3D NAND究竟出了什么問(wèn)題？

　　3D NAND存儲器自從2013年8月以來(lái)已經(jīng)成功地投入市場(chǎng)。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(shí)上，3D NAND仍然存在著(zhù)目前無(wú)法輕易克服的許多問(wèn)題。

　　因此，我想在本文中討論與3D NAND有關(guān)的幾個(gè)技術(shù)議題以及一般對它的誤解。首先看看有關(guān)3D NAND的技術(shù)問(wèn)題。

　　超大單元尺寸：通道孔的長(cháng)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節點(diǎn)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(gè)平面NAND單元。

　　超大字元線(xiàn)步階：?jiǎn)卧询B的層數高，導致字元線(xiàn)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(xiàn)步階延伸了超過(guò)20um。

　　存儲器單元效率低：除了鎢絲狹縫、字元線(xiàn)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(chǎn)量低：芯片面積的形成需要沉積超過(guò)100個(gè)無(wú)瑕疵的覆蓋層，而要形成閘極與字元線(xiàn)步階則帶來(lái)極端的制程復雜度。此外，3D NAND仍然必須使用雙重圖案來(lái)形成位元線(xiàn)，這些問(wèn)題都將導致晶圓產(chǎn)量減少。

　　巨大的晶圓廠(chǎng)投資：從平面NAND轉型至3D NAND需要更高3倍至5倍的晶圓廠(chǎng)投資。即使3D NAND技術(shù)成熟了(即從第一代進(jìn)展到第二代、第三代)，整體晶圓廠(chǎng)投資預計仍將維持較平面NAND的生產(chǎn)更高3倍左右。由于工具抑制和維護費用將占整個(gè)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(guò)，您真的認為3D NAND可在不久的將來(lái)降低NAND的成本嗎?我想，關(guān)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(gè)說(shuō)法只有一小部份正確，其他的大多數都誤解了。例如，以16nm制程節點(diǎn)來(lái)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(shù)節點(diǎn)時(shí)，MX300卻較采用MLC平面NAND的SanDisk SSD PLUS更昂貴。

　　堆疊單元層數高可降低每位元成本：如果增加堆疊層數，那么，包括單元尺寸、字元線(xiàn)步階大小、單元效率與低晶圓產(chǎn)能等各種技術(shù)問(wèn)題將會(huì )變得更棘手。如圖1的SSD價(jià)格比較所示，64層SSD的價(jià)格比平面NAND更昂貴。當堆疊單元層數超過(guò)64層時(shí)，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(shù)難度將呈指數級攀升。這就好像住在高樓層建筑物的生活費難道會(huì )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之間存在著(zhù)高度不確定性。

　　256GB SSD的市場(chǎng)價(jià)格比較;3D NAND尚未帶來(lái)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(jià)值?這個(gè)問(wèn)題的答案算對，也算不對，端視你拿什么來(lái)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(lái)看，MLC平面NAND更優(yōu)于TLC 3D NAND。例如，Crucial MX200 (在16nm技術(shù)節點(diǎn)，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(zhù)3D NAND日趨成熟，3D NAND將會(huì )比平面NAND更便宜：3D NAND已經(jīng)從4年前開(kāi)始量產(chǎn)了，目前，三星每個(gè)月為3D NAND產(chǎn)品生產(chǎn)大約14萬(wàn)片晶圓。根據IHS Markit負責分析NAND市場(chǎng)的NAND快閃存儲器技術(shù)研究總監Walter Coon介紹，3D NAND預計將在2017年底以前占所有NAND產(chǎn)量的35%至40%。因此，我們可以說(shuō)3D NAND已經(jīng)成熟了。

　　過(guò)去60年來(lái)，半導體IC技術(shù)基于一個(gè)非常簡(jiǎn)單的經(jīng)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(gè)原則再也不適用于NAND快閃存儲器了。因此，大多數的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(kāi)始，3D NAND似乎很自然地成了NAND的選擇。然而，3D NAND至今仍無(wú)法達到低成本。

　　因此，現在應該是業(yè)界開(kāi)始討論3D NAND是否會(huì )是NAND快閃存儲器正確發(fā)展路徑的最佳時(shí)機了。

　　對于3D NAND的期待與現實(shí)