美光NAND先進技術部門(Advanced NAND Technology)副總裁Lars Heineck分享美光領先業界的232層3D NAND技術之開發洞見。
半導體產業非常有趣但也充滿挑戰,俗話說「達到顛峰很難,維持顛峰狀態更難」,正是這個產業的寫照。業者必須不斷在物理、化學、製造及創新方面挑戰極限,以進一步提升運算裝置在邏輯元件、記憶體、儲存等方面的效能。試圖開發能使產品尺寸更小、速度更快、更省電、成本更低、容量更大的技術,是我們每天竭力達成的目標。當我們開發出新技術及獨步業界的產品,藉此進入新的境界時,也是回首反思成就的好時機。
美光長期以來獲公認為3D NAND技術領域的領導廠商,我們先前投入量產的業界首創176層替代閘NAND技術就是明證;在那之後,美光持續將先進技術廣泛應用於我們各項儲存產品組合(包括行動裝置、用戶端、車載、智慧邊緣及資料中心等)及各類規格尺寸及介面技術,更彰顯了卓越營運成就。
就在美光持續完善及拓展176層技術應用的同時,我們的團隊也竭力將NAND技術推向新境界。當美光技術與產品執行副總裁Scott DeBoer及美光高層發表美光次世代232層NAND技術時,美光團隊感到非常驕傲。此技術將於2022年底前投入量產。
此獨步業界的232層3D NAND技術首次發表後,目前已開始應用在部分Crucial品牌固態硬碟(SSD)上出貨,下半年還會有更多應用新技術的產品出貨,提供容量更大、密度更高、更省電且每位元成本更低的儲存解決方案。
向上發展而非向外擴張
在跟朋友談到我們的產品時,我發現即使是對相關技術瞭解不深的人,也能輕鬆理解「層數越多越好」的概念,但我在這裡也想要進一步分享此技術進展中的細節,及其對一般大眾的影響。
就3D NAND層數而言,確實是越多層越好。這就像是大城市中寸土寸金的不動產,對於提升使用密度及支援人口增長而言,向外擴大地基屬較不可行且成本效益較低的作法;在許多城市中,替代方案就是在有限的地基上向上發展,開發樓層及單位數較多的摩天高樓與公寓大廈。此作法可以達成更高的使用密度。同樣地,停車位及建築物的水電空調等基礎設施,則會設置於地下樓層,以提高空間使用效率。

美光全新232層設計的基礎,就是我們成功且經實證考驗的CuA(CMOS-under-array)架構,藉此擴增容量、密度、性能及成本效益。將NAND位元記憶單元陣列進行更多層堆疊,可於每平方公釐的矽晶上納入更多位元,因此提高位元密度,並降低每位元成本。
這項獨步業界的232層技術,為美光第六代進入量產階段的NAND產品。前所未有的高層數搭配CuA技術,使美光得以在極小面積上提供每個晶片高達1兆位元(1 terabit)的超大儲存容量。因此,232層NAND裝置上的面積位元密度比上一代176層技術高出45%以上,這是相當驚人的增長!密度提升亦使封裝規格尺寸得以改良,例如全新11.5公釐×13.5公釐封裝尺寸,較上一代晶片的封裝尺寸縮減28%。這表示將會有更多類型的裝置可以搭載大容量、高性能的儲存裝置。
更高性能、更高服務品質
密度提升還不是唯一亮點。232層NAND除了擁有業界最高層數,也是業界最快技術,其背後的一個促成因素,就是NAND快閃記憶體介面(ONFI)的傳輸速率提高至2400MT/s,此新技術比上一代技術快了50%,同樣也是領先業界的成就。另外,寫入與讀取頻寬均有所提升——相較於上一代176層NAND,寫入頻寬增加100%,讀取頻寬則增加75%以上。
為達成儲存與效能方面的改良,必須將3D NAND裝置的分區增加到六個平面,以實現更高的平行處理,從而促成性能提升。市場上目前許多NAND裝置僅具有兩個平面。雖然目前主流設計採用四個平面分區來處理指令及資料分流,但美光仍率先業界推出六平面TLC(三層單元)NAND裝置。
以個別晶粒來看,平行處理能力提升,提高了串列存取與隨機存取的讀、寫性能,使更多讀寫命令可同時發送至NAND裝置。因此,全新232層NAND的六平面架構,加上每平面上數條獨立字元線,也能夠減少讀寫命令之間的衝突,藉此提高服務品質(QoS)。就像高速公路一樣,設置較多車道能夠針對特定地區緩解壅塞並優化車流。
征服新高峰
增加3D NAND快閃記憶體的層數乍聽簡單,其實不然。生產這樣的裝置挑戰重重,需透過數百個步驟才能將裸晶圓加工成晶粒或晶片。
增加堆疊層數的最大挑戰或許是確保各堆疊層的結構一致;結構之一致性對於正確對齊及連結所有堆疊層而言至關重要。此類挑戰不勝枚舉,以下僅分享幾個例子以簡單說明:
- 垂直字元線層間的距離縮減,造成儲存單元與單元間之電容耦合干擾較高,需要加以克服。
- 由於層數較多,柱狀蝕刻製程中的挑戰也因此倍增。
美光採用高度先進之蝕刻及成像技術來創造高深寬比結構,並運用高效替換閘製程來提高零組件性能。
團隊合作
要克服上述挑戰,需要設計、技術開發、系統實現、晶圓製造、測試封裝,及許多其他支援團隊的緊密合作。強化跨職能團隊是打造這類複雜解決方案的成功關鍵。從設計及技術共同優化的觀點而言,必須瞭解製程效果為何,及如何調整設計以使其更為穩健。例如,3D NAND需要其控制器提供先進的資料管理及錯誤修正功能,以提升可靠度。為確保出現製程差異時,仍可符合用電、功率及散熱規格,正確的底層規畫及建模也很重要。
以創新的半導體設計製作原型已經很不容易,將3D NAND技術進行量產又是更大的挑戰。3D NAND單元係以串連形式垂直構建,因此單一單元的瑕疵會影響整個單元串的性能。高深寬比蝕刻講求極高精密度,要透過先進的污染控管措施來減少瑕疵;同時提高電子遷移率及導電性,藉此克服減速問題。
除了美光內部有堅實的專業團隊來推動此一創新,在此同時我們也與代工廠商、材料廠商及供應商密切合作、開發解決方案,如此方能在幾何極限下,精確構建記憶體單元。
新技術SSD即將上市
我們的生活持續數位化,從智慧裝置到智慧邊緣再到雲端,在這過程中,232層NAND技術是一個重要的分水嶺。從支援早期手機的拍照功能,到平板電腦、輕薄型筆記型電腦到穿戴式裝置的推出,固態儲存技術一直是技術發展的關鍵推手。若缺乏儲存應用程式及資料的能力,技術的發展就會受到很大阻礙。
美光團隊很喜歡「業界首創,全球唯一」這個描述,因為它反映出我們追求業界領導地位的決心。隨著堆疊層數的不斷提升,美光打造出位元密度更高、更省電且每位元成本更低的產品。這些改良有助於解鎖數位化、優化及自動化的全新機會。美光在設計、製程及製造方面持續挑戰極限,維持技術領先地位,232層新技術更是進一步提高了此領域技術的標準,也期待新技術激發出無與倫比的產品創新浪潮。