3D NAND芯片
關注創建者：秀起來 創建時間：2019-01-08
3D NAND芯片的實例教程
長江存儲32層閃存芯片
在2017年年底舉行的第四屆世界互聯網大會上透露，紫光集團董事長趙偉國透露，紫光旗下的長江存儲已經研發出了32層64G的完全自主知識產權的3D NAND芯片；2018年4月的長江存儲生產機臺進場安裝儀式上，趙偉國指出，他們的32層芯片會在2018年年底實現芯片量產；到八月舉辦的Flash Memory Summit上，長江存儲正式公布了其64層3D NAND 芯片的進展，根據報道，這些64層的芯片將會在今年三季度量產。而按照業界預計，到明天，長江存儲將會投入到128層芯片的研發。
同時，長江存儲還對外公布了其全新的3D NAND架構 Xtacking
長江存儲Xtacking架構
據長江存儲官方介紹，采用Xtacking架構，可在一片晶圓上獨立加工負責數據I/O及記憶單元操作的外圍電路。這樣的加工方式有利于選擇合適的先進邏輯工藝，以讓NAND獲取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。存儲單元同樣也將在另一片晶圓上被獨立加工。當兩片晶圓各自完工后，創新的XtackingTM技術只需一個處理步驟就可通過數百萬根金屬VIA(Vertical Interconnect Accesses，垂直互聯通道)將二者鍵合接通電路，而且只增加了有限的成本。
長江存儲CEO楊士寧博士更是指出：“目前，世界上最快的3D NAND I/O速度的目標值是1.4Gbps，而大多數NAND供應商僅能供應1.0 Gbps或更低的速度。利用XtackingTM技術我們有望大幅提升NAND I/O速度到3.0Gbps，與DRAM DDR4的I/O速度相當。這對NAND行業來講將是顛覆性的?！?/span>
展開 前兩天在重慶的國際智能產業博覽會上，紫光集團董事長趙偉國對高通等海外芯片公司開炮，建議這些公司在中國市場上要有遠見一些，給中國企業一口飯吃。同樣在這次的會議上，趙偉國還談到了紫光集團這幾年的成績，尤其是芯片產業上，紫光集團去年出貨芯片34億顆，手機芯片做到了全行業第三，而存儲芯片上明年將量產64層堆棧的128Gb核心3D NAND閃存，還在研發128層堆棧的256Gb核心3D NAND閃存。
在重慶的國際智能產業博覽會上，紫光集團董事長介紹了紫光的一些業績，預計今年在云網業務上營收將達到600億元，其中集成電路業務上營收200億，網絡、計算業務上營收400億元。
在芯片行業，趙偉國提到紫光公司去年共出貨34億顆芯片，其中手機芯片從數量上來看已經是全球第三，僅次于高通、聯發科。在手機芯片業務上，紫光集團主要是子公司紫光展銳，更確切地說就是展訊公司，根據展訊之前公布的數據，2016年他們出貨了手機芯片6.7億套，占全球份額的27%。
除了手機芯片，紫光展銳還是國內最大的智能卡（身份證、社?？ǖ龋?em>芯片供應商，每年出貨六七億套智能卡芯片，份額是第一位的。
在存儲芯片方面，紫光旗下還有收購了武漢新芯科技之后重組的長江存儲，趙偉國透露今年底將會量產32層64Gb核心的3D NAND閃存，明年會量產64層堆棧128Gb核心容量的閃存，同時還在研發128層堆棧的256Gb核心3D NAND閃存。
本月初的FMS 2018國際閃存會議上，長江存儲也首次出席并發表了Xtacking堆棧結構的3D NAND新技術，I/O接口速度可達1.4Gbps，P/E壽命可達3000次。
展開 日本東芝記憶體與合作伙伴西部數據為全新的半導體設施Fab 6 (6號晶圓廠)與記憶體研發中心舉行開幕儀式；東芝記憶體總裁Yasuo Naruke無懼芯片價格下跌疑慮，表示將于9月量產96層3D NAND快閃芯片。
Toshiba 于2017 年2 月開始興建6 號晶圓廠，作為生產3D NAND Flash ( 快閃記憶體) 的專用廠區。Toshiba 與Western Digital 已針對沉積(deposition) 與蝕刻(etching) 等關鍵生產制程部署先進制造設備。新晶圓廠在本月初已開始量產96 層3D NAND Flash。
與6號晶圓廠相毗鄰的記憶體研發中心已于今年3 月開始營運，負責研發并推動3D NAND Flash 的發展工作。
東芝記憶體公司與Western Digital 將持續推動并擴展雙方在記憶體市場的領導地位，積極開發各項計劃以強化競爭力，推動3D NAND Flash 的共同開發，并根據市場趨勢規劃資本的投放。
東芝記憶體公司主席及行政總裁成毛康雄(Yasuo Naruke) 表示：「我們很高興有這個機會能為新一代的3D NAND Flash 開拓更廣闊的市場。6 號晶圓廠和記憶體研發中心能讓我們在3D NAND Flash 市場中維持領先地位，而且我們相信與Western Digital 的合資事業，將協助四日市的工廠繼續生產最先進的記憶體?！?Western Digital 行政總裁Steve Milligan 同時指出：「今天很榮幸能與我們的重要合作伙伴東芝記憶體公司一起為6 號晶圓廠和記憶體研發中心揭開序幕。近20 年來我們合作無間，帶動了NAND Flash 技術的成長和創新。
展開 美光已發布了采用最新技術的第五代176層3D NAND閃存芯片[4]。
圖8.3D NAND閃存芯片的多電路層堆疊結構示意圖
(來源：參考資料2，經作者整理)
在國內，長江存儲2017年7月研制成功了國內首顆3D NAND閃存芯片；2018年三季度32層產品實現量產；2019年三季度64層產品實現量產。目前已宣布成功研發出128層3D NAND閃存芯片系列[3]。長江存儲3D NAND閃存技術的快速發展，得益于其獨創的“把存儲陣列(Cell Array)和外圍控制電路(Periphery)分開制造，再合并封裝在一起”的XtackingTM技術。
圖9.長江存儲的XtackingTM技術演示(來源：長江存儲官網)
據報道，美光最新一代的176層3D NAND將直接取代96層的版本。目前已知的是，美光首批176層3D NAND采用了將雙88層融合到一起的設計(堆疊512Gbit TLC閃存)。該芯片技術換用了電荷陷阱存儲單元的方案，似乎也極大地降低了每一層的厚度。目前176層的裸片僅為45μm，與美光的64層浮柵3D NAND相同。16層裸片堆疊式封裝的厚度不到1.5 mm，適用于大多數移動/存儲卡使用場景[4]。
后記：本文通過光刻技術和芯片制造技術介紹，理清了芯片技術中的材料介質層與電路層的概念，從而更清楚知道什么是2D芯片，什么是3D芯片？也了解到目前的3D閃存芯片，在制造時就可以堆疊集成多達176層的電路層。更甚者，這種3D芯片在封裝時還可以進行多達16層裸片的堆疊封裝。在一塊厚度不到1.5mm的閃存卡中，竟然有多達2816層的電路層在工作，芯片技術的精妙之處可見一斑。
參考資料：
1.Helen，什么是3D NAND？與2D NAND相比有什么優勢？
展開 近日，TECHINSIGHTS 購買了中國武漢長江存儲（YMTC）生產的UNIC2 UNMEN05G21E31BS 32 GB eMMC配件，其中包含一顆256 Gb TLC 3D NAND閃存芯片。
圖片1，YMTC公司生產的UNIC2 UNMEN05G21E31BS
有兩個主要原因導致該產品讓業界特別感興趣，一個是商業，另一個技術。這是第一顆出自中國公司的3D-NAND芯片。利用晶圓鍵合將外圍電路與存儲器陣列進行疊加，其比特密度不會因為增加存儲器外圍電路而降低。長江存儲由中國國有企業清華紫光集團于2016年成立并持有51%的股份。其他股東包括中國國家半導體產業投資基金(National Semiconductor Industry Investment Fund，簡稱“大基金”)。YMTC使用的是由其全資子公司武漢新芯（XMC）在武漢建造的300mm的fab(圖2)。
圖2，武漢新芯廠房
XMC歷史與Spansion公司(現為Cypress公司)緊密合作，利用電荷陷阱存儲技術制造NOR閃存。2017年YMTC成功設計并制造了其第一顆32層的3D NAND閃存芯片，但在中國只有少數USB客戶可以使用。
本文章所采用的芯片是他們的第二代3D-NAND技術，使用“Xtacking”來面對面地連接外圍電路。用于存儲單元操作和I/O的外圍電路使用適合所需I/O速度和功能的CMOS邏輯技術在其他的晶圓上制成。完成后的存儲陣列晶圓片通過數十億個金屬通孔(垂直互連通路)連接到外圍晶圓片，如圖3所示。
圖3，長江存儲Xtacking技術
該部分在2018年的閃存峰會(FMS2018)上已討論過，并獲得了“最佳展示”獎(我們本來可以插入該論文的鏈接，但它沒有出現在會議記錄中)。
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3D NAND芯片的最新內容
據佳能在納米壓印設備未來路線圖顯示，應用將從3D NAND存儲芯片開始，逐漸過度到DRAM，最終實現CPU等邏輯芯片的制造。
圖源：佳能
據了解，佳能目前量產的納米壓印設備，能用于生產15納米的芯片，預計到2025年，能進一步研發出生產5納米芯片的設備。
曾任AI企業首席科學家、存儲芯片大廠3D NAND設計負責人，主要成就包括國內首個大算力可重構存算處理器產品架構（已在互聯網大廠完成原型內測），首個醫療領域專用AI處理器（已落地應用），首個RISC-V/x86/ARM平臺兼容的AI加速編譯器（與阿里平頭哥/芯來合作，已應用），國內首個3D NAND芯片架構與設計團隊建立（與三星對標），國內首個嵌入式閃存編譯器（與臺積電對標，已平臺級應用）。
?? 美光使用 QLC 和 1Tb 3D NAND 芯片出貨 Enterprise SSD。
?? Hyperstone 推出具有人工智能和機器學習功能的閃存控制器。
?? 英特爾對 Optane (3D XPoint) DC Persistent Memory 進行采樣。
?? 中國“大基金”第二階段的目標是超過300億美元的半導體投資。
合作伙伴通過 3D 擴展的進步來增加 3D NAND 芯片的產量，而不是通過增加產能。西部數據技術與戰略總裁 Srinivasan Sivaram 于 2021 年 12 月報告稱，該公司目前的產能方法約為“95% 轉換，5% 新晶圓”，這意味著幾乎所有產品供應需求都通過轉換為新晶圓來滿足技術。對于 3D NAND，這意味著增加芯片上的 NAND 層數，以實現更大的單位面積內存存儲量。
工藝節點的進步和器件結構的改變對集成電路制造設備的工藝精密度、穩定性、一致性提出了更大的挑戰，例如：在 32 層到 48 層 3D NAND 閃存芯片器件結構中深寬比范圍大約在 30:1 到 40:1 之間；而在 64 層到 128 層及更先進閃存芯片器件結構中深寬比范圍可以達到 60:1、70:1 甚至更高，對相關光刻、刻蝕、去膠、清洗、側壁表面處理、氧化等關鍵制造工藝步驟所需的設備性能提出了更嚴格的要求
NF-300H設備：國產首臺應用于新一代三維閃存芯片(3D NAND)生產線上的疊層薄膜沉積設備，擁有自主知識產權。應用于128層及以上3D NAND閃存芯片的生產。
美光已發布了采用最新技術的第五代176層3D NAND閃存芯片[4]。
圖8.3D NAND閃存芯片的多電路層堆疊結構示意圖
在國內，長江存儲2017年7月研制成功了國內首顆3D NAND閃存芯片；2018年三季度32層產品實現量產；2019年三季度64層產品實現量產。目前已宣布成功研發出128層3D NAND閃存芯片系列[3]。
美光已發布了采用最新技術的第五代176層3D NAND閃存芯片[4]。
美光已發布了采用最新技術的第五代176層3D NAND閃存芯片[4]。
圖8.3D NAND閃存芯片的多電路層堆疊結構示意圖
(來源：參考資料2，經作者整理)
在國內，長江存儲2017年7月研制成功了國內首顆3D NAND閃存芯片；2018年三季度32層產品實現量產；2019年三季度64層產品實現量產。目前已宣布成功研發出128層3D NAND閃存芯片系列[3]。
韓國最大的芯片公司三星和SK海力士主要出口商品DRAM和3D NAND存儲芯片，而不是CPU和SoC等高級邏輯芯片。三星當然擁有領先的工藝技術，但它生產的芯片是由其他公司和在世界不同地區開發的。實際上，在韓國，復雜處理器的設計者并不多-甚至三星Exynos SoC的部分產品都是在美國設計的。
4,500億美元的多元化計劃將改變這一狀況。
