位成本将不会大幅下降。尽管如此,该公司承诺在其后续RG节点广泛部署之后,到2021财年(从2020年9月下旬开始)将实现有意义的成本降低。



相比国际先进水平,国内厂商长江存储也在3D NAND上有所突破,并推出了其独特的Xtacking技术。


据相关报道显示,传统3D NAND架构中,外围电路约占芯片面积的20—30%,降低了芯片的存储密度。随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高,外围电路可能会占到芯片Xtacking技术将外围电路连接到存储单元之上,从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。


据悉,长江存储的64层3D NAND闪存产品将在2020年进入大规模量产,此外,长江存储还将在今年跳过96层,直接投入128层闪存的研发和量产工作。



从进度来看,128层3D NAND基本将在今年大量进入企业存储市场,逐渐成为主流。但是从此亦可看出,存储厂商间的新一轮技术升级之争亦将变得更加激烈。


半导体专家莫大康指出,存储芯片具有高度标准化的特性,且品种单一,较难实现产品的差异化。这导致各厂商需要在工艺技术和生产规模上比拼竞争力。


因此,每当市场格局出现新旧转换时,厂商往往打出技术牌,以期通过新旧世代产品的改变,提高产品密度,降低制造成本,取得竞争优势。


值得注意的是,今年由于疫情原因,可能影响智能手机及笔记本等消费电子产品的出货,闪存出货量预计会衰退或者持平。因此也有业内人士指出,存储厂可能会更趋向于加大96层3D NAND的生产。


对于中国存储业来说,技术上从2D到3D的改变,是一个难得的发展机遇,但是如何抓住这个机遇仍具挑战。


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引用自:原创-邱丽婷(半导体行业观察) 

*免责声明:本文引用原创-邱丽婷(半导体行业观察) 。文章内容系作者个人观点,转载仅为了传达不同观点交流与提升半导体行业认知,不代表对该观点赞同或支持,如转载涉及版权等问题,请发送消息至公号后台与我们联系,我们将在第一时间处理,非常感谢!




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