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

20160712 teardown NT31P1 圖1:三星T3 2TB SSD

根據TechInsights的拆解,我們在這個SSD上發現了內含4個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48L V-NAND晶粒。

20160712 teardown NT31P2 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採用傳統線鍵合技術連接的封裝橫截面。這些晶片的厚度僅40um,著實令人眼睛為之一亮,這或許是我們所見過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個晶片的高度。

我們還看過其它較薄的記憶體晶片,包括海力士(Hynix)用於超微(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!而且可能逼近於300mm直徑晶圓在無需使用承載晶圓(carrier wafer)所能實現的最薄極限。這實在令人印象深刻。

20160712 teardown NT31P3 圖3:16個相互堆疊的三星48L V-NAND

圖4顯示其中的一個256Gb晶粒,壓縮了2個5.9mm x 5.9mm的較大NAND快閃記憶體組(bank)。我們可以將整個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節點的平面NAND快閃記憶體測量約為740MB/mm2。所以,儘管V-NAND採用較大的製程節點(~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(見表1)。

20160712 teardown NT31P4 圖4:三星256GB的V-NAND——K9AFGD8U0M

20160712 teardown NT31T1 表1:平面與V-NAND的密度比較

我們的48L V-NAND分析才剛剛開始。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個閘極層:48個NAND單元層、4個虛擬閘極、2個SSL和1個GSL。在2個V-NAND串聯(string)中,分別都有一個由電荷擷取層和金屬閘極圍繞的多晶矽環,可在高鎢填充的源極觸點之間看到。

20160712 teardown NT31P5 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。多晶矽環形(NAND string通道)頂部表面是由連接至疊加位元線的鎢位元線進行接觸。金屬字元線、氧化阻障層和電荷擷取層環繞著多晶矽通道層。

20160712 teardown NT31P6 圖6:V-NAND陣列的上半部份

我們現在還無法展示這個48L V-NAND陣列的精細結構,因為我們的實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中發現的特性(如圖7)作為參考。

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

多晶矽通道層外圍環繞著較薄的穿隧電介質,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)與該穿隧電介質接觸,並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)環繞著電荷擷取層。

對於快閃記憶體來說,電荷擷取層是一種相當新穎的設計,因為它通常是採用多晶矽浮閘來儲存電荷的。我們看到Spansion在其MirrirBit NOR快閃記憶體中採用了氧化矽擷取層,不過,三星可能最先在NAND快閃記憶體中使用電荷擷取層。

20160712 teardown NT31P7 圖7:三星32L V-NAND的TEM橫截面

20160712 teardown NT31P8 圖8:V-NAND string的TEM平面圖,可看到多個環形的分層

直到最近,我們只看到三星V-NAND以獨立型SSD的形式出現,我們開始猜測最終出現在消費產品之前還需要多長時間。從我們在今年1月的拆解來看,微軟(Microsoft)已經在其Surface Book和Surface Pro 4筆記型電腦中採用了128GB的V-NAND SSD,預計這一等待的時間也不會太久了。

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。相較於其上一代產品——eMMC類型的記憶體模組,據稱這種32GB的UFS 2.0記憶體的功耗更低、尺寸也更小。以往我們預期它會包含某種32L V-NAND,但這應該不會發生了,因為我們發現他們改用16nm NAND快閃記憶體作為替代方案。

20160712 teardown NT31P9 圖9:三星32GB UFS 2.0

20160712 teardown NT31P10 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。由於三星曾經在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有V-NAND晶圓廠了,我們認為三星將更密切致力於V-NAND,平面NAND微縮也將很快地邁入尾聲。

編譯:Susan Hong

(參考原文:First Look at Samsung’s 48L 3D V-NAND Flash,by Kevin Gibb, Product Line Manager, TechInsights)