美光公司日前開始量產其32層(32L) 3D NAND快閃記憶體,包含該元件的首批商用下游產品之一是Crucial 750GB SATA 2.5吋固態硬碟(SSD)。如圖1所示,這款產品的連續讀取/寫入速度分別高達每秒530MB與每秒510MB;其功耗較一般硬碟驅動器(HDD)改善了90倍,據稱也更加耐用。

Crucial SSD的售價為200美元,這使其成為筆記型電腦應用最具吸引力的選項,而且我們發現有越來越多的電腦設備開始利用SSD取代傳統HDD。HDD也許將逐漸被市場所淘汰,不過必須承認的是各家相關廠商仍致力於使其創新,而且HDD的成本仍較SSD更低廉。因此,我們預計在短期之內,HDD仍將在市場上佔據主導地位。

20160909 Micron NT31P1 圖1:美光Crucial CT750MX300SSD1 750GB SSD

圖2所示為Crucial 750GB SSD的正面與背面電路板拆解圖,可以看到其中包含8個美光NAND快閃記憶體封裝。這一數量相當於TechInsights在三星(Samsung)T3 2TB SSD中發現4個48層(48L) 3D NAND封裝數量的兩倍。因此,從封裝數的角度來看,三星在每封裝中的記憶體容量仍然佔據優勢。但從晶片層來看是否同樣領先於美光?

20160909 Micron NT31P2 圖2:採用美光3D NAND的Crucial SSD產品正面與背面電路板圖

三星方面已經能夠在每個NAND封裝中加進16塊晶片了,如圖3所示。這意味著每塊面積為99.8平方毫米的晶片可提供32GB儲存容量,或者換算為每平方毫米約320MB。

Crucial 750GB SSD中包含8塊美光的封裝,其中單一封裝可容納2塊晶片,面積為165平方毫米。這意味著該記憶體的儲存密度為284MB/mm2,低於三星的320MB/mm2。不過三星的最大優勢在於其48層結構以及20奈米(nm)半位元線間距,相形之下,美光的40nm半位元線間距更為鬆散。

也許我們應該用三星在此之前推出的32層(32L) V-NAND進行比較,該系列產品發佈於2014年,同樣採用20nm半位元線間距製造。同時,我們也發現,美光的284MB/mm2位元密度較優於三星在32L V-NAND中實現的127MB/mm2位元密度。

20160909 Micron NT31P3 圖3:三星K9UGB8S7M 48L V-NAND快閃記憶體

圖4顯示三星48L V-NAND晶片脫層後擴散的情形,可看到圖中兩個大型NAND巨集將晶片一分為二。頁面緩衝與週邊電路就位於NAND陣列巨集下方。該陣列巨集以垂直NAND串所使用的源極選擇電晶體以及源極線觸點加以填充。

20160909 Micron NT31P4 圖4:三星48L V-NAND的擴散級晶片圖

圖5顯示美光的擴散級晶片圖,其佈局與三星的晶片差別很大,其中64個巨集涵蓋大部份陣列。我們尚未對其進行分析,但我們認為它可能容納頁面緩衝器、行解碼器、字元線開關以及可能存在的‘膠合’邏輯。這是一種迥異於三星晶片的設計策略,而且美光還宣稱將主動電路放置在記憶體器陣列下方,有助於提高了位元密度,同時也帶來更低的晶片製造成本。

20160909 Micron NT31P5 圖5:美光32L 3D NAND擴散級晶片圖

圖6來自TechInsights拆解分析報告的美光3D NAND晶片橫截面圖。其中,垂直NAND串由38個閘極層構成,其中32個用於NAND儲存單元,其餘6個則可能作為虛擬以及選擇閘極。該NAND陣列是2或3層堆疊的金屬互連與電晶體。其中金屬層1(即M1)看起來像是由鎢製成的,這意味著它可能連接到該NAND陣列串的來源選擇閘極。而金屬層2(M2)似乎用於繞線。但實際的功能還有待我們對該元件進行電路級分析後才能確定。

20160909 Micron NT31P6 圖6:美光32L 3D NAND陣列橫截面

NAND單元結構可在圖7中看得更清楚,而且我們已經初步確定了其中的一些分層,包括在整套NAND堆疊中以垂直方向執行的多晶矽環。此多晶矽環構成了垂直通道,周圍並圍繞著浮動閘與控制閘。其中浮動閘如圖中的小圓點,構成中央多晶矽通道周圍的連續環狀結構。而控制閘與浮動閘之間則由多晶矽層間電介質加以隔離。

20160909 Micron NT31P7 圖7:美光NAND單元的橫截面圖

三星於2014年推出其32L V-NAND垂直NAND快閃記憶體,並於2016年緊接著推出48L V-NAND產品。美光則是第二家實現3D NAND商用化的廠商,並採取一種創新的途徑,將主動電路放置在NAND陣列之下,從而縮小了晶片面積。美光還利用尺寸更大的製程節點(40nm半位元線間距)製造該晶片,這應該能夠為其帶來較三星V-NAND產品更低的製造成本。

目前,我們還無法斷定3D NAND是否較平面NAND更具有製造成本的優勢,但三星與美光顯然都決定把賭注押在3D NAND產品上。如今的問題在於,海力士(SK Hynix)與東芝(Toshiba)兩大市場競爭對手能否也拿出同樣具備競爭優勢的產品?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Micron’s 3D NAND Innovative Fabrication Process,by Kevin Gibb)