3D-NAND内存自从2013年8月以来已经成功地投入市场。虽然,3D-NAND仍然比平面NAND更昂贵,但大家都期待它将有助于快速地降低NAND的成本,以及取代平面NAND。但这是为什么呢?事实上,3D-NAND仍然存在着目前无法轻易克服的许多问题。

因此,我想在本文中讨论与3D-NAND有关的几个技术议题以及一般对它的误解。首先看看有关3D-NAND的技术问题。

超大单元尺寸:通道孔的长宽比更高,导致较大的单元尺寸。此外,钨丝狭缝为超大有效单元尺寸增加了额外的面积。例如,三星(Samsung)采用15nm节点的32层(32-layer) 3D-NAND具有大约31,000nm2的有效单元大小,可以容纳30个平面NAND单元。

超大字符线步阶:单元堆栈的层数高,导致字符线步阶较大,而且还提高了制程的复杂度以及处理成本。例如,三星的32层3D-NAND在单元边缘的字符线步阶延伸了超过20um。

内存单元效率低:除了钨丝狭缝、字符线步阶以及内存周边逻辑组件以外,内存单元只占芯片面积的40%,明显更低于平面NAND一般约占65%以上的芯片面积。

晶圆总产量低:芯片面积的形成需要沉积超过100个无瑕疵的覆盖层,而要形成闸极与字符线步阶则带来极端的制程复杂度。此外,3D-NAND仍然必须使用双重图案来形成位线,这些问题都将导致晶圆产量减少。

巨大的晶圆厂投资:从平面NAND转型至3D-NAND需要更高3倍至5倍的晶圆厂投资。即使3D-NAND技术成熟了(即从第一代进展到第二代、第三代),整体晶圆厂投资预计仍将维持较平面NAND的生产更高3倍左右。由于工具抑制和维护费用将占整个制造成本的40%至50%,3D-NAND仍然比平面NAND更难以降低制造成本。

不过,您真的认为3D-NAND可在不久的将来降低NAND的成本吗?我想,关于3D-NAND,我们可能存在以下几种误解。

018ednc20170816 图1:256GB SSD的市场价格比较;3D-NAND尚未带来低成本的优势

3D-NAND比平面NAND更便宜约30%:这个说法只有一小部份正确,其他的大多数都误解了。例如,以16nm制程节点来看,美光(Micron)的Crucial MX300固态硬盘(SSD)采用32层堆栈的三层储存单元(TLC)3D-NAND,比采用多层储存单元(MLC)平面NAND的美光Crucial MX200 SSD更便宜30%。然而,在19nm技术节点时,MX300却较采用MLC平面NAND的SanDisk SSD PLUS更昂贵。

堆栈单元层数高可降低每位成本:如果增加堆栈层数,那么,包括单元尺寸、字符线步阶大小、单元效率与低晶圆产能等各种技术问题将会变得更棘手。如图1的SSD价格比较所示,64层SSD的价格比平面NAND更昂贵。当堆栈单元层数超过64层时,诸如电流密度、单元均匀度、薄膜应力、通道孔的深宽比等技术难度将呈指数级攀升。这就好像住在高楼层建筑物的生活费难道会比在低楼层住宅生活更便宜吗?因此,在每位成本与堆栈单元层数之间存在着高度不确定性。

019ednc20170816 图2:对于3D-NAND的期待与现实

3D-NAND具有比平面NAND更高的性能和可靠度。那么,这将有助于增加3D-NAND的价值?这个问题的答案算对,也算不对,端视你拿什么来做比较。如果我们比较TLC平面NAND和TLC 3D-NAND,那么TLC 3D-NAND具有更高的性能与可靠度。然而,单纯以性能和可靠度方面来看,MLC平面NAND更优于TLC 3D NAND。例如,Crucial MX200 (在16nm技术节点,采用MLC平面NAND)比Crucial MX300(采用32层TLC 3D-NAND)具有更好的性能。

随着3D-NAND日趋成熟,3D-NAND将会比平面NAND更便宜:3D-NAND已经从4年前开始量产了,目前,三星每个月为3D-NAND产品生产大约14万片晶圆。根据IHS Markit负责分析NAND市场的NAND闪存技术研究总监Walter Coon介绍,3D-NAND预计将在2017年底以前占所有NAND产量的35%至40%。因此,我们可以说3D-NAND已经成熟了。

过去60年来,半导体IC技术基于一个非常简单的经验法则——摩尔定律(Moore’s Law),取得了令人瞩目的成就。然而,众所周知,这个原则再也不适用于NAND闪存了。因此,大多数的NAND供货商选择了3D-NAND的发展路径,期望追求比平面NAND更低的每位成本。一开始,3D-NAND似乎很自然地成了NAND的选择。然而,3D-NAND至今仍无法达到低成本。

因此,现在应该是业界开始讨论3D-NAND是否会是NAND闪存正确发展路径的最佳时机了。

(原文发表于Aspencore旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:eetimes ;Susan Hong编译)

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