美光公司日前开始量产其32层(32L) 3D NAND闪存,包含该组件的首批商用下游产品之一是Crucial 750GB SATA 2.5吋固态硬盘(SSD)。如图1所示,这款产品的连续读取/写入速度分别高达每秒530MB与每秒510MB;其功耗较一般机械硬盘 (HDD)改善了90倍,据称也更加耐用。

Crucial SSD的售价为200美元,这使其成为笔记本电脑应用最具吸引力的选项,而且我们发现有越来越多的计算机设备开始利用SSD取代传统HDD。HDD也许将逐渐被市场所淘汰,不过必须承认的是各家相关厂商仍致力于使其创新,而且HDD的成本仍较SSD更低廉。因此,我们预计在短期之内,HDD仍将在市场上占据主导地位。

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图1:美光Crucial CT750MX300SSD1 750GB SSD

图2所示为Crucial 750GB SSD的正面与背面电路板拆解图,可以看到其中包含8个美光NAND闪存封装。这一数量相当于TechInsights在三星(Samsung)T3 2TB SSD中发现4个48层(48L) 3D NAND封装数量的两倍。因此,从封装数的角度来看,三星在每封装中的内存容量仍然占据优势。但从芯片层来看是否同样领先于美光?

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图2:采用美光3D NAND的Crucial SSD产品正面与背面电路板图

三星方面已经能够在每个NAND封装中加进16块芯片了,如图3所示。这意味着每块面积为99.8平方毫米的芯片可提供32GB储存容量,或者换算为每平方毫米约320MB。

Crucial 750GB SSD中包含8块美光的封装,其中单一封装可容纳2块芯片,面积为165平方毫米。这意味着该内存的储存密度为284MB/mm2,低于三星的320MB/mm2。不过三星的最大优势在于其48层结构以及20纳米(nm)半位线间距,相形之下,美光的40nm半位线间距更为松散。

也许我们应该用三星在此之前推出的32层(32L) V-NAND进行比较,该系列产品发布于2014年,同样采用20nm半位线间距制造。同时,我们也发现,美光的284MB/mm2位密度较优于三星在32L V-NAND中实现的127MB/mm2位密度。

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图3:三星K9UGB8S7M 48L V-NAND闪存

图4显示三星48L V-NAND芯片脱层后扩散的情形,可看到图中两个大型NAND宏将芯片一分为二。页面缓冲与外围电路就位于NAND数组宏下方。该数组宏以垂直NAND串所使用的源极选择晶体管以及源极线触点加以填充。

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图4:三星48L V-NAND的扩散级芯片图

图5显示美光的扩散级芯片图,其布局与三星的芯片差别很大,其中64个宏涵盖大部份数组。我们尚未对其进行分析,但我们认为它可能容纳页面缓冲器、行译码器、字符线开关以及可能存在的‘胶合’逻辑。这是一种迥异于三星芯片的设计策略,而且美光还宣称将主动电路放置在内存器数组下方,有助于提高了位密度,同时也带来更低的芯片制造成本。

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图5:美光32L 3D NAND扩散级芯片图

图6来自TechInsights拆解分析报告的美光3D NAND芯片横截面图。其中,垂直NAND串由38个闸极层构成,其中32个用于NAND储存单元,其余6个则可能作为虚拟以及选择闸极。该NAND数组是2或3层堆栈的金属互连与晶体管。其中金属层1(即M1)看起来像是由钨制成的,这意味着它可能连接到该NAND数组串的来源选择闸极。而金属层2(M2)似乎用于绕线。但实际的功能还有待我们对该组件进行电路级分析后才能确定。

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图6:美光32L 3D NAND数组横截面

NAND单元结构可在图7中看得更清楚,而且我们已经初步确定了其中的一些分层,包括在整套NAND堆栈中以垂直方向执行的多晶硅环。此多晶硅环构成了垂直通道,周围并围绕着浮动闸与控制闸。其中浮动闸如图中的小圆点,构成中央多晶硅通道周围的连续环状结构。而控制闸与浮动闸之间则由多晶硅层间电介质加以隔离。

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图7:美光NAND单元的横截面图

三星于2014年推出其32L V-NAND垂直NAND闪存,并于2016年紧接着推出48L V-NAND产品。美光则是第二家实现3D NAND商用化的厂商,并采取一种创新的途径,将主动电路放置在NAND数组之下,从而缩小了芯片面积。美光还利用尺寸更大的工艺节点(40nm半位线间距)制造该芯片,这应该能够为其带来较三星V-NAND产品更低的制造成本。

目前,我们还无法断定3D NAND是否较平面NAND更具有制造成本的优势,但三星与美光显然都决定把赌注押在3D NAND产品上。如今的问题在于,海力士(SK Hynix)与东芝(Toshiba)两大市场竞争对手能否也拿出同样具备竞争优势的产品?

(本文发表于EE Times,由EET Taiwan编译)

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