3D NAND究竟出了什么問題？

3D NAND存儲(chǔ)器市場(chǎng)看俏，但幾個(gè)有關(guān)的技術(shù)問題和誤解也隨之而來(lái)...

3D NAND存儲(chǔ)器自從2013年8月以來(lái)已經(jīng)成功地投入市場(chǎng)。雖然，3D NAND仍然比平面NAND更昂貴，但大家都期待它將有助于快速地降低NAND的成本，以及取代平面NAND。但這是為什么呢?事實(shí)上，3D NAND仍然存在著目前無(wú)法輕易克服的許多問題。

因此，我想在本文中討論與3D NAND有關(guān)的幾個(gè)技術(shù)議題以及一般對(duì)它的誤解。首先看看有關(guān)3D NAND的技術(shù)問題。

超大單元尺寸：通道孔的長(zhǎng)寬比更高，導(dǎo)致較大的單元尺寸。此外，鎢絲狹縫為超大有效單元尺寸增加了額外的面積。例如，三星(Samsung)采用15nm節(jié)點(diǎn)的32層(32-layer) 3D NAND具有大約31,000nm2的有效單元大小，可以容納30個(gè)平面NAND單元。

超大字元線步階：?jiǎn)卧询B的層數(shù)高，導(dǎo)致字元線步階較大，而且還提高了制程的復(fù)雜度以及處理成本。例如，三星的32層3D NAND在單元邊緣的字元線步階延伸了超過(guò)20um。

存儲(chǔ)器單元效率低：除了鎢絲狹縫、字元線步階以及存儲(chǔ)器周邊邏輯元件以外，存儲(chǔ)器單元只占芯片面積的40%，明顯更低于平面NAND一般約占65%以上的芯片面積。

晶圓總產(chǎn)量低：芯片面積的形成需要沉積超過(guò)100個(gè)無(wú)瑕疵的覆蓋層，而要形成閘極與字元線步階則帶來(lái)極端的制程復(fù)雜度。此外，3D NAND仍然必須使用雙重圖案來(lái)形成位元線，這些問題都將導(dǎo)致晶圓產(chǎn)量減少。

巨大的晶圓廠投資：從平面NAND轉(zhuǎn)型至3D NAND需要更高3倍至5倍的晶圓廠投資。即使3D NAND技術(shù)成熟了(即從第一代進(jìn)展到第二代、第三代)，整體晶圓廠投資預(yù)計(jì)仍將維持較平面NAND的生產(chǎn)更高3倍左右。由于工具抑制和維護(hù)費(fèi)用將占整個(gè)制造成本的40%至50%，3D NAND仍然比平面NAND更難以降低制造成本。

不過(guò)，您真的認(rèn)為3D NAND可在不久的將來(lái)降低NAND的成本嗎?我想，關(guān)于3D NAND，我們可能存在以下幾種誤解。

3D NAND比平面NAND更便宜約30%：這個(gè)說(shuō)法只有一小部份正確，其他的大多數(shù)都誤解了。例如，以16nm制程節(jié)點(diǎn)來(lái)看，美光(Micron)的Crucial MX300固態(tài)硬碟(SSD)采用32層堆疊的三層儲(chǔ)存單元(TLC)3D NAND，比采用多層儲(chǔ)存單元(MLC)平面NAND的美光Crucial MX200 SSD更便宜30%。然而，在19nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，MX300卻較采用MLC平面NAND的SanDisk SSD PLUS更昂貴。

堆疊單元層數(shù)高可降低每位元成本：如果增加堆疊層數(shù)，那么，包括單元尺寸、字元線步階大小、單元效率與低晶圓產(chǎn)能等各種技術(shù)問題將會(huì)變得更棘手。如圖1的SSD價(jià)格比較所示，64層SSD的價(jià)格比平面NAND更昂貴。當(dāng)堆疊單元層數(shù)超過(guò)64層時(shí)，諸如電流密度、單元均勻度、薄膜應(yīng)力、通道孔的深寬比等技術(shù)難度將呈指數(shù)級(jí)攀升。這就好像住在高樓層建筑物的生活費(fèi)難道會(huì)比在低樓層住宅生活更便宜嗎?因此，在每位元成本與堆疊單元層數(shù)之間存在著高度不確定性。

256GB SSD的市場(chǎng)價(jià)格比較;3D NAND尚未帶來(lái)低成本的優(yōu)勢(shì)

3D NAND具有比平面NAND更高的性能和可靠度。那么，這將有助于增加3D NAND的價(jià)值?這個(gè)問題的答案算對(duì)，也算不對(duì)，端視你拿什么來(lái)做比較。如果我們比較TLC平面NAND和TLC 3D NAND，那么TLC 3D NAND具有更高的性能與可靠度。然而，單純以性能和可靠度方面來(lái)看，MLC平面NAND更優(yōu)于TLC 3D NAND。例如，Crucial MX200 (在16nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，采用MLC平面NAND)比Crucial MX300(采用32層TLC 3D NAND)具有更好的性能。

隨著3D NAND日趨成熟，3D NAND將會(huì)比平面NAND更便宜：3D NAND已經(jīng)從4年前開始量產(chǎn)了，目前，三星每個(gè)月為3D NAND產(chǎn)品生產(chǎn)大約14萬(wàn)片晶圓。根據(jù)IHS Markit負(fù)責(zé)分析NAND市場(chǎng)的NAND快閃存儲(chǔ)器技術(shù)研究總監(jiān)Walter Coon介紹，3D NAND預(yù)計(jì)將在2017年底以前占所有NAND產(chǎn)量的35%至40%。因此，我們可以說(shuō)3D NAND已經(jīng)成熟了。

過(guò)去60年來(lái)，半導(dǎo)體IC技術(shù)基于一個(gè)非常簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)法則——摩爾定律(Moore’s Law)，取得了令人矚目的成就。然而，眾所周知，這個(gè)原則再也不適用于NAND快閃存儲(chǔ)器了。因此，大多數(shù)的NAND供應(yīng)商選擇了3D NAND的發(fā)展路徑，期望追求比平面NAND更低的每位元成本。一開始，3D NAND似乎很自然地成了NAND的選擇。然而，3D NAND至今仍無(wú)法達(dá)到低成本。

因此，現(xiàn)在應(yīng)該是業(yè)界開始討論3D NAND是否會(huì)是NAND快閃存儲(chǔ)器正確發(fā)展路徑的最佳時(shí)機(jī)了。

對(duì)于3D NAND的期待與現(xiàn)實(shí)

編譯：Susan Hong

(參考原文：What’s Wrong With 3D NAND?，by Sang-Yun Lee, CEO, BeSang Inc.)