3D NAND究竟出了什么問題？

　　3D NAND存儲器自從2013年8月以來已經(jīng)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(guān)的幾個技術(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)問題。

　　超大單元尺寸：通道孔的長寬比更高，導(dǎo)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(jié)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(shù)高，導(dǎo)致字元線步階較大，而且還提高了制程的復(fù)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。

　　存儲器單元效率低：除了鎢絲狹縫、字元線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制程復(fù)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(dǎo)致晶圓產(chǎn)量減少。

　　巨大的晶圓廠投資：從平面NAND轉(zhuǎn)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(shù)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(yù)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，您真的認為3D NAND可在不久的將來降低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%：這個說法只有一小部份正確，其他的大多數(shù)都誤解了。例如，以16nm制程節(jié)點來看，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(jié)點時，MX300卻較采用MLC平面NAND的SanDisk SSD PLUS更昂貴。

　　堆疊單元層數(shù)高可降低每位元成本：如果增加堆疊層數(shù)，那么，包括單元尺寸、字元線步階大小、單元效率與低晶圓產(chǎn)能等各種技術(shù)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(dāng)堆疊單元層數(shù)超過64層時，諸如電流密度、單元均勻度、薄膜應(yīng)力、通道孔的深寬比等技術(shù)難度將呈指數(shù)級攀升。這就好像住在高樓層建筑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(shù)之間存在著高度不確定性。

　　256GB SSD的市場價格比較;3D NAND尚未帶來低成本的優(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的價值?這個問題的答案算對，也算不對，端視你拿什么來做比較。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看，MLC平面NAND更優(yōu)于TLC 3D NAND。例如，Crucial MX200 (在16nm技術(shù)節(jié)點，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3D NAND日趨成熟，3D NAND將會比平面NAND更便宜：3D NAND已經(jīng)從4年前開始量產(chǎn)了，目前，三星每個月為3D NAND產(chǎn)品生產(chǎn)大約14萬片晶圓。根據(jù)IHS Markit負責(zé)分析NAND市場的NAND快閃存儲器技術(shù)研究總監(jiān)Walter Coon介紹，3D NAND預(yù)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3D NAND已經(jīng)成熟了。

　　過去60年來，半導(dǎo)體IC技術(shù)基于一個非常簡單的經(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，這個原則再也不適用于NAND快閃存儲器了。因此，大多數(shù)的NAND供應(yīng)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(xiàn)在應(yīng)該是業(yè)界開始討論3D NAND是否會是NAND快閃存儲器正確發(fā)展路徑的最佳時機了。

　　對于3D NAND的期待與現(xiàn)實