SSD新范式｜NAND的扩容之路二：3D堆叠，人类的工程奇迹

强驴

2022-09-01 15:33·Solidigm

在《NAND的扩容之路（一）：源自上个世纪的经典路线》中，我们介绍了NAND Flash的微缩和多值化（xLC）。如果把xLC技术视作战力放大器，属于开挂的操作，那么通过堆叠提升密度就是NAND Flash相对于其他平面晶体管为主流的半导体产品的降维打击了。

3D NAND Flash的基本结构

上期的文章中我们提到过，3D NAND Flash是半导体行业中密度最高的产品。甚至，我们可以说它是人类制造/建造过的最为复杂的物体，它在单体中精密构造了数千亿个基本单元。人类最为恢弘复杂的物体——万里长城，所用到的砖块数量还不到10亿。3D NAND Flash绝对是工程上的奇迹。让我们来看看这样的奇迹背后是什么样的构思和挑战的。

在上图中，绿色的是存储单元部分，红色的则是字线（负责存储单元栅极的水平联通）。在3D堆叠中，绿色的存储部分一层一层地平铺、叠加。每层存储单元至少由一层氮化物半导体和一层氧化物绝缘层构成。存储单元会在半导体（绿色）部分构建起来。

细心的读者会留意到，上图左边的2D NAND中，绿色部分是独立的小方块，每个小方块就是一个存储单元。那右图中的存储单元是什么呢？答案就是垂直方向的圆柱体（管道）和绿色部分交界的部分。

这张图展示了每个存储单元的构成。左半部分是2D NAND的存储单元结构，每个单元由硅基底（灰色）、电荷存储层（导体或半导体，由蓝色表现）和控制栅极（绿色）组成。3D NAND当中的每个存储单元，相当于2D NAND单元垂直布置，并旋转了90度，从垂直方向截面看，其实二者是等效的。图中每个3D NAND存储单元在垂直方向的间隔，将通过沉积氧化物绝缘层填充。

灰色部分的多晶硅是“共用”的，在2D NAND中，它被称为硅基底（Substrate-Si），而在3D NAND中，它是“硅通道”（Si Chanel）。硅通道将贯通垂直方向排列的多层存储单元，作用类似于电梯井。可以想象，随着3DNAND堆叠层数的增加，楼层越来越多，这个“电梯井”就会越来越高。实际上，造“电梯”的能力确实直接制约了3D NAND的堆叠潜力。以NAND Flash的容量计，每一层将有数以百亿计的单元，再叠加若干层，组织起来就是下图的效果，相当的“密集恐惧症”。其中所需建造的电梯数量也是数百亿甚至更多的量级。

自2013年开始，NAND Flash走上了垂直堆叠存储单元的路线，从最初的24层一路上升，32层、48层、64层、72层、96层……一直发展到现在的23x层。业内有乐观预计2025年左右会达到500层，2030年左右达到800层。

3D堆叠NAND的优点

1、 存储密度大幅度提升。

存储单元增加垂直方向的堆叠，相当于平房变楼房，容积率大增。同时，由于垂直方向的容量密度提升，同等容量芯片的面积可以持续缩小，譬如SK海力士*最新的238层NAND Flash，512Gb TLC Die面积为35.58mm2，密度为14.39 Gbit/mm2。作为对比，SK海力士* 128层的512Gb TLC Die面积为66.02mm2。在容量相同的情况下，前者的层数为后者的1.86倍，后者的面积恰好也大约是前者的1.86倍。我们大致可以理解为，SK海力士*这两代介质的存储单元工艺基本保持稳定，密度的提升主要来自于堆叠。

我们还可以把目光放在更久远的历史上，如：15nm平面NAND MLC Die的容量密度仅为1.28Gb/mm2，早期32层3D NAND的容量密度为1.87Gb/mm2。在不到十年的时间中，238层3D NAND的容量密度相对2D NAND或者早期3D NAND的，有了大约10倍量级的增长。

芯片面积的缩小，意味着每块晶圆上可以产出更多的颗粒，而且良率可能会更高。更小的芯片面积还可以减少封装后成品的面积，或者提供更好的封装灵活性。

2、 存储单元的寿命有保证。

上期的文章提到过，NAND Flash的擦除操作会对绝缘层造成磨损。平面工艺微缩时，绝缘层也会变薄，对磨损的承受能力也随之下降。3D堆叠路线中，存储单元对尺寸微缩的要求较小，绝缘层厚度相对有保证，存储单元寿命比较稳定。如此一来也就解决了早期NAND密度增加、成本降低但寿命缩短的尴尬，用户对新品迭代的可靠性预期不再下降，相反，随着应用经验的积累，以及控制器纠错能力的提升，用户对SSD越来越放心。对于颗粒生产商而言，暂缓光刻技术研发，专注沉积与蚀刻的工艺、材质，也可以提升开发效率。

3、3D堆叠还实质性地提升了存储单元的吞吐能力。

目前TLC NAND颗粒的接口带宽已经达到2400MT/s，作为对比，2D NAND时代末期，ONFi 3.0定义的介质带宽为400MT/s。换句话说，在大致10年间，NAND颗粒实用的接口带宽有6倍的变化。同期的DRAM颗粒，大致是从DDR4 2133发展到当前的DDR5 5600，约3倍的变化。虽然NAND和DRAM的技术特点不可直接比较，但过去10年中，走3D堆叠路线的NAND获得的密度和性能增长速度均快于走微缩路线的DRAM。

凡是皆有利弊两面，3D堆叠的优点如此突出，那肯定也会有缺点的。毕竟，楼房比平房划算，但楼层并没有高耸入云，日常遇到的以十几层和几十层的楼为主，摩天大楼总归没有普及。因为超高层建筑会面临施工困难、维护昂贵、消防无力的问题。3DNAND Flash肯定也会遇到类似的挑战。接下来的文章，我们会直面堆叠之路的缺点、难点，以及一些跨越瓶颈的实践。

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