半導體行業(yè)3D NAND Flash

3D NAND Flash 作為新一代的存儲產品，受到了業(yè)內的高度關注！但目前3D NAND僅由三星電子獨家量產。而進入了最近兩個月，先有東芝（Toshiba）殺入敵營，如今美光（Micron）也宣布研發(fā)出3D NAND 芯片，而且已經送樣，三星一家獨大的情況將畫下句點，加上早前Intel加大在大連工廠的3D Xpoint的投入，3D NAND大戰(zhàn)一觸即發(fā)。

什么是3D NAND閃存？
從新聞到評測，我們對3D NAND閃存的報道已經非常多了，首先我們要搞懂什么是3D NAND閃存。

我們之前見過的閃存多屬于Planar NAND平面閃存，也叫有2D NAND或者直接不提2D的，而3D 閃存，顧名思義，就是它是立體堆疊的，Intel之前用蓋樓為例介紹了3D NAND，普通NAND是平房，那么3D NAND就是高樓大廈，建筑面積一下子就多起來了，理論上可以無線堆疊。

3D NAND閃存也不再是簡單的平面內存堆棧，這只是其中的一種，還有VC垂直通道、VG垂直柵極等兩種結構。

3D NAND閃存有什么優(yōu)勢？

在回答3D NAND閃存有什么優(yōu)勢的時候，我們先要了解平面NAND遇到什么問題了——NAND閃存不僅有SLC、MLC和TLC類型之分，為了進一步提高容量、降低成本，NAND的制程工藝也在不斷進步，從早期的50nm一路狂奔到目前的15/16nm，但NAND閃存跟處理器不一樣，先進工藝雖然帶來了更大的容量，但NAND閃存的制程工藝是雙刃劍，容量提升、成本降低的同時可靠性及性能都在下降，因為工藝越先進，NAND的氧化層越薄，可靠性也越差，廠商就需要采取額外的手段來彌補，但這又會提高成本，以致于達到某個點之后制程工藝已經無法帶來優(yōu)勢了。

相比之下，3D NAND解決問題的思路就不一樣了，為了提高NAND的容量、降低成本，廠商不需要費勁心思去提高制程工藝了，轉而堆疊更多的層數就可以了，這樣一來3D NAND閃存的容量、性能、可靠性都有了保證了，比如東芝的15nm NAND容量密度為1.28Gb/mm2，而三星32層堆棧的3D NAND可以輕松達到1.87Gb/mm2，48層堆棧的則可以達到2.8Gb/mm2。

傳統的平面NAND閃存現在還談不上末路，主流工藝是15/16nm，但10/9nm節(jié)點很可能是平面NAND最后的機會了，而3D NAND閃存還會繼續(xù)走下去，目前的堆棧層數不過32-48層，廠商們還在研發(fā)64層甚至更高層數的堆棧技術。

四大NAND豪門的3D NAND閃存及特色

在主要的NAND廠商中，三星最早量產了3D NAND，其他幾家公司在3D NAND閃存量產上要落后三星至少2年時間，Intel、美光去年才推出3D NAND閃存，Intel本月初才發(fā)布了首款3D NAND閃存的SSD，不過主要是面向企業(yè)級市場的。

這四大豪門的3D NAND閃存所用的技術不同，堆棧的層數也不一樣，而Intel在常規(guī)3D NAND閃存 ?? ?之外還開發(fā)了新型的3D XPoint閃存，它跟目前的3D閃存有很大不同，屬于殺手锏級產品，值得關注。

上述3D NAND閃存中，由于廠商不一定公布很多技術細節(jié)，特別是很少提及具體的制程工藝，除了三星之外其他廠商的3D NAND閃存現在才開始推向市場，代表性產品也不足。

三星：最早量產的V-NAND閃存

三星是NAND閃存市場最強大的廠商，在3D NAND閃存上也是一路領先，他們最早在2013年就開始量產3D NAND閃存了。在3D NAND路線上，三星也研究過多種方案，最終量產的是VG垂直柵極結構的V-NAND閃存，目前已經發(fā)展了三代V-NAND技術，堆棧層數從之前的24層提高到了48層，TLC類型的3D NAND核心容量可達到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閃存上領先不光是技術、資金的優(yōu)勢，他們首先選擇了CTF電荷擷取閃存（charge trap flash，簡稱CTF）路線，相比傳統的FG（Floating Gate，浮柵極）技術難度要小一些，這多少也幫助三星占了時間優(yōu)勢。

有關V-NAND閃存的詳細技術介紹可以參考之前的文章：NAND新時代起點，三星V-NAND技術詳解

東芝/閃迪：獨辟蹊徑的BiCS技術

東芝是閃存技術的發(fā)明人，雖然現在的份額和產能被三星超越，不過東芝在NAND及技術領域依然非常強大，很早就投入3D NAND研發(fā)了，2007年他們獨辟蹊徑推出了BiCS技術的3D NAND——之前我們也提到了，2D NAND閃存簡單堆棧是可以作出3D NAND閃存的，但制造工藝復雜，要求很高，而東芝的BiCS閃存是Bit Cost Scaling，強調的就是隨NAND規(guī)模而降低成本，號稱在所有3D NAND閃存中BiCS技術的閃存核心面積最低，也意味著成本更低。

東芝和閃迪是戰(zhàn)略合作伙伴，雙方在NAND領域是共享技術的，他們的BiCS閃存去年開始量產，目前的堆棧層數是48層，MLC類型的核心容量128Gb，TLC類型的容量可達256Gb，預計會在日本四日市的Fab 2工廠規(guī)模量產，2016年可以大量出貨了。

SK Hynix：悶聲發(fā)財的3D NAND

在這幾家NAND廠商中，SK Hynix的3D NAND最為低調，相關報道很少，以致于找不到多少SK Hynix的3D NAND閃存資料，不過從官網公布的信息來看，SK Hynix的3D NAND閃存已經發(fā)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推出的則是第三代3D NAND閃存，只不過前面三代產品主要面向eMCC 5.0/5.1、UFS 2.0等移動市場，今年推出的第四代3D NAND閃存則會針對UFS 2.1、SATA及PCI-E產品市場。

SK Hynix的3D NAND閃存堆棧層數從36層起步，不過真正量產的是48層堆棧的3D NAND閃存，MLC類型的容量128Gb，TLC類型的也可以做到256Gb容量。

Intel/美光：容量最高的3D NAND閃存

這幾家廠商中，Intel、美光的3D NAND閃存來的最晚，去年才算正式亮相，不過好菜不怕晚，雖然進度上落后了點，但IMFT的3D NAND有很多獨特之處，首先是他們的3D NAND第一款采用FG浮柵極技術量產的，所以在成本及容量上更有優(yōu)勢，其MLC類型閃存核心容量就有256Gb，而TLC閃存則可以做到384Gb，是目前TLC類型3D NAND閃存中容量最大的。

SK Hynix的3D NAND閃存堆棧層數從36層起步，不過真正量產的是48層堆棧的3D NAND閃存，MLC類型的容量128Gb，TLC類型的也可以做到256Gb容量。

Intel/美光：容量最高的3D NAND閃存

384Gb容量還不終點，今年的ISSCC大會上美光還公布了容量高達768Gb的3D NAND閃存論文，雖然短時間可能不會量產，但已經給人帶來了希望。

Intel的殺手锏：3D XPoint閃存

IMFT在3D NAND閃存上進展緩慢已經引起了Intel的不滿，雖然雙方表面上還很和諧，但不論是16nm閃存還是3D閃存，Intel跟美光似乎都有分歧，最明顯的例子就是Intel都開始采納友商的閃存供應了，最近發(fā)布的540s系列硬盤就用了SK Hynix的16nm TLC閃存，沒有用IMFT的。

Intel、美光不合的證據還有最明顯的例子——那就是Intel甩開美光在中國大連投資55億升級晶圓廠，準備量產新一代閃存，很可能就是3D XPoint閃存，這可是Intel的殺手锏。

這個3D XPoint閃存我們之前也報道過很多了，根據Intel官方說法，3D XPoint閃存各方面都超越了目前的內存及閃存，性能是普通顯存的1000倍，可靠性也是普通閃存的1000倍，容量密度是內存的10倍，而且是非易失性的，斷電也不會損失數據。

由于還沒有上市，而且Intel對3D XPoint閃存口風很嚴，所以我們無法確定3D XPpoint閃存背后到底是什么，不過比較靠譜的說法是基于PCM相變存儲技術，Intel本來就是做存儲技術起家的，雖然現在的主業(yè)是處理器，但存儲技術從來沒放松，在PCM相變技術上也研究了20多年了，現在率先取得突破也不是沒可能。

相比目前的3D NAND閃存，3D XPoint閃存有可能革掉NAND及DRAM內存的命，因為它同時具備這兩方面的優(yōu)勢，所以除了做各種規(guī)格的SSD硬盤之外，Intel還準備推出DIMM插槽的3D XPoint硬盤，現在還不能取代DDR內存，但未來一切皆有可能。

3D NAND技術進展

2016年年下半除東芝（TOSHIBA）就64層3D NAND閃存展開送樣出貨外，三星電子電子（Samsung Electronics），美光（美光），SK海力士（SK海力士）等記憶體業(yè)者亦將陸續(xù)量產，將促使3D NAND閃存垂直堆疊最高層數自64層朝2017年年的80層邁進.DIGITIMES研究觀察，由于干蝕刻使用在64層以上更高堆疊層數的三維NAND閃存，其蝕刻速度與正確性可望優(yōu)于濕蝕刻，將使三星于64層以上的3D NAND閃存轉向干蝕刻發(fā)展的可能性提升。

垂直通道（垂直通道）構造的三維NAND閃存系指字元線（字線，WL）與位元線（位棧）構造，垂直通道具備成本優(yōu)勢，成為記憶體業(yè)者發(fā)展的三維NAND閃存所采主流構造。

隨3D NAND Flash持續(xù)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。

濕蝕刻與乾蝕刻主要特性，濕蝕刻具備縱向與橫向同時蝕刻的效果，乾蝕刻則朝單一方向蝕刻，而濕蝕刻可運用只對被蝕刻物產生化學反應的材料，其蝕刻選擇性（Selectivity）優(yōu)于乾蝕刻。

DIGITIMES研究觀察，干蝕刻相對濕蝕刻適用于線寬較小的制程，如應用于64層以上的3D NAND NAND閃存制程。

國內的3D NAND進展

由于國家政策和大基金的支持，中國大陸現在也把存儲芯片作為重點來抓，3D NAND也順理成章成為廣大廠商關注的重點，早前被紫光納入旗下的武漢新芯科技（XMC）很早已經在武漢開工建設12英寸晶圓廠，第一個目標就是NAND閃存，而且是直接切入3D NAND閃存，他們的3D NAND技術來源于飛索半導體（Spansion），而后者又是1993年AMD和富士通把雙方的NOR閃存部門合并而來，后來他們又被賽普拉斯半導體以40億美元的價格收購。

2015年新芯科技與飛索半導體達成了合作協議，雙方合作研發(fā)、生產3D NAND閃存，主要以后者的MirrorBit閃存技術為基礎。搜遍了網絡也沒找到多少有關MirrorBit的技術資料。這兩家公司的閃存技術多是NOR領域的，3D NAND顯然是比不過三星、SK Hynix及東芝等公司的，有一種說法是MirrorBit的堆棧層數只有8層，如果真是這樣，相比主流的32-48層堆棧就差很遠了，成本上不會有什么優(yōu)勢。