3D NAND Flash技術的發(fā)展
[導讀]1.?NAND的歷史2020年5月17日的會議（Tutorial）“PARTI-3DNAND”中，首位出場的是鎧俠（原東芝存儲半導體）的NoboruShibata先生，他在主題為《HistoryandFutureofMulti-Level-CellTechnologyin2Dan...
2020年5月17日的會議（Tutorial）“PART I - 3D NAND”中，首位出場的是鎧俠（原東芝存儲半導體）的Noboru Shibata先生，他在主題為《History and Future of Multi-Level-Cell Technology in 2D and 3D Flash Memory》的演講中，說明了NAND的歷史，如下圖1。
圖1：NAND存儲密度增加的趨勢Noboru Shibata先生以NAND的字位（Bit）為焦點，如上圖1展示了2字位（MLC）、3字位（TLC）、4字位（QLC）分別對應了何種細微性、何種存儲容量的芯片。
在2009年（32納米）以后，存儲半導體密度的增長趨勢呈現(xiàn)了一時的放緩現(xiàn)象，自2016年開始轉向3D趨勢，且趨勢越來越明顯。因此，人們普遍期待未來3D化的NAND將會繼續(xù)擴大存儲的密度。
Shibata先生的演講之后，WD的Yan Li先生做了題目為《3D NAND Architecture and its Application》的演講，其中提到31年來NAND的細微化全過程。如下圖2所示。
圖2：NAND存儲密度增加的趨勢1987年在IEDM上公布的NAND的細微化為1um。此次的發(fā)言者應該是NAND的發(fā)明人—舛岡富士雄先生（筆者推測），在次年的1988年，以1um生產出了4M bit的NAND，1992年以0.7um發(fā)布了16M bit。自此，東芝的NAND業(yè)務開始正式啟動。
后來，隨著細微化、高度集成化的發(fā)展，2014年以1Znm（應該是15納米）發(fā)布了128Gbit的NAND。但是，后來由于發(fā)生了近鄰存儲單元（Memory Cell）之間的串擾（Cross Talk）問題，放棄了2D的細微化，自2015年開始轉入（Paradigm Shift）3D時代。而且，除了細微化，還開始了在縱向堆積更多層數的“多層化”發(fā)展。
這種多層化以48層、64層、96層（約1.5倍）的形式發(fā)展，可以推測，下一步應該是1.2倍的112層。
2.? 各3D NANA廠家的現(xiàn)狀
會議（Tutorial）“PART I - 3D NAND”的第三位演講者是Applied Materials（AMAT）的Tomohiko Kitajima先生，演講題目為《Materials and process technology driven 3D NAND Scaling beyond 200 pairs》。在這篇演講中Tomohiko Kitajima先生簡明地分析、比較了各家NAND廠商的現(xiàn)狀，且說明了未來的技術藍圖。這篇演講，為理解3D NAND，很有幫助，且演講者在過程中反復展示了視頻說明。下面筆者簡單介紹其中一部分。
下圖3是各家廠商生產的3D NAND的所有斷面SEM圖，此外，圖4是各家廠商的最新的3DNAND的SEM照片與構造?？吹竭@兩幅圖，筆者感覺很震驚、很有價值。
圖3：各半導體廠家的3D NAND的斷面SEM照片圖4：各半導體廠家的最新的3D NAND的比較3.? 行業(yè)先驅--三星（Samsung Electronics）直面的問題
下面我們再看下一圖3，僅從這一張圖我們就可以看到各家集團公司的技術、戰(zhàn)略、面臨的問題等信息。
三星（Samsung Electronics）正在推進24層、32層、48層、64層、92層以及3D的的多層化發(fā)展，由于中國西安工廠大量生產并最先開始出貨的是48層，因此可以判斷24層、32層是樣品交貨。三星是最先開始出貨48層產品的，且已經發(fā)售64層產品，因此可以斷言三星控制了48層和64層的市場。
業(yè)界普遍認為三星競爭力的來源在于縱橫比（Aspect Ratio、AR）較大的內存孔（Memory Hole）的干蝕刻技術（Dry Etching）。三星通過與Lam Research共同研發(fā)，開發(fā)了AR較大的HARC（High Aspect Ratio Contact）蝕刻設備與技術，遠遠領先于其他公司。
此外，在64層的下一代產品上，三星“摔了一個大跟頭”，盡管其他公司已經開始生產96層，只有三星在生產這種處于中間位置的92層的產品。此外，從斷面圖的高度來看，三星的92層縱向高度明顯比其他公司的96層低了很多。
主要原因如下：鎧俠與WD等其他公司的96層是利用兩個48層堆疊而成的，然而僅有三星采用了一次性加工的方式、進行內存孔（Memory Hole）的HARC蝕刻。
也就是說，AR越大，HARC蝕刻的難度也越大。具體而言，蝕刻速度會呈現(xiàn)指數級的降低，且會發(fā)生各種異常情況，如很難控制內存孔（Memory Hole）的方差。
為此，三星將縱向的層數做成92層（比其他公司少了4層），進一步將存儲單元（Memory Cell）朝縱向收縮，盡量把HARC的AR做得更小。據推測，三星的92層的產品良率十分低。
盡管如此，三星在2019年11月19日公布說，新一代的128層也會采用一次性加工的方式進行生產。筆者認為，與其拘泥于一次性加工的生產方式，不如再研發(fā)其他新的生產方式，因此三星的未來堪憂。
4.? 鎧俠和WD生產的96層產品
與由于對HARC蝕刻技術懷有較大的信心而“摔了跟頭”的三星不同，鎧俠和WD通過96層產品統(tǒng)領了全球市場。根據筆者從供應鏈等處得到的信息來看，在2019年時間點的第四季度，日本四日市工廠的96層的稼動產能是三星的3倍-4倍。
那么，為什么鎧俠和WD可以在96層上獲得成功呢？
在64層之前，鎧俠和WD在HARC蝕刻技術方面，都遠遠落后于三星。因此，他們盡早地將堆疊兩個48層應用到了96層上。
從圖3 來看，就96層而言，三星以外的其他廠家都分為Lower和Upper。在這種雙層堆疊方式形成96層的情況下，很難將12英寸晶圓完美地與將近約2兆個內存孔（Memory Hole）貼合。據推測，即使在四日市工廠，也曾因為這個問題而導致產品的良率低下。
此外，自2019年夏季開始，行業(yè)的趨勢就變化了。筆者從就職于鎧俠的朋友得知，“如果要我們堆疊500層，我們也可以做到”！就內存孔（Memory Hole）貼合的技術而言，筆者推測他們應該是取得了某種技術突破（Breakthrough）。此外，據筆者調查的各家NAND廠家的稼動產能而言，如上文所述，四日市工廠的96層，具有壓倒性的規(guī)模。
下面我們再看一下圖3，Intel＆Micron在64層以后，采用了雙層堆疊的方式。此外，海力士是自72層以后（不是64層），采用雙層堆疊的方式。
此外，比較一下各家的雙層堆疊方式，我們可以看出，鎧俠和WD的Lower、Upper的分界線十分明顯。因此筆者推測，鎧俠和WD為解決內存孔的貼合問題，在Lower、Upper之間植入了某種特殊的構造。筆者認為，正是這種特殊的構造技術使鎧俠和WD的雙層堆疊的良率大幅度提高、產能遠超三星，且順利地生產96層。
三星由于對HARC蝕刻技術過度自信，導致“栽了跟頭”，但是，鎧俠和WD及時地放棄了一次性加工的生產方式，所以成功了生產了96層的雙層堆疊方式。這讓人想起了2020年1月23日逝去的哈佛商業(yè)學院的Clayton M. Christensen教授提出的“創(chuàng)新的困境（Innovation Dilemma）”。
5.? 各廠家的最新3D NAND
下面我們看看下圖5，即比較了各家廠商的最新3D NAND。此處最引人注目的是中國的紫光集團旗下的長江存儲（YMTC，原XMC）的3D NAND。
圖5：比較各家廠商的最新3D NAND2016年3月，YMTC突然宣布要進軍3D NAND。YMTC 以較高的薪資待遇匯集了大批的日本、臺灣、韓國等地的半導體技術人員，首先致力于32層的研發(fā)。僅僅用了一年的時間就成功研發(fā)了32層的產品，且跳過48層直接開始研發(fā)64層。同時，2019年9月17日，YMTC成功量產了64層。
就YMTC的64層產品而言，控制數據讀取、寫入的CMOS線路由一種不同于存儲單元（Memory Cell）的晶圓制造而成，分別通過Bonding工藝進行貼合。
為了擴大單個芯片的存儲密度，一般采用的是將CMOS線路放在存儲單元下部的CUA結構（CMOS Under Array），實際上，Intel＆Micron和海力士正是采用的這種模式。但是，YMTC的Xtacking則采用不同的鍵合工藝！
在2019年第四季度時間點，YMTC的64層稼動產能不足2萬個，但是，在2020年4月12日，YMTC發(fā)布說，成功研發(fā)了128層的、1.33Terabit、QLC的3D NAND。未來，3D NAND的“風向標”可能要發(fā)生變化了。
6.? 3D NAND的技術藍圖（Roadmap）
一場出人意料的新冠肺炎促使了遠程辦公、在線授課、在線診療等網上業(yè)務的發(fā)展。IMW2020也是在線召開的。結果，導致了數據中心（Data Center）的需求暴增，用于服務器的NAND的需求也呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長。
因此，人們對于3D NAND的高密度化的期待越來越高。其研發(fā)的R
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