美光3D NAND創(chuàng)新低成本制程分析

　　美光公司日前開(kāi)始量產(chǎn)其32層(32L) 3D NAND快閃記憶體，包含該元件的首批商用下游產(chǎn)品之一是Crucial 750GB SATA 2.5寸固態(tài)硬碟(SSD)。如圖1所示，這款產(chǎn)品的連續(xù)讀取/寫入速度分別高達(dá)每秒530MB與每秒510MB;其功耗較一般硬碟驅(qū)動(dòng)器(HDD)改善了90倍，據(jù)稱也更加耐用。

　　Crucial SSD的售價(jià)為200美元，這使其成為筆記型電腦應(yīng)用最具吸引力的選項(xiàng)，而且我們發(fā)現(xiàn)有越來(lái)越多的電腦設(shè)備開(kāi)始利用SSD取代傳統(tǒng)HDD。HDD也許將逐漸被市場(chǎng)所淘汰，不過(guò)必須承認(rèn)的是各家相關(guān)廠商仍致力于使其創(chuàng)新，而且HDD的成本仍較SSD更低廉。因此，我們預(yù)計(jì)在短期之內(nèi)，HDD仍將在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　圖1：美光Crucial CT750MX300SSD1 750GB SSD

　　圖2所示為Crucial 750GB SSD的正面與背面電路板拆解圖，可以看到其中包含8個(gè)美光NAND快閃記憶體封裝。這一數(shù)量相當(dāng)于TechInsights在三星(Samsung)T3 2TB SSD中發(fā)現(xiàn)4個(gè)48層(48L) 3D NAND封裝數(shù)量的兩倍。因此，從封裝數(shù)的角度來(lái)看，三星在每封裝中的記憶體容量仍然占據(jù)優(yōu)勢(shì)。但從晶片層來(lái)看是否同樣領(lǐng)先于美光?

　　圖2：采用美光3D NAND的Crucial SSD產(chǎn)品正面與背面電路板圖

　　三星方面已經(jīng)能夠在每個(gè)NAND封裝中加進(jìn)16塊晶片了，如圖3所示。這意味著每塊面積為99.8平方毫米的晶片可提供32GB儲(chǔ)存容量，或者換算為每平方毫米約320MB。

　　Crucial 750GB SSD中包含8塊美光的封裝，其中單一封裝可容納2塊晶片，面積為165平方毫米。這意味著該記憶體的儲(chǔ)存密度為284MB/mm2，低于三星的320MB/mm2。不過(guò)三星的最大優(yōu)勢(shì)在于其48層結(jié)構(gòu)以及20奈米(nm)半位元線間距，相形之下，美光的40nm半位元線間距更為松散。

　　也許我們應(yīng)該用三星在此之前推出的32層(32L) V-NAND進(jìn)行比較，該系列產(chǎn)品發(fā)布于2014年，同樣采用20nm半位元線間距制造。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)，美光的284MB/mm2位元密度較優(yōu)于三星在32L V-NAND中實(shí)現(xiàn)的127MB/mm2位元密度。

　　圖3：三星K9UGB8S7M 48L V-NAND快閃記憶體

　　圖4顯示三星48L V-NAND晶片脫層后擴(kuò)散的情形，可看到圖中兩個(gè)大型NAND巨集將晶片一分為二。頁(yè)面緩沖與周邊電路就位于NAND陣列巨集下方。該陣列巨集以垂直NAND串所使用的源極選擇電晶體以及源極線觸點(diǎn)加以填充。

　　圖4：三星48L V-NAND的擴(kuò)散級(jí)晶片圖

　　圖5顯示美光的擴(kuò)散級(jí)晶片圖，其布局與三星的晶片差別很大，其中64個(gè)巨集涵蓋大部份陣列。我們尚未對(duì)其進(jìn)行分析，但我們認(rèn)為它可能容納頁(yè)面緩沖器、行解碼器、字元線開(kāi)關(guān)以及可能存在的‘膠合’邏輯。這是一種迥異于三星晶片的設(shè)計(jì)策略，而且美光還宣稱將主動(dòng)電路放置在記憶體器陣列下方，有助于提高了位元密度，同時(shí)也帶來(lái)更低的晶片制造成本。

　　圖5：美光32L 3D NAND擴(kuò)散級(jí)晶片圖

　　圖6來(lái)自TechInsights拆解分析報(bào)告的美光3D NAND晶片橫截面圖。其中，垂直NAND串由38個(gè)閘極層構(gòu)成，其中32個(gè)用于NAND儲(chǔ)存單元，其余6個(gè)則可能作為虛擬以及選擇閘極。該NAND陣列是2或3層堆疊的金屬互連與電晶體。其中金屬層1(即M1)看起來(lái)像是由鎢制成的，這意味著它可能連接到該NAND陣列串的來(lái)源選擇閘極。而金屬層2(M2)似乎用于繞線。但實(shí)際的功能還有待我們對(duì)該元件進(jìn)行電路級(jí)分析后才能確定。

　　圖6：美光32L 3D NAND陣列橫截面

　　NAND單元結(jié)構(gòu)可在圖7中看得更清楚，而且我們已經(jīng)初步確定了其中的一些分層，包括在整套NAND堆疊中以垂直方向執(zhí)行的多晶矽環(huán)。此多晶矽環(huán)構(gòu)成了垂直通道，周圍并圍繞著浮動(dòng)閘與控制閘。其中浮動(dòng)閘如圖中的小圓點(diǎn)，構(gòu)成中央多晶矽通道周圍的連續(xù)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。而控制閘與浮動(dòng)閘之間則由多晶矽層間電介質(zhì)加以隔離。

　　圖7：美光NAND單元的橫截面圖

　　三星于2014年推出其32L V-NAND垂直NAND快閃記憶體，并于2016年緊接著推出48L V-NAND產(chǎn)品。美光則是第二家實(shí)現(xiàn)3D NAND商用化的廠商，并采取一種創(chuàng)新的途徑，將主動(dòng)電路放置在NAND陣列之下，從而縮小了晶片面積。美光還利用尺寸更大的制程節(jié)點(diǎn)(40nm半位元線間距)制造該晶片，這應(yīng)該能夠?yàn)槠鋷?lái)較三星V-NAND產(chǎn)品更低的制造成本。

　　目前，我們還無(wú)法斷定3D NAND是否較平面NAND更具有制造成本的優(yōu)勢(shì)，但三星與美光顯然都決定把賭注押在3D NAND產(chǎn)品上。如今的問(wèn)題在于，海力士(SK Hynix)與東芝(Toshiba)兩大市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手能否也拿出同樣具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品?