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三星48層3D V-NAND快閃存儲器揭密

作者: 時(shí)間:2016-07-13 來(lái)源:eettaiwan 收藏

  備受矚目的48層 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。

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201607/293924.htm

  (Samsung)早在2015年8月就發(fā)布其256Gb的3位元多級單元(MLC) 3D 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: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 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。



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