據(jù)國(guó)外媒體Xtech Nikkei報(bào)道，日本存儲(chǔ)芯片巨頭鎧俠（Kioxia）首席技術(shù)官（CTO）Hidefumi Miyajima近日在東京城市大學(xué)的應(yīng)用物理學(xué)會(huì)春季會(huì)議上宣布，該公司計(jì)劃到2031年批量生產(chǎn)超過(guò)1000層的3D NAND Flash芯片。

眾所周知，在所有的電子產(chǎn)品中，NAND閃存應(yīng)用幾乎無(wú)處不在。而隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及AI人工智能的發(fā)展，以SSD為代表的大容量存儲(chǔ)產(chǎn)品需求高漲，堆疊式閃存因此而受到市場(chǎng)的青睞。

自三星2013年設(shè)計(jì)出垂直堆疊單元技術(shù)后，NAND廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)便主要集中在芯片層數(shù)上。隨著3D堆疊時(shí)代的到來(lái)，在三星、鎧俠、SK海力士等存儲(chǔ)廠商的不斷推動(dòng)下，NAND Flash閃存堆疊層數(shù)不斷被刷新。

目前，各大廠商的NAND閃存堆疊層數(shù)均已突破200層，并持續(xù)向更高層數(shù)的NAND Flash邁進(jìn)，其中三星和鎧俠更是將目標(biāo)瞄準(zhǔn)1000層。根據(jù)此前的消息，三星計(jì)劃在2024年推出第九代3D NAND（有望達(dá)到280層），2025-2026年推出第十代3D NAND(有望達(dá)到430層），2030年前實(shí)現(xiàn)1000層NAND Flash。


層數(shù)“爭(zhēng)霸賽”

眾所周知，固態(tài)硬盤(pán)的數(shù)據(jù)傳輸速度雖然很快，但售價(jià)和容量還都是個(gè)問(wèn)題。這種寬度為2.5英寸的硬盤(pán)用來(lái)容納存儲(chǔ)芯片的空間較為有限，容量越高的芯片可以增加硬盤(pán)的總體存儲(chǔ)空間，但更高的成本也拉高了硬盤(pán)的售價(jià)。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，英特爾可能已經(jīng)在3D NAND當(dāng)中找到了解決辦法。3D NAND閃存是英特爾和美光的合資企業(yè)所研發(fā)的一種技術(shù)，是一種新興的閃存類(lèi)型，通過(guò)把內(nèi)存顆粒堆疊在一起來(lái)解決2D或者平面NAND閃存帶來(lái)的限制。

平面結(jié)構(gòu)的NAND閃存已接近其實(shí)際擴(kuò)展極限，給半導(dǎo)體存儲(chǔ)器行業(yè)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。新的3D NAND技術(shù)，垂直堆疊了多層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，具備卓越的精度。基于該技術(shù)，可打造出存儲(chǔ)容量比同類(lèi)NAND技術(shù)高達(dá)三倍的存儲(chǔ)設(shè)備。該技術(shù)可支持在更小的空間內(nèi)容納更高存儲(chǔ)容量，進(jìn)而帶來(lái)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(fèi)類(lèi)移動(dòng)設(shè)備和要求最嚴(yán)苛的企業(yè)部署的需求。

2007年，隨著2DNAND達(dá)到其規(guī)模極限，東芝率先提出了3D NAND結(jié)構(gòu)概念。2013年三星則率先推出了其所謂的“V-NAND”，也就是3D NAND。

3D設(shè)計(jì)引入了多晶硅和二氧化硅的交替層，并將浮柵交換為電荷陷阱閃存(CTF)，區(qū)別在于FG將存儲(chǔ)器存儲(chǔ)在導(dǎo)電層中，而CTF將電荷“捕獲”在電介質(zhì)層中。這種3D設(shè)計(jì)方式不僅帶來(lái)了技術(shù)性能的提升，而且還進(jìn)一步控制了成本。

此后，三星不斷更新技術(shù)和擴(kuò)增產(chǎn)業(yè)線，10年間推出了數(shù)代產(chǎn)品，以維護(hù)自己在NAND閃存市場(chǎng)的地位。其中，2020年，三星推出了176層的第七代“V-NAND”，其采用了“雙堆棧”技術(shù)，不是一次性蝕刻所有層，而是將它們分成兩部分，然后一層一層堆疊。

2022年，美光技術(shù)與產(chǎn)品執(zhí)行副總裁 Scott DeBoer 與高管團(tuán)隊(duì)宣布美光下一代 232 層 NAND 閃存將于 2022 年底前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這表明美光團(tuán)隊(duì)在完善和擴(kuò)大 176 層 NAND 技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，同步在努力開(kāi)發(fā)下一代更先進(jìn)的 NAND 技術(shù)。

美光的232 層 NAND是業(yè)界的首款232 層 3D NAND ，這項(xiàng)前沿技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在英睿達(dá)（Crucial）旗下幾款固態(tài)硬盤(pán)上，其他搭載這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品將會(huì)陸續(xù)上市為消費(fèi)者帶來(lái)更大容量、更高密度、更少能耗與更低單位存儲(chǔ)成本的存儲(chǔ)解決方案。

去年5月美光曝光的技術(shù)路線圖顯示，232層之后美光還將發(fā)力2YY、3XX與4XX等更高層數(shù)。

大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)發(fā)展，持續(xù)提升NAND Flash需求，同時(shí)也不斷推動(dòng)著NAND技術(shù)的升級(jí)和迭代，NAND Flash原廠層數(shù)競(jìng)爭(zhēng)或?qū)⒏蛹ち摇?/span>


制造：優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

在早幾年的 IEEE IEDM 論壇上，三星的 Kinam Kim 發(fā)表了主題演講，他預(yù)測(cè)到 2030 年將出現(xiàn) 1,000 層閃存。這可能聽(tīng)起來(lái)令人頭暈，但這并不完全是科幻小說(shuō)。Imec 存儲(chǔ)內(nèi)存項(xiàng)目總監(jiān) Maarten Rosmeulen 表示：“相對(duì) NAND 閃存的歷史趨勢(shì)線而言，這一速度已經(jīng)放緩。” “如果你看看其他公司，比如美光或西部數(shù)據(jù)，他們?cè)诠_(kāi)聲明中提出的內(nèi)容，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們的速度甚至比這還要慢。不同制造商之間也存在一些差異——看起來(lái)他們正在延長(zhǎng)路線圖，讓它放慢速度。我們相信這是因?yàn)榫S持這個(gè)空間的運(yùn)轉(zhuǎn)需要非常高的投資。”

盡管如此，競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)仍然足夠高，這些投資是不可避免的。“前進(jìn)的主要方式，主要的乘數(shù)，是在堆棧中添加更多層，”Rosmeulen 說(shuō)。“幾乎沒(méi)有空間進(jìn)行 XY 收縮并縮小內(nèi)存空洞。這很難做到。也許他們會(huì)在這里或那里擠壓百分之幾，將孔放得更近，孔之間的縫隙更少等等。但這并不是最大的收益所在。如果你能繼續(xù)堆疊更多的層，密度只能以目前的速度顯著提高。”

除了整個(gè)過(guò)程的核心不可避免的問(wèn)題之外，進(jìn)一步堆疊似乎是合理的。

“主要挑戰(zhàn)在于蝕刻，因?yàn)槟惚仨毼g刻具有非常高深寬比的非常深的孔，”Rosmeulen 說(shuō)。“如果你看看上一代的 128 層，這大約是一個(gè) 6、7 或 8 微米深的孔，直徑僅為 120 納米左右，具有極高的縱橫比，或者可能更高一點(diǎn)，但并非如此很多。蝕刻技術(shù)取得了進(jìn)步，可以一次性蝕刻更深的孔，但速度不會(huì)更快。您無(wú)法提高蝕刻速度。因此，如果工藝流程以沉積和蝕刻為主，并且這些工藝步驟沒(méi)有提高成本效率，那么添加更多層就不再能夠有效地降低成本。”

蝕刻也只是多個(gè)步驟之一。“除了蝕刻之外，您還需要用非常薄的介電層上下均勻地填充這個(gè)孔，”Synopsys 的 Lin 說(shuō)。“通常，由于晶圓的化學(xué)性質(zhì)，沉積幾納米的層并不容易。在這里，他們必須一路向下才能填滿。有亞原子層沉積方法，但仍然具有挑戰(zhàn)性。另一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是壓力。如果您構(gòu)建了如此多的層并經(jīng)歷一些蝕刻/沉積/清潔/熱循環(huán)，則可能會(huì)導(dǎo)致局部和全局應(yīng)力。在局部，因?yàn)殂@孔后，您需要在整個(gè)堆棧上切出一條非常深的溝槽。它變成了一座非常高的摩天大樓，而且搖搖欲墜。如果你開(kāi)始進(jìn)行一些清洗或其他過(guò)程，很多事情都可能發(fā)生，導(dǎo)致兩座摩天大樓相互倒塌。那么你就失去了收益。通過(guò)將如此多的材料相互疊加并切割不同的圖案，這可能會(huì)產(chǎn)生全局應(yīng)力并導(dǎo)致晶圓翹曲，這將使其無(wú)法在晶圓廠中進(jìn)行處理，因?yàn)榫A必須是平坦的。

請(qǐng)記住，蝕刻是穿過(guò)不同材料層的。

Objective Analysis 的 Handy 表示，三星的解決方案是創(chuàng)建極薄的層。“這對(duì)整個(gè)行業(yè)很有用，因?yàn)槊總€(gè)人都使用幾乎相同的工具來(lái)創(chuàng)建這些東西。”

NAND Flash價(jià)格回漲

受消費(fèi)電子市場(chǎng)需求不振、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)逆風(fēng)等因素影響，存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)了較為漫長(zhǎng)的低迷時(shí)期。其中NAND Flash產(chǎn)品合約價(jià)自2022年第三季開(kāi)始連續(xù)四個(gè)季度下跌，直到2023年第三季開(kāi)始起漲。隨后，自2023年第四季度開(kāi)始，存儲(chǔ)器市場(chǎng)開(kāi)始逐漸反彈，NAND Flash價(jià)格也開(kāi)始回漲。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)TrendForce集邦咨詢表示，除了鎧俠（Kioxia）和西部數(shù)據(jù)（WDC）自今年第一季起提升產(chǎn)能利用率外，其它供應(yīng)商大致維持低投產(chǎn)策略。盡管第二季NAND Flash采購(gòu)量較第一季小幅下滑，但整體市場(chǎng)氛圍持續(xù)受供應(yīng)商庫(kù)存降低，以及減產(chǎn)效應(yīng)影響，預(yù)估第二季NAND Flash合約價(jià)將強(qiáng)勢(shì)上漲約13~18%。

從各品類(lèi)來(lái)看，集邦咨詢預(yù)估，2024年第二季度，Enterprise SSD合約價(jià)漲幅為全線產(chǎn)品最高，季增20~25%；eMMC、UFS、Client SSD合約價(jià)將分別季增10~15%，NAND Flash Wafer漲幅則較第一季大幅收斂，預(yù)估季增5~10%。