3D NAND記憶體自從2013年8月以來已經成功地投入市場。雖然,3D NAND仍然比平面NAND更昂貴,但大家都期待它將有助於快速地降低NAND的成本,以及取代平面NAND。但這是為什麼呢?事實上,3D NAND仍然存在著目前無法輕易克服的許多問題。

因此,我想在本文中討論與3D NAND有關的幾個技術議題以及一般對它的誤解。首先看看有關3D NAND的技術問題。

超大單元尺寸:通道孔的長寬比更高,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)採用15nm節點的32層(32-layer) 3D NAND具有大約31,000nm2的有效單元大小,可以容納30個平面NAND單元。

超大字元線步階:單元堆疊的層數高,導致字元線步階較大,而且還提高了製程的複雜度以及處理成本。例如,三星的32層3D NAND在單元邊緣的字元線步階延伸了超過20um。

記憶體單元效率低:除了鎢絲狹縫、字元線步階以及記憶體周邊邏輯元件以外,記憶體單元只佔晶片面積的40%,明顯更低於平面NAND一般約佔65%以上的晶片面積。

晶圓總產量低:晶片面積的形成需要沉積超過100個無瑕疵的覆蓋層,而要形成閘極與字元線步階則帶來極端的製程複雜度。此外,3D NAND仍然必須使用雙重圖案來形成位元線,這些問題都將導致晶圓產量減少。

巨大的晶圓廠投資:從平面NAND轉型至3D NAND需要更高3倍至5倍的晶圓廠投資。即使3D NAND技術成熟了(即從第一代進展到第二代、第三代),整體晶圓廠投資預計仍將維持較平面NAND的生產更高3倍左右。由於工具抑制和維護費用將佔整個製造成本的40%至50%,3D NAND仍然比平面NAND更難以降低製造成本。

不過,您真的認為3D NAND可在不久的將來降低NAND的成本嗎?我想,關於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%:這個說法只有一小部份正確,其他的大多數都誤解了。例如,以16nm製程節點來看,美光(Micron)的Crucial MX300固態硬碟(SSD)採用32層堆疊的三層儲存單元(TLC)3D NAND,比採用多層儲存單元(MLC)平面NAND的美光Crucial MX200 SSD更便宜30%。然而,在19nm技術節點時,MX300卻較採用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,那麼,包括單元尺寸、字元線步階大小、單元效率與低晶圓產能等各種技術問題將會變得更棘手。如圖1的SSD價格比較所示,64層SSD的價格比平面NAND更昂貴。當堆疊單元層數超過64層時,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難度將呈指數級攀升。這就好像住在高樓層建築物的生活費難道會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高度不確定性。

20170815_3dNAND_NT31P1 256GB SSD的市場價格比較;3D NAND尚未帶來低成本的優勢

3D NAND具有比平面NAND更高的性能和可靠度。那麼,這將有助於增加3D NAND的價值?這個問題的答案算對,也算不對,端視你拿什麼來做比較。如果我們比較TLC平面NAND和TLC 3D NAND,那麼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看,MLC平面NAND更優於TLC 3D NAND。例如,Crucial MX200 (在16nm技術節點,採用MLC平面NAND)比Crucial MX300(採用32層TLC 3D NAND)具有更好的性能。

隨著3D NAND日趨成熟,3D NAND將會比平面NAND更便宜:3D NAND已經從4年前開始量產了,目前,三星每個月為3D NAND產品生產大約14萬片晶圓。根據IHS Markit負責分析NAND市場的NAND快閃記憶體技術研究總監Walter Coon介紹,3D NAND預計將在2017年底以前佔所有NAND產量的35%至40%。因此,我們可以說3D NAND已經成熟了。

過去60年來,半導體IC技術基於一個非常簡單的經驗法則——摩爾定律(Moore’s Law),取得了令人矚目的成就。然而,眾所周知,這個原則再也不適用於NAND快閃記憶體了。因此,大多數的NAND供應商選擇了3D NAND的發展路徑,期望追求比平面NAND更低的每位元成本。一開始,3D NAND似乎很自然地成了NAND的選擇。然而,3D NAND至今仍無法達到低成本。

因此,現在應該是業界開始討論3D NAND是否會是NAND快閃記憶體正確發展路徑的最佳時機了。

20170815_3dNAND_NT31P2 對於3D NAND的期待與現實

編譯:Susan Hong

(參考原文:What’s Wrong With 3D NAND?,by Sang-Yun Lee, CEO, BeSang Inc.)