三星48層3D V-NAND快閃存儲器揭密

　　備受矚目的三星48層V-NAND 3D快閃記憶體已經(jīng)出現在市場(chǎng)上了，TechInsights的拆解團隊總算等到了大好機會(huì )先睹為快。

　　三星(Samsung)早在2015年8月就發(fā)布其256Gb的3位元多級單元(MLC) 3D V-NAND快閃記憶體K9AFGY8S0M，并強調將用于各種固態(tài)硬碟(SSD)，也預計會(huì )在2016年初正式上市。這些承諾如今真的實(shí)現了，我們得以在其2TB容量的T3系列mSATA可攜式SSD中發(fā)現其蹤影(如圖1)。

　　圖1：三星T3 2TB SSD

　　根據TechInsights的拆解，我們在這個(gè)SSD上發(fā)現了內含4個(gè)0.5TB容量K9DUB8S7M封裝的雙面電路板(如圖2)。每一封裝中包含的就是我們正想探索的16個(gè)48L V-NAND晶粒。

　　圖2：三星T3系列2TB SSD正面和背面電路板

　　圖3顯示這16顆晶粒相互堆疊以及采用傳統線(xiàn)鍵合技術(shù)連接的封裝橫截面。這些晶片的厚度僅40um，著(zhù)實(shí)令人眼睛為之一亮，這或許是我們所見(jiàn)過(guò)的封裝中最薄的晶片了。相形之下，我們在2014年拆解三星32L N-NAND中的晶粒約為110um，封裝約堆疊4個(gè)晶片的高度。

　　我們還看過(guò)其它較薄的記憶體晶片，包括海力士(Hynix)用于超微(AMD) R9 Fury X繪圖卡的HBM1記憶體，厚度約為50um，以及在三星以矽穿孔(TSV)互連4個(gè)堆疊晶片的DDR4，其中有些DRAM晶粒的厚度約為55um。

　　因此，40um真的是超薄!而且可能逼近于300mm直徑晶圓在無(wú)需使用承載晶圓(carrier wafer)所能實(shí)現的最薄極限。這實(shí)在令人印象深刻。

　　圖3：16個(gè)相互堆疊的三星48L V-NAND

　　圖4顯示其中的一個(gè)256Gb晶粒，壓縮了2個(gè)5.9mm x 5.9mm的較大NAND快閃記憶體組(bank)。我們可以將整個(gè)晶片區域劃分為大約2,600Mb/mm2的記憶體大小，計算出記憶體密度總量。相形之下，三星16nm節點(diǎn)的平面NAND快閃記憶體測量約為740MB/mm2。所以，盡管V-NAND采用較大的制程節點(diǎn)(~21nm vs. 16nm)，其記憶體密度幾乎是16nm平面NAND快閃記憶體的3.5倍(見(jiàn)表1)。

　　圖4：三星256GB的V-NAND——K9AFGD8U0M

　　表1：平面與V-NAND的密度比較

　　我們的48L V-NAND分析才剛剛開(kāi)始。圖5是從記憶體陣列部份擷取的SEM橫截面，可以看到在此堆疊中有55個(gè)閘極層：48個(gè)NAND單元層、4個(gè)虛擬閘極、2個(gè)SSL和1個(gè)GSL。在2個(gè)V-NAND串聯(lián)(string)中，分別都有一個(gè)由電荷擷取層和金屬閘極圍繞的多晶矽環(huán)，可在高鎢填充的源極觸點(diǎn)之間看到。

　　圖5：48L V-NAND陣列的SEM橫截面

　　圖6是V-NAND string頂部的更高倍數放大圖。多晶矽環(huán)形(NAND string通道)頂部表面是由連接至疊加位元線(xiàn)的鎢位元線(xiàn)進(jìn)行接觸。金屬字元線(xiàn)、氧化阻障層和電荷擷取層環(huán)繞著(zhù)多晶矽通道層。

　　圖6：V-NAND陣列的上半部份

　　我們現在還無(wú)法展示這個(gè)48L V-NAND陣列的精細結構，因為我們的實(shí)驗室才剛剛取得這款裝置。但是，目前可以提供一些在三星32L V-NAND中發(fā)現的特性(如圖7)作為參考。

　　形成NAND string通道的多晶矽環(huán)形，接觸從基板向上伸出的選擇性外延生長(cháng)(SEG)觸點(diǎn)。橫跨在基板頂部則作為相鄰源極線(xiàn)的選擇閘極。

　　多晶矽通道層外圍環(huán)繞著(zhù)較薄的穿隧電介質(zhì)，這可能是由原子層沈積(ALD)而形成的。電荷擷取層(通常是氮化矽)與該穿隧電介質(zhì)接觸，并以氧化阻障層加以覆蓋，這也可能是由ALD形成的。阻障層氧化物與金屬閘極(字元線(xiàn))環(huán)繞著(zhù)電荷擷取層。

　　對于快閃記憶體來(lái)說(shuō)，電荷擷取層是一種相當新穎的設計，因為它通常是采用多晶矽浮閘來(lái)儲存電荷的。我們看到Spansion在其MirrirBit NOR快閃記憶體中采用了氧化矽擷取層，不過(guò)，三星可能最先在NAND快閃記憶體中使用電荷擷取層。

　　圖7：三星32L V-NAND的TEM橫截面

　　圖8：V-NAND string的TEM平面圖，可看到多個(gè)環(huán)形的分層

　　直到最近，我們只看到三星V-NAND以獨立型SSD的形式出現，我們開(kāi)始猜測最終出現在消費產(chǎn)品之前還需要多長(cháng)時(shí)間。從我們在今年1月的拆解來(lái)看，微軟(Microsoft)已經(jīng)在其Surface Book和Surface Pro 4筆記型電腦中采用了128GB的V-NAND SSD，預計這一等待的時(shí)間也不會(huì )太久了。

　　我們也在智慧型手機中看到了這種快閃記憶體，而且認為已經(jīng)在三星Galaxy S7(如圖9)的通用快閃記憶體儲存(UFS) NAND快閃記憶體中使用了這種技術(shù)。相較于其上一代產(chǎn)品——eMMC類(lèi)型的記憶體模組，據稱(chēng)這種32GB的UFS 2.0記憶體的功耗更低、尺寸也更小。以往我們預期它會(huì )包含某種32L V-NAND，但這應該不會(huì )發(fā)生了，因為我們發(fā)現他們改用16nm NAND快閃記憶體作為替代方案。

　　圖9：三星32GB UFS 2.0

　　圖10：三星16nm平面NAND快閃記憶體陣列

　　我們將持續追逐V-NAND在智慧型手機中的蹤影。由于三星曾經(jīng)在2014年首次推出32L V-NAND，也在2016年首次上市48L，預計三星將率先在手機中導入V-NAND。三星目前在韓國以及中國西安都已經(jīng)有V-NAND晶圓廠(chǎng)了，我們認為三星將更密切致力于V-NAND，平面NAND微縮也將很快地邁入尾聲。