3D NAND亟待解決的技術問題，你知道答案嗎？

3D NAND閃存是一種新興的閃存類型，通過把內存顆粒堆疊在一起來解決2D或者平面NAND閃存帶來的限制。平面結構的NAND閃存已接近其實際擴展極限，給半導體存儲器行業(yè)帶來嚴峻挑戰(zhàn)。新的3D NAND技術，垂直堆疊了多層數(shù)據(jù)存儲單元，具備卓越的精度?；谠摷夹g，可打造出存儲容量比同類NAND技術高達三倍的存儲設備。該技術可支持在更小的空間內容納更高存儲容量，進而帶來很大的成本節(jié)約、能耗降低，以及大幅的性能提升以全面滿足眾多消費類移動設備和要求最嚴苛的企業(yè)部署的需求。

3D NAND存儲器市場看俏，但幾個有關的技術問題和誤解也隨之而來...

3D NAND存儲器自從2013年8月以來已經成功地投入市場。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?事實上，3D NAND仍然存在著目前無法輕易克服的許多問題。

因此，我想在本文中討論與3D NAND有關的幾個技術議題以及一般對它的誤解。首先看看有關3D NAND的技術問題。

超大單元尺寸：通道孔的長寬比更高，導致較大的單元尺寸。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個平面NAND單元。

超大字元線步階：單元堆疊的層數(shù)高，導致字元線步階較大，而且還提高了制程的復雜度以及處理成本。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20um。

存儲器單元效率低：除了鎢絲狹縫、字元線步階以及存儲器周邊邏輯元件以外，存儲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。

晶圓總產量低：芯片面積的形成需要沉積超過100個無瑕疵的覆蓋層，而要形成閘極與字元線步階則帶來極端的制程復雜度。此外，3D NAND仍然必須使用雙重圖案來形成位元線，這些問題都將導致晶圓產量減少。

巨大的晶圓廠投資：從平面NAND轉型至3D NAND需要更高3倍至5倍的晶圓廠投資。即使3D NAND技術成熟了(即從第一代進展到第二代、第三代)，整體晶圓廠投資預計仍將維持較平面NAND的生產更高3倍左右。由于工具抑制和維護費用將占整個制造成本的40%至50%，3D NAND仍然比平面NAND更難以降低制造成本。

不過，您真的認為3D NAND可在不久的將來降低NAND的成本嗎?我想，關于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%：這個說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)點來看，美光(Micron)的Crucial MX300固態(tài)硬碟(SSD)采用32層堆疊的三層儲存單元(TLC)3D NAND，比采用多層儲存單元(MLC)平面NAND的美光Crucial MX200 SSD更便宜30%。然而，在19nm技術節(jié)點時，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能等各種技術問題將會變得更棘手。如圖1的SSD價格比較所示，64層SSD的價格比平面NAND更昂貴。當堆疊單元層數(shù)超過64層時，諸如電流密度、單元均勻度、薄膜應力、通道孔的深寬比等技術難度將呈指數(shù)級攀升。這就好像住在高樓層建筑物的生活費難道會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的市場價格比較;3D NAND尚未帶來低成本的優(yōu)勢

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的價值?這個問題的答案算對，也算不對，端視你拿什么來做比較。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看，MLC平面NAND更優(yōu)于TLC 3D NAND。例如，Crucial MX200 (在16nm技術節(jié)點，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將會比平面NAND更便宜：3D NAND已經從4年前開始量產了，目前，三星每個月為3D NAND產品生產大約14萬片晶圓。根據(jù)IHS Markit負責分析NAND市場的NAND快閃存儲器技術研究總監(jiān)Walter Coon介紹，3D NAND預計將在2017年底以前占所有NAND產量的35%至40%。因此，我們可以說3D NAND已經成熟了。

過去60年來，半導體IC技術基于一個非常簡單的經驗法則——摩爾定律(Moore’s Law)，取得了令人矚目的成就。然而，眾所周知，這個原則再也不適用于NAND快閃存儲器了。因此，大多數(shù)的NAND供應商選擇了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至今仍無法達到低成本。

因此，現(xiàn)在應該是業(yè)界開始討論3D NAND是否會是NAND快閃存儲器正確發(fā)展路徑的最佳時機了。

對于3D NAND的期待與現(xiàn)實