三星48層3D V-NAND快閃存儲器揭密
備受矚目的三星48層V-NAND 3D快閃記憶體已經(jīng)出現(xiàn)在市場上了,TechInsights的拆解團(tuán)隊(duì)總算等到了大好機(jī)會先睹為快。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201607/293924.htm三星(Samsung)早在2015年8月就發(fā)布其256Gb的3位元多級單元(MLC) 3D V-NAND快閃記憶體K9AFGY8S0M,并強(qiáng)調(diào)將用于各種固態(tài)硬碟(SSD),也預(yù)計(jì)會在2016年初正式上市。這些承諾如今真的實(shí)現(xiàn)了,我們得以在其2TB容量的T3系列mSATA可攜式SSD中發(fā)現(xiàn)其蹤影(如圖1)。
圖1:三星T3 2TB SSD
根據(jù)TechInsights的拆解,我們在這個SSD上發(fā)現(xiàn)了內(nèi)含4個0.5TB容量K9DUB8S7M封裝的雙面電路板(如圖2)。每一封裝中包含的就是我們正想探索的16個48L V-NAND晶粒。
圖2:三星T3系列2TB SSD正面和背面電路板
圖3顯示這16顆晶粒相互堆疊以及采用傳統(tǒng)線鍵合技術(shù)連接的封裝橫截面。這些晶片的厚度僅40um,著實(shí)令人眼睛為之一亮,這或許是我們所見過的封裝中最薄的晶片了。相形之下,我們在2014年拆解三星32L N-NAND中的晶粒約為110um,封裝約堆疊4個晶片的高度。
我們還看過其它較薄的記憶體晶片,包括海力士(Hynix)用于超微(AMD) R9 Fury X繪圖卡的HBM1記憶體,厚度約為50um,以及在三星以矽穿孔(TSV)互連4個堆疊晶片的DDR4,其中有些DRAM晶粒的厚度約為55um。
因此,40um真的是超薄!而且可能逼近于300mm直徑晶圓在無需使用承載晶圓(carrier wafer)所能實(shí)現(xiàn)的最薄極限。這實(shí)在令人印象深刻。
圖3:16個相互堆疊的三星48L V-NAND
圖4顯示其中的一個256Gb晶粒,壓縮了2個5.9mm x 5.9mm的較大NAND快閃記憶體組(bank)。我們可以將整個晶片區(qū)域劃分為大約2,600Mb/mm2的記憶體大小,計(jì)算出記憶體密度總量。相形之下,三星16nm節(jié)點(diǎn)的平面NAND快閃記憶體測量約為740MB/mm2。所以,盡管V-NAND采用較大的制程節(jié)點(diǎn)(~21nm vs. 16nm),其記憶體密度幾乎是16nm平面NAND快閃記憶體的3.5倍(見表1)。
圖4:三星256GB的V-NAND——K9AFGD8U0M
表1:平面與V-NAND的密度比較
我們的48L V-NAND分析才剛剛開始。圖5是從記憶體陣列部份擷取的SEM橫截面,可以看到在此堆疊中有55個閘極層:48個NAND單元層、4個虛擬閘極、2個SSL和1個GSL。在2個V-NAND串聯(lián)(string)中,分別都有一個由電荷擷取層和金屬閘極圍繞的多晶矽環(huán),可在高鎢填充的源極觸點(diǎn)之間看到。
圖5:48L V-NAND陣列的SEM橫截面
圖6是V-NAND string頂部的更高倍數(shù)放大圖。多晶矽環(huán)形(NAND string通道)頂部表面是由連接至疊加位元線的鎢位元線進(jìn)行接觸。金屬字元線、氧化阻障層和電荷擷取層環(huán)繞著多晶矽通道層。
圖6:V-NAND陣列的上半部份
我們現(xiàn)在還無法展示這個48L V-NAND陣列的精細(xì)結(jié)構(gòu),因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)室才剛剛?cè)〉眠@款裝置。但是,目前可以提供一些在三星32L V-NAND中發(fā)現(xiàn)的特性(如圖7)作為參考。
形成NAND string通道的多晶矽環(huán)形,接觸從基板向上伸出的選擇性外延生長(SEG)觸點(diǎn)。橫跨在基板頂部則作為相鄰源極線的選擇閘極。
多晶矽通道層外圍環(huán)繞著較薄的穿隧電介質(zhì),這可能是由原子層沈積(ALD)而形成的。電荷擷取層(通常是氮化矽)與該穿隧電介質(zhì)接觸,并以氧化阻障層加以覆蓋,這也可能是由ALD形成的。阻障層氧化物與金屬閘極(字元線)環(huán)繞著電荷擷取層。
對于快閃記憶體來說,電荷擷取層是一種相當(dāng)新穎的設(shè)計(jì),因?yàn)樗ǔJ遣捎枚嗑¢l來儲存電荷的。我們看到Spansion在其MirrirBit NOR快閃記憶體中采用了氧化矽擷取層,不過,三星可能最先在NAND快閃記憶體中使用電荷擷取層。
圖7:三星32L V-NAND的TEM橫截面
圖8:V-NAND string的TEM平面圖,可看到多個環(huán)形的分層
直到最近,我們只看到三星V-NAND以獨(dú)立型SSD的形式出現(xiàn),我們開始猜測最終出現(xiàn)在消費(fèi)產(chǎn)品之前還需要多長時間。從我們在今年1月的拆解來看,微軟(Microsoft)已經(jīng)在其Surface Book和Surface Pro 4筆記型電腦中采用了128GB的V-NAND SSD,預(yù)計(jì)這一等待的時間也不會太久了。
我們也在智慧型手機(jī)中看到了這種快閃記憶體,而且認(rèn)為已經(jīng)在三星Galaxy S7(如圖9)的通用快閃記憶體儲存(UFS) NAND快閃記憶體中使用了這種技術(shù)。相較于其上一代產(chǎn)品——eMMC類型的記憶體模組,據(jù)稱這種32GB的UFS 2.0記憶體的功耗更低、尺寸也更小。以往我們預(yù)期它會包含某種32L V-NAND,但這應(yīng)該不會發(fā)生了,因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)他們改用16nm NAND快閃記憶體作為替代方案。
圖9:三星32GB UFS 2.0
圖10:三星16nm平面NAND快閃記憶體陣列
我們將持續(xù)追逐V-NAND在智慧型手機(jī)中的蹤影。由于三星曾經(jīng)在2014年首次推出32L V-NAND,也在2016年首次上市48L,預(yù)計(jì)三星將率先在手機(jī)中導(dǎo)入V-NAND。三星目前在韓國以及中國西安都已經(jīng)有V-NAND晶圓廠了,我們認(rèn)為三星將更密切致力于V-NAND,平面NAND微縮也將很快地邁入尾聲。
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