3D NAND，1000層_風聞
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據Xtech Nikkei報道，Kioxia 首席技術官 (CTO) Hidefumi Miyajima 表示，該公司計劃到 2031 年批量生產超過 1,000 層的 3D NAND 內存。在東京城市大學舉行的第 71 屆應用物理學會春季會議上的演講中，Miyajima 討論了在 3D NAND 器件中實現超過 1000 層的技術挑戰和解決方案。
增加 3D NAND 器件中的有源層數量是當今提高閃存記錄密度的最佳方法，因此所有 3D NAND 製造商都努力每 1.5 到 2 年就推出新的工藝節點來實現這一目標。每個新節點都會帶來一些挑戰，因為 3D NAND 製造商必須增加層數並橫向和縱向縮小 NAND 單元。這個過程要求製造商在每個新節點都採用新材料，這是一項重大的研發挑戰。
2013年前後，NAND Flash的容量提升方式從小型化轉向分層化。目前，各家公司都在競相量產200層以上的3D NAND（圖1）。小型化的限制是由於器件操作的物理限制和光刻成本的增加，但對於堆疊而言，“如何降低工藝成本已成為與光刻一樣大的問題。”
蝕刻工藝對製造成本的影響特別大。3D NAND 的多層薄膜形成後，通過等離子蝕刻產生大量孔（存儲孔），從頂層貫穿底層。該工藝是通過在孔中沉積氧化膜、氮化膜等來製造多層存儲單元。
內存孔的直徑約為100納米，深度為數微米，因此能夠快速、均勻地鑽出大深寬比孔的蝕刻技術至關重要。每 300mm 晶圓上的存儲孔數量達到數萬億個。
這種蝕刻工藝“大約需要一個小時。因為需要時間，所以需要增加設備數量，使其成為（對於3D NAND）成本最高的工藝”。隨着堆疊層數的增加以及存儲孔的深寬比的增加，蝕刻所需的時間呈指數增長，從而增加了製造成本。均勻加工難度的增加也往往是降低產量的一個因素。
因此，對於Kioxia的第8代產品，我們沒有一次性構建218層，而是採用了分兩步構建的方法。但又增加了新的困難，比如需要將下層和上層的內存孔完美對齊。
如今，Kioxia 最好的 3D NAND 器件是第八代 BiCS 3D NAND 存儲器，具有 218 個有源層和 3.2 GT/s 接口（於 2023 年 3 月首次推出）。這一代引入了一種新穎的CBA（CMOS直接鍵合到陣列）架構，該架構涉及使用最合適的工藝技術單獨製造3D NAND單元陣列晶圓和I/O CMOS晶圓並將它們鍵合在一起。其結果是產品具有增強的位密度和改進的 NAND I/O 速度，這確保了內存可用於構建最好的 SSD。
與此同時，Kioxia 及其製造合作伙伴 Western Digital 尚未披露 CBA 架構的具體細節，例如 I/O CMOS 晶圓是否包括額外的 NAND 外圍電路（如頁緩衝器（page buffers）、讀出放大器和電荷泵）。通過分別生產存儲單元和外圍電路，製造商可以為每個組件利用最高效的工藝技術，隨着行業向串堆疊等方法發展，製造商將獲得更多優勢，串堆疊肯定會用於 1,000 層 3D NAND。
值得注意的是，三星還預計將實現量產級1000層3D NAND。根據2022年9月的報道，該公司目前正在設計第 9 代和第 10 代 V-NAND 並進行原型設計，與當今的技術相比，層密度適當增加。三星目前正在出貨其第七代 176 層 V-NAND，並計劃在今年年底前發佈基於其第八代 230 層設計的 V-NAND 芯片。後者採用 512 Gb 芯片，密度將提高 42%。
但三星正着眼於密度的更大幅度躍升，並預計到 2030 年實現 1,000 層 V-NAND 設計。三星還繼續致力於 QLC（四級單元）技術，希望在提高存儲位的同時提高性能密度。
3D-NAND 的層數有限制嗎？
回顧 2D NAND，它採用平面架構，浮動柵極 (FG) 和外圍電路彼此相鄰。2007年，隨着2D NAND的尺寸達到極限，東芝提出了3D NAND結構。
三星於 2013 年率先向市場推出了所謂的“V-NAND”。
3D 設計引入了多晶硅和二氧化硅的交替層，並將浮動柵極替換為電荷陷阱閃存 (CTF)。這些區別既有技術上的，也有經濟上的。FG 將存儲器存儲在導電層中，而 CTF 將電荷“捕獲”在介電層內。由於製造成本降低，CTF 設計很快成為首選，但當然不是唯一的。
IBM 研究員 Roman Pletka 指出：“儘管所有制造商都轉向電荷陷阱單元架構，但我預計傳統浮柵單元在未來仍將發揮不可忽視的作用，特別是對於容量或保留敏感的用例。”
然而，Hynix 表示，儘管採用了摩天大樓式堆疊的創新，但第一代 3D NAND 設計仍將外圍電路保留在一側。
最終，3D NAND 供應商將外圍電路移至 CTF 下。用 SK Hynix 的術語來説，它現在是 Periphery Under Cell (PUC) 層。一方面，“4D NAND”比 CTF/PUC NAND 更短、更酷。另一方面，這最終是 3D NAND 的另一種變體，單位單元面積更小。針對較小佔地面積的類似設計有不同的商標名稱，例如 Micron 的 CMOS under Array (CuA)。
美光科技在 2022 年 7 月下旬宣佈推出 232 層 NAND，並已投入生產，因此獲得了吹噓的資本。根據該公司的新聞稿，美光表示，其 232 層 NAND 是存儲創新的分水嶺，也是將 3D NAND 生產擴展到 200 層以上的能力的第一個證明。
美光還聲稱 業界最快的 NAND I/O 速度為 2.4 Gbps，與上一代產品相比，每個芯片的寫入帶寬提高了 100%，讀取帶寬提高了 75% 以上。此外，232層NAND包含六平面TLC生產NAND，美光表示這是所有TLC閃存中每個芯片最多的平面，並且每個平面都具有獨立的讀取能力。
業內分析人士認為，這可能是此次公告中最令人印象深刻的部分。由於有六個平面，該芯片的表現就像是六個不同的芯片一樣。
在早幾年的 IEEE IEDM 論壇上，三星的 Kinam Kim 發表了主題演講，他預測到 2030 年將出現 1,000 層閃存。這可能聽起來令人頭暈，但這並不完全是科幻小説。Imec 存儲內存項目總監 Maarten Rosmeulen 表示：“相對 NAND 閃存的歷史趨勢線而言，這一速度已經放緩。” “如果你看看其他公司，比如美光或西部數據，他們在公開聲明中提出的內容，你會發現他們的速度甚至比這還要慢。不同製造商之間也存在一些差異——看起來他們正在延長路線圖，讓它放慢速度。我們相信這是因為維持這個空間的運轉需要非常高的投資。”
儘管如此，競爭風險仍然足夠高，這些投資是不可避免的。“前進的主要方式，主要的乘數，是在堆棧中添加更多層，”Rosmeulen 説。“幾乎沒有空間進行 XY 收縮並縮小內存空洞。這很難做到。也許他們會在這裏或那裏擠壓百分之幾，將孔放得更近，孔之間的縫隙更少等等。但這並不是最大的收益所在。如果你能繼續堆疊更多的層，密度只能以目前的速度顯着提高。”
除了整個過程的核心不可避免的問題之外，進一步堆疊似乎是合理的。
“主要挑戰在於蝕刻，因為你必須蝕刻具有非常高深寬比的非常深的孔，”Rosmeulen 説。“如果你看看上一代的 128 層，這大約是一個 6、7 或 8 微米深的孔，直徑僅為 120 納米左右，具有極高的縱橫比，或者可能更高一點，但並非如此很多。蝕刻技術取得了進步，可以一次性蝕刻更深的孔，但速度不會更快。您無法提高蝕刻速度。因此，如果工藝流程以沉積和蝕刻為主，並且這些工藝步驟沒有提高成本效率，那麼添加更多層就不再能夠有效地降低成本。”
蝕刻也只是多個步驟之一。“除了蝕刻之外，您還需要用非常薄的介電層上下均勻地填充這個孔，”Synopsys 的 Lin 説。“通常，由於晶圓的化學性質，沉積幾納米的層並不容易。在這裏，他們必須一路向下才能填滿。有亞原子層沉積方法，但仍然具有挑戰性。另一個巨大的挑戰是壓力。如果您構建瞭如此多的層並經歷一些蝕刻/沉積/清潔/熱循環，則可能會導致局部和全局應力。在局部，因為鑽孔後，您需要在整個堆棧上切出一條非常深的溝槽。它變成了一座非常高的摩天大樓，而且搖搖欲墜。如果你開始進行一些清洗或其他過程，很多事情都可能發生，導致兩座摩天大樓相互倒塌。那麼你就失去了收益。通過將如此多的材料相互疊加並切割不同的圖案，這可能會產生全局應力並導致晶圓翹曲，這將使其無法在晶圓廠中進行處理，因為晶圓必須是平坦的。
請記住，蝕刻是穿過不同材料層的。
Objective Analysis 的 Handy 表示，三星的解決方案是創建極薄的層。“這對整個行業很有用，因為每個人都使用幾乎相同的工具來創建這些東西。”
結論
2016年，專家指出，由於技術問題，3D NAND可能會在300層或接近300層時失去動力。這似乎已被今天的謹慎樂觀所取代。
“[SK Hynix 的 238 層之後]我預計未來幾年層數將以大致相同的速度增加，”IBM 的 Pletka 表示。“然而，從技術角度來看，由於高深寬比蝕刻工藝，增加層數面臨挑戰，而且資本支出也面臨挑戰，因為製造芯片的時間隨着層數的增加而增加。這就是為什麼我們將看到新的縮放方向，通過製作更薄的層、橫向縮放（例如更密集地放置垂直孔）以及使用更有效的佈局（例如共享位線和邏輯縮放）（例如，使用分柵架構或存儲更多每單元位數）。藉助這些技術，預計 NAND 閃存的存儲密度至少在未來 5 到 10 年內將繼續以類似的速度增長。”
其他人也同意。Objective Analysis 首席分析師吉姆·漢迪 (Jim Handy) 表示：“當人們説我們無法超越這麼多層時，這實際上是沒有物理限制的。” “在半導體領域，總是有人説我們做不到。我們無法進行 20 納米以下的光刻。現在，他們正在研究 1 納米。三星談到了 1,000 層。20年後，我們可能會嘲笑我們曾經認為這已經很多了。”