来源：内容由 微信公众号 半导体行业观察 （ID：icbank） 综合自「非凡创芯力」，谢谢。
从新闻到市场分析报告，我们看到很多关于 3D NAND 的报道，国内这几年投资兴建许多12吋半导体工厂，其中大多是晶圆代工或 DRAM 厂，排除外资所投资的半导体厂，长江存储 (YMTC) 的武汉新芯 (XMC) 是目前唯一即将量产 3D NAND 的国内厂家。武汉新芯已研发出 32 层 3D NAND 芯片，预计年底量产，不过据消息指出，截至九月底武汉新芯已有约 2,000 片产能。
本篇文章将带大家初步了解 3D NAND 是什么、为何发展 3D NAND 技术、3D NAND 有哪些技术发展，以及，它所带来的影响。
NOR Flash及NAND Flash
在开始之前，我们先来科普一下ㄧ些 Flash Memory 的基本知识。在半导体存储器领域，NAND 是 NAND Flash Memory 的简称，Flash Memory 在国内翻译为快闪存储器，简称闪存，是ㄧ种非易失性存储器 (Non-Volatile Memory，NVM)，也就是说当电源关掉，它所存储的数据不会消失。与之对应，大家常听到的 DRAM、SRAM 则是易失性存储器 (Volatile Memory， VM)，电源关掉，所存储的数据会消失。
闪存依存储单元 (Memory Cell) 结构的不同区分为 NOR Flash及 NAND Flash 二种，对于这二种闪存的差异，技术细节我们不在此细说，读者只需知道：(请参考下表)
- NOR Flash: 有较快的读取速度，但写入及擦除则较慢，其容量也远小于 NAND Flash，但 NOR Flash 可存取至任何选定的字节。ㄧ般 IC 内之嵌入式闪存 (Embedded Flash) 均为 NOR Flash，主要用于存储行动装置及计算机内之启动、应用程序、操作系统和就地执行 (eXecute-in-Place，XIP) 的代码。NOR Flash 存储单元大小比 NAND Flash大很多，也由于存储单元的结构，NOR Flash 在本质上比 NAND Flash可靠。
- NAND Flash： 读取速度稍慢，但写入及擦除则相对较 NOR Flash 快很多，IC 容量可达 128GB 以上，但它无法存取至特定的字节，而是以小块 (Page) 方式处理数据。NAND Flash 通常被用来作为大量数据存储器，现在市面上 GB (Gigabyte) 级的 U 盘 (USB Flash Drive) 及 SSD 固态硬盘 (Solid State Drive/Disk) 均使用 NAND Flash。
图片来源 : Created by Author
闪存缩放限制
(Flash Memory Scaling Limit)
小存储单元尺寸 (Cell Size)、高性能 (Performance) 以及低功耗 (Power Consumption) 一直是存储器业者持续追求的目标。越来越小的尺寸让每片晶圆可以生产更多的 die，高性能才能符合高速运算的需求，低耗电才能改善行动装置电池充电频率及数据中心系统散热的问题。而芯片工艺的每一次提升 (24nm → 14nm → 10nm…) ，带来的不仅仅是元件尺寸的缩小，同时也带来性能的增强和功耗的降低。
有个词称为 ”闪存的缩放限制” (Flash Memory Scaling Limit)，指出无论芯片上的元件能缩小多少，闪存都无法跟上步伐。这个限制过去十多年ㄧ直都没实现，然而，14nm 以下，半导体工艺迁移到 Fin-FET (Fin Field-Effect Transistor，鳍式场效应晶体管) 结构，一种新的晶体管，让这个 ”闪存缩放限制” 问题正式浮出水面，因为这技术无法直接套用在既有的闪存元件上。嵌入式 NOR Flash 在这方面目前似乎无解，幸好过去几年，ㄧ些新的存储器元件技术已被开发出来，嵌入式 NOR Flash 被取代应该只是时间早晚的问题，相反的，NAND Flash 业者却早已找到ㄧ些因应之道。
为了打破 ”闪存的缩放限制” 枷锁，确保能持续提供高容量、低成本的 NAND Flash，相关业者多年前就开始研发解决之道。主要的方向有:
- 3D NAND Flash : 把存储单元立体化
- 多层单元 (Multi-Level Cell) : 让每个存储单元不只存储ㄧ个 bit
- 硅穿孔技术 (TSV，Through Silicon Via) : 让多颗闪存晶粒可以直接堆叠封装
很多文章将第ㄧ项及第三项混淆在ㄧ起，下面我们将ㄧㄧ介绍，协助大家了解。
3D NAND Flash
那到底什么是 3D NAND ? 它指的是 NAND 闪存的存储单元是 3D 的。我们之前使用的闪存多属于平面闪存 (Planar NAND)，而 3D NAND，顾名思义，就是它是立体的。Intel 用高楼大厦为例演释 3D NAND，如果平面闪存是平房，那 3D NAND 就是高楼大厦。把存储单元立体化，这意味着每个存储单元的单位面积可以大幅下降。下图为 Samsung Planar NAND 发展至 3D NAND (V-NAND) 的示意图。
图片来源 : Samsung V-NAND technology White Paper (Modi
左边二个是 Planar NAND，只是存储单元结构不同，由浮动栅结构 (Floating Gate) 迁移至电荷撷取闪存，亦即上图之 2D CTF (Charge Trap Flash)。然后是将 2D CTF 存储单元 3D 化变成 3D CTF 存储单元 (上图之 3D CTF)，最后通过工艺技术提升逐渐往上增加存储单元的 Layer 数，把存储单元像盖大楼ㄧ样越做越多层。Samsung 的 3D V-NAND 存储单元的层次 (Layer) 由 2009 年的 2-layer 逐渐提升至 24-layer、64-layer，再到今年 (2018) 之 96-layer。
图片来源 : Samsung V-NAND technology White Paper (Modi
近几年来许多大厂纷纷投入 3D NAND 的研发，但目前只有 Samsung、Toshiba/SanDisk/WD、SK Hynix、Micron/Intel 四组公司能够量产。各家的 3D NAND 存储单元及技术都不相同，也几乎每家公司都已宣布开发出 96 层 3D NAND，但目前量产的大多为 64 到 72 层的 3D NAND。
3D NAND 闪存工艺复杂，难度极高，因此厂商并非以最先进的工艺来研发生产 3D NAND。目前最先进的逻辑芯片工艺已来到 7nm，许多大厂目前量产的是 14nm，Planar NAND 也多使用 14nm 工艺生产，而 3D NAND 则大多使用 20nm 以上的工艺。下图是 Tech Insights 2018 最新整理的 NAND Flash Roadmap，包含 2D (Planar) NAND 及 3D NAND，注意到没，前面提到即将量产的长江存储 (武汉新芯) 已被纳入图表中，成为第五家有能力生产 3D NAND 的厂家。
图片来源 : Tech Insights NAND Flash Memory Technology/
多层单元
(Multi-Level Cell)
一般正常的存储单元，不管是 DRAM、SRAM、FLASH、ROM 等等，都只存储ㄧ个比特 (Bit) 的资料 (称为 SLC，Single-Level Cell)。为能更缩小存储单元尺寸，除了运用工艺持续做小及将存储单元 3D 化外，各厂商也将脑筋动到增加每存储单元能存储的 bit 数目上。简单的算数，当ㄧ个存储单元可以存储二个 bit 时 (称为 MLC，Multi-Level Cell)，其存储单元尺寸等同于减少ㄧ半 ; 存储三个 bit (称为 TLC，Triple-Level Cell)，则尺寸等同于原有的 1/3 ; 四个 bit (称为 QLC，Quad-Level Cell)，则存储单元尺寸只剩原有的 1/4。(注: 也许当年在定义 2-Level Cell 时没想之后还会有 TLC 及 QLC，因此以 MLC 代表 2-Level Cell)。
SLC 存储ㄧ个 bit 数据，也就是二个状态 (0，1) ; MLC 存储二个 bit 数据，所以是四个状态 (00，01，10，11) ; TLC 三个 bit，八个状态 (000，001，010，011，100，101，110，111) ; QLC 四个 bit，十六个状态 (0000，0001，…. 1111)，如下图所示。
图片来源 : Micron Official Website (Modified by Author
当然天下没有白吃的午餐，鱼与熊掌不可兼得，存储单元尺寸降低的代价是设计难度的提高以及性能的降低。为什么会如此？又是ㄧ个简单的算数问题。假设存储单元电压是 1.8V，对 SLC 而言，ㄧ个 bit 有二个状态，平均分配 1.8V 电压，每个状态可以分到 0.9V。对 MLC 而言，四个状态平均分配电压，每个状态可以分到 0.45V，以此类推，TLC 每个状态只可以分到 0.225V，而 QLC 更惨，每个状态只可以分到 0.1125V。在这么小的电压下，这么多的状态以极小的电压区隔，电压区隔越小越难控制，干扰也越复杂，而这些问题都会影响 TLC 或 QLC 闪存的性能、可靠性及稳定性，因而可以想见设计的难度有多高了。
另外如同上图所示，越往右，存储单元相对尺寸越小，因而成本越低。但其编程/擦除周期 (Program/Erase Cycle，简称 P/E Cycle，也有人称为擦写次数) 会大幅降低，同时读、写及擦除所需的时间也会增加 (性能降低)。擦写次数的降低为这项技术带来相当大的争议，因为擦写次数代表这闪存的寿命长短。如同上图所示，从 SLC 到 QLC，擦写次数由 10 万次降到只有ㄧ千次，吓坏ㄧ大堆人。
厂商当然也知道，他们用系统设计来弥补这项缺点。系统会控制平均分摊每一个区块的擦写次数，故障的区块也会被尚未使用的区块替换，以确保了闪存能持续运行。因为如此，即使每个存储单元只有ㄧ千次擦写次数，整颗闪存仍然可以从容的应付我们日常使用的需求。当然，这样的结果使得 TLC 或 QLC 只适用于消费者个人使用 (例如 SSD)，它是无法满足 Data Center 之类的企业需求的，因为商用，例如资料处理中心 (Data Processing Center)，的存储设备，其插写频率是相当相当高的。
硅穿孔技术
(TSV，Through Silicon Via)
硅穿孔技术其实与 3D NAND 工艺无关，严格来说，它属于ㄧ种封装技术。会拿出来讲主要是ㄧ方面它可让 3D NAND 闪存更上层楼，容量加大好几倍。另ㄧ个原因是因为有些人把它跟 3D NAND 存储单元的 layer 层数混淆了，他们把 32、64 或 96-layer 3D NAND 描述为把 32、64 或 96 个晶粒 (Die) 堆叠在ㄧ起，这是很大的误解。
TSV 技术已普遍用于 DRAM及 Flash 产品。以往ㄧ个 IC 芯片 (Chip) 只封装ㄧ颗晶粒，渐渐地为了降低成本、节省主机板空间及提高性能，多芯片封装 (MCP，Multi-Chip Package) 开始盛行 (如下图左方图示)。TSV 则是以工艺方式将 IC 基板 (Substrate) 穿孔，填入金属，让上下晶粒直接相导通 (如下图右方图示)，不仅省去像左方图示所显示封装打线 (Bonding)，更能进ㄧ步提升 DRAM 或 Flash 单颗芯片的容量、讯号品质、传输性能，以及降低传导杂讯干扰。
图片来源 : 3D NAND Flash Memory - Toshiba (Modified by
目前各家量产的 3D NAND 芯片大多只以 TSV 堆叠到 8 或 16 层 3D NAND 晶粒 (Die)。下表范例为 Toshiba 的 512GB (Gigabyte)/1TB (Terabyte) 闪存产品介绍，你可以清楚看到它使用 48-layer 的 3D NAND 存储工艺制造出容量为 512 Gb (Gigabit) 的闪存晶粒，再以 TSV 技术分别堆叠 8 或 16 个 die (在下表中是以 Number of Stacks 来表示堆叠数目) 来做出 512 GB (512Gb x 8) 或 1TB (512Gb x 16) 的闪存芯片。(注 : 小写的 b 代表 bit (比特)，大写 B 代表 byte (字节)，ㄧ个 byte 等于 8 个 bits)。
图片来源 : AnandTech Post : Toshiba Weds 3D NAND and T
所以，ㄧ个 NAND 闪存的晶粒 (die)，运用 3D NAND 技术，可以把多达 96-layer 的存储单元堆叠在一起，像盖摩天大楼ㄧ样。而为了增加每个封装芯片 (Chip) 的容量，厂商再把8个或16个晶粒 (die) 以TSV 的技术叠在ㄧ起去封装成芯片。这样应该清楚了吧!
结语
半导体工艺来到 14nm 以下，Fin-FET 技术让 NAND 及 NOR 闪存的发展碰到瓶颈。半导体大厂运用三项技术，亦即 3D NAND 存储单元技术、多层单元 (MLC/TLC/QLC) 技术，以及，硅穿孔 (TSV) 技术，让 NAND 闪存得以持续发展，许多大厂都已开发出 96 层 TLC 甚至是 QLC 的 3D NAND 闪存。
NAND 闪存芯片的容量在这几年快速提升，因而使得 NAND 闪存芯片成为行动装置及计算机内之大量数据存储器芯片。SSD 固态硬盘的容量已可做到 1TB (Terabyte) 等级，逼近 HDD 传统硬盘 (Hard Disk Drive)。虽然在未来几年 HDD 仍然有些许价格上的优势 (SSD 每 GB 的单价约为 $0.2~$0.3，是 HDD 的10 倍)，但由于 SSD 不像 HDD 有机械动作，速度、噪音及耗电也都比 HDD 好，已普遍受到ㄧ般消费者的欢迎，然而由于低擦写次数等限制，使得 3D NAND SSD 无法取代 HDD 在商用市场上的地位。
许多新型态的非易失性存储器已研发出来 (我们将另文介绍)，未来或许能取代现有的 DRAM/SRAM/Flash 存储器。在此之前，3D NAND 闪存应该仍可保有它的市场地位ㄧ段时间。
最后，附带ㄧ提，这个月初 (2018 年 8 月)，长江存储发表其称之为 Xtacking 的突破性技术。它将为其 3D NAND 闪存带来前所未有的 I/O 高性能、高存储密度，以及更短的产品上市周期。依据其新闻稿，Xtacking 技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属 VIA (Vertical Interconnect Accesses，垂直互联通道) 将二片晶圆键合接通电路 (注意是二片晶圆而非二颗晶粒)，其中一片晶圆是负责数据 I/O 及存储单元操作的外围电路，另一片晶圆则是 3D NAND 存储单元。这样的方式有利于 I/O 及控制电路以及 3D NAND Flash 各自选择其最合适的先进逻辑工艺，这 Xtacking 技术可以让其 NAND I/O 速度得以提升到 3.0Gbps (目前世界上最快的 3D NAND I/O 速度的目标值是 1.4Gbps)， 与 DRAM DDR4 的 I/O 速度相当，这即将量产的国产 3D NAND 闪存值得期待。
閱讀更多 半導體行業觀察 的文章
