美光3D NAND创新低成本制程分析

　　美光公司日前开始量产其32层(32L) 3D NAND快闪记忆体，包含该元件的首批商用下游产品之一是Crucial 750GB SATA 2.5寸固态硬碟(SSD)。如图1所示，这款产品的连续读取/写入速度分别高达每秒530MB与每秒510MB;其功耗较一般硬碟驱动器(HDD)改善了90倍，据称也更加耐用。

　　Crucial SSD的售价为200美元，这使其成为笔记型电脑应用最具吸引力的选项，而且我们发现有越来越多的电脑设备开始利用SSD取代传统HDD。HDD也许将逐渐被市场所淘汰，不过必须承认的是各家相关厂商仍致力于使其创新，而且HDD的成本仍较SSD更低廉。因此，我们预计在短期之内，HDD仍将在市场上占据主导地位。

　　图1：美光Crucial CT750MX300SSD1 750GB SSD

　　图2所示为Crucial 750GB SSD的正面与背面电路板拆解图，可以看到其中包含8个美光NAND快闪记忆体封装。这一数量相当于TechInsights在三星(Samsung)T3 2TB SSD中发现4个48层(48L) 3D NAND封装数量的两倍。因此，从封装数的角度来看，三星在每封装中的记忆体容量仍然占据优势。但从晶片层来看是否同样领先于美光?

　　图2：采用美光3D NAND的Crucial SSD产品正面与背面电路板图

　　三星方面已经能够在每个NAND封装中加进16块晶片了，如图3所示。这意味着每块面积为99.8平方毫米的晶片可提供32GB储存容量，或者换算为每平方毫米约320MB。

　　Crucial 750GB SSD中包含8块美光的封装，其中单一封装可容纳2块晶片，面积为165平方毫米。这意味着该记忆体的储存密度为284MB/mm2，低于三星的320MB/mm2。不过三星的最大优势在于其48层结构以及20奈米(nm)半位元线间距，相形之下，美光的40nm半位元线间距更为松散。

　　也许我们应该用三星在此之前推出的32层(32L) V-NAND进行比较，该系列产品发布于2014年，同样采用20nm半位元线间距制造。同时，我们也发现，美光的284MB/mm2位元密度较优于三星在32L V-NAND中实现的127MB/mm2位元密度。

　　图3：三星K9UGB8S7M 48L V-NAND快闪记忆体

　　图4显示三星48L V-NAND晶片脱层后扩散的情形，可看到图中两个大型NAND巨集将晶片一分为二。页面缓冲与周边电路就位于NAND阵列巨集下方。该阵列巨集以垂直NAND串所使用的源极选择电晶体以及源极线触点加以填充。

　　图4：三星48L V-NAND的扩散级晶片图

　　图5显示美光的扩散级晶片图，其布局与三星的晶片差别很大，其中64个巨集涵盖大部份阵列。我们尚未对其进行分析，但我们认为它可能容纳页面缓冲器、行解码器、字元线开关以及可能存在的‘胶合’逻辑。这是一种迥异于三星晶片的设计策略，而且美光还宣称将主动电路放置在记忆体器阵列下方，有助于提高了位元密度，同时也带来更低的晶片制造成本。

　　图5：美光32L 3D NAND扩散级晶片图

　　图6来自TechInsights拆解分析报告的美光3D NAND晶片横截面图。其中，垂直NAND串由38个闸极层构成，其中32个用于NAND储存单元，其余6个则可能作为虚拟以及选择闸极。该NAND阵列是2或3层堆叠的金属互连与电晶体。其中金属层1(即M1)看起来像是由钨制成的，这意味着它可能连接到该NAND阵列串的来源选择闸极。而金属层2(M2)似乎用于绕线。但实际的功能还有待我们对该元件进行电路级分析后才能确定。

　　图6：美光32L 3D NAND阵列横截面

　　NAND单元结构可在图7中看得更清楚，而且我们已经初步确定了其中的一些分层，包括在整套NAND堆叠中以垂直方向执行的多晶矽环。此多晶矽环构成了垂直通道，周围并围绕着浮动闸与控制闸。其中浮动闸如图中的小圆点，构成中央多晶矽通道周围的连续环状结构。而控制闸与浮动闸之间则由多晶矽层间电介质加以隔离。

　　图7：美光NAND单元的横截面图

　　三星于2014年推出其32L V-NAND垂直NAND快闪记忆体，并于2016年紧接着推出48L V-NAND产品。美光则是第二家实现3D NAND商用化的厂商，并采取一种创新的途径，将主动电路放置在NAND阵列之下，从而缩小了晶片面积。美光还利用尺寸更大的制程节点(40nm半位元线间距)制造该晶片，这应该能够为其带来较三星V-NAND产品更低的制造成本。

　　目前，我们还无法断定3D NAND是否较平面NAND更具有制造成本的优势，但三星与美光显然都决定把赌注押在3D NAND产品上。如今的问题在于，海力士(SK Hynix)与东芝(Toshiba)两大市场竞争对手能否也拿出同样具备竞争优势的产品?