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。
