三星48层3D V-NAND闪存技术揭秘

 三星已经连续推出两代立体堆叠3D闪存，分别有24层、32层，并已用于850 EVO、850 Pro等多款固态硬盘产品，2015年8月正式量产首款可应用于固态硬盘（SSD）中的48层3bit MLC 256Gb 3D V-NAND闪存芯片。目前备受瞩目的三星48层V-NAND 3D快闪存储器已经出现在市场上了，TechInsights的拆解团队总算等到了大好机会先睹为快。

　　三星（Samsung）早在2015年8月就发布其256Gb的3位元多级单元（MLC） 3D V-NAND快闪存储器K9AFGY8S0M，并强调将用于各种固态硬碟（SSD），也预计会在2016年初正式上市。这些承诺如今真的实现了，我们得以 在其2TB容量的T3系列mSATA可携式SSD中发现其踪影（如图1）。

　　图1：三星T3 2TB SSD

　　根据TechInsights的拆解，我们在这个SSD上发现了内含4个0.5TB容量K9DUB8S7M封装的双面电路板（如图2）。每一封装中包含的就是我们正想探索的16个48L V-NAND晶粒。

　　图2：三星T3系列2TB SSD正面和背面电路板

　　图3显示这16颗晶粒相互堆叠以及采用传统线键合技术连接的封装横截面。这些晶片的厚度仅40um，着实令人眼睛为之一亮，这或许是我们所见过的封装中最薄 的晶片了。相形之下，我们在2014年拆解三星32L N-NAND中的晶粒约为110um，封装约堆叠4个晶片的高度。

　　我们还看过其它较薄的存储器晶片，包括海力士（Hynix）用于超微（AMD） R9 Fury X绘图卡的HBM1存储器，厚度约为50um，以及在三星以矽穿孔（TSV）互连4个堆叠晶片的DDR4，其中有些DRAM晶粒的厚度约为55um。

　　因此，40um真的是超薄！而且可能逼近于300mm直径晶圆在无需使用承载晶圆（carrier wafer）所能实现的最薄极限。这实在令人印象深刻。

　　图3：16个相互堆叠的三星48L V-NAND

　　图4显示其中的一个256Gb晶粒，压缩了2个5.9mm x 5.9mm的较大NAND快闪存储器组（bank）。我们可以将整个晶片区域划分为大约2，600Mb/mm2的存储器大小，计算出存储器密度总量。相形 之下，三星16nm节点的平面NAND快闪存储器测量约为740MB/mm2。所以，尽管V-NAND采用较大的制程节点（~21nm vs. 16nm），其存储器密度几乎是16nm平面NAND快闪存储器的3.5倍（见表1）。

　　图4：三星256GB的V-NAND——K9AFGD8U0M

　　表1：平面与V-NAND的密度比较

　　我们的48L V-NAND分析才刚刚开始。图5是从存储器阵列部份撷取的SEM横截面，可以看到在此堆叠中有55个闸极层：48个NAND单元层、4个虚拟闸极、2个 SSL和1个GSL。在2个V-NAND串联（string）中，分别都有一个由电荷撷取层和金属闸极围绕的多晶矽环，可在高钨填充的源极触点之间看到。

　　图5：48L V-NAND阵列的SEM横截面

　　图6是V-NAND string顶部的更高倍数放大图。多晶矽环形（NAND string通道）顶部表面是由连接至叠加位元线的钨位元线进行接触。金属字元线、氧化阻障层和电荷撷取层环绕着多晶矽通道层。

　　图6：V-NAND阵列的上半部份

　　我们现在还无法展示这个48L V-NAND阵列的精细结构，因为我们的实验室才刚刚取得这款装置。但是，目前可以提供一些在三星32L V-NAND中发现的特性（如图7）作为参考。

　　形成NAND string通道的多晶矽环形，接触从基板向上伸出的选择性外延生长（SEG）触点。横跨在基板顶部则作为相邻源极线的选择闸极。

　　多晶矽通道层外围环绕着较薄的穿隧电介质，这可能是由原子层沈积（ALD）而形成的。电荷撷取层（通常是氮化矽）与该穿隧电介质接触，并以氧化阻障层加以覆盖，这也可能是由ALD形成的。阻障层氧化物与金属闸极（字元线）环绕着电荷撷取层。

　　对于快闪存储器来说，电荷撷取层是一种相当新颖的设计，因为它通常是采用多晶矽浮闸来储存电荷的。我们看到Spansion在其MirrirBit NOR快闪存储器中采用了氧化矽撷取层，不过，三星可能最先在NAND快闪存储器中使用电荷撷取层。

　　图7：三星32L V-NAND的TEM横截面

　　图8：V-NAND string的TEM平面图，可看到多个环形的分层

　　直到最近，我们只看到三星V-NAND以独立型SSD的形式出现，我们开始猜测最终出现在消费产品之前还需要多长时间。从我们在今年1月的拆解来看，微软 （Microsoft）已经在其Surface Book和Surface Pro 4笔记型电脑中采用了128GB的V-NAND SSD，预计这一等待的时间也不会太久了。

　　我们也在智慧型手机中看到了这种快闪存储器，而且认为已经在三星Galaxy S7（如图9）的通用快闪存储器储存（UFS） NAND快闪存储器中使用了这种技术。相较于其上一代产品——eMMC类型的存储器模组，据称这种32GB的UFS 2.0存储器的功耗更低、尺寸也更小。以往我们预期它会包含某种32L V-NAND，但这应该不会发生了，因为我们发现他们改用16nm NAND快闪存储器作为替代方案。

　　图9：三星32GB UFS 2.0

　　图10：三星16nm平面NAND快闪存储器阵列

　　我们将持续追逐V-NAND在智慧型手机中的踪影。由于三星曾经在2014年首次推出32L V-NAND，也在2016年首次上市48L，预计三星将率先在手机中导入V-NAND。三星目前在韩国以及中国西安都已经有V-NAND晶圆厂了，我们 认为三星将更密切致力于V-NAND，平面NAND微缩也将很快地迈入尾声。