美光科技176层NAND深入解读：电荷捕获、替换栅极和CuA

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来源: EEWORLD

2020年11月，美光科技宣布，其第五代3D NAND闪存技术达到了176层堆叠。预计通过美光全新推出的176层3D NAND闪存技术以及架构，可以大幅度提升数据中心、智能边缘计算以及智能手机存储的应用效能。

176层3D NAND闪存是美光第二代替换栅极(Replacement Gate)架构，是目前全球技术最为先进的NAND节点，相较于前代3D NAND相比，美光176层3D NAND闪存在读取及写入延迟方面提升35%。

日前，EEWORLD邀请到美光科技工艺集成技术开发高级总监Kunal Parekh与美光科技NAND组件产品线高级经理Kevin Kilbuck，二位从技术与市场角度，讲解了176层NAND的创新所在，以及美光对NAND未来发展的看法。

美光科技工艺集成技术开发高级总监Kunal Parekh

美光科技NAND组件产品线高级经理Kevin Kilbuck

技术方面

此次发布的产品属于在工艺与先进架构共同促进的突破实现了此次突破，能否分别详细介绍一下工艺与架构的突破？

Kunal Parekh: 美光通过应用专有的CuA（CMOS-under-array，CMOS阵列下）架构，结合采用替换栅极工艺和新单元结构的新阵列结构，实现了突破性的176层NAND创新。所有这些结合在一起，开创了具有高效CuA 3D架构的176层NAND。  

为了实现从使用浮动栅极单元的96层增加到使用替换栅极和电荷捕获闪存单元的176层，我们必须在工艺技术上取得进步。例如，克服结构高度增加的主要难点是以更高的深宽比蚀刻电极柱，这样，即使高度增加了，也不会导致表面积增大而无法适配器件，而如果适配的不好，会对阵列封装密度产生不利影响。通过美光3D NAND开发和工艺技术团队的努力，我们克服了这一挑战，生产出破纪录的层数，同时实现了裸片尺寸比同类竞争产品小30%——这是一项重大突破！

此外，我们还在低电阻率金属化方面取得了进展，提高了每一层的性能，并在薄膜工艺方面取得了创新，增强了单元介质材料的电性能和物理性能。这些突破再加上阵列设计架构上的进步，以及与美光CuA架构的集成，使得我们的176层NAND在层数上领先于业界，其性能提升也令人难以置信。例如，与上一代大容量浮动栅极NAND（我们的96层NAND）相比，我们的读取和写入延迟都降低了35%以上。

在此次技术突破中，美光发挥了哪些优势？主要解决了哪些问题？

Kunal Parekh: 早在16年前进入NAND市场以来，美光就一直是NAND技术领域的创新者。我们在开发创新单元设计和工艺技术方面有着悠久的历史，这些技术对市场上的固态存储解决方案产生了巨大的影响。美光在世界各地拥有数万名科学家和工程师，致力于开发大家每天使用的内存、存储和加速器技术——从您的手机到汽车，直至云端。我们设计电路、光掩膜技术、工艺技术和封装技术，涵盖从硅片到系统的各个领域。此外，美光拥有世界上最先进的智能工厂，世界经济论坛将我们新加坡和台湾地区工厂加入其Global Lighthouse Network（全球灯塔工厂网络），该网络包括了在应用第四次工业革命技术方面发挥了领导作用的很多领先制造商。

从实验室到晶圆厂，我们对创新高度重视，因而凭借独特的CMOS阵列下架构实现了业界领先的3D NAND单元尺寸。我们还率先开发了阵列堆叠技术，并聚焦于实现向替换栅极架构的过渡。此外，在3D NAND制造方面的投资使我们能够在一个地方集中开展产品工程、技术开发、制造和质量功能质检等工作。我们的NAND卓越中心位于新加坡，正在加速推进3D NAND技术的创新，并将继续扩大规模。这些还只是我们实现业界领先突破的关键优势的一部分。

就解决的问题而言，我们总是希望性能越来越好，因而每个工艺节点都比上一个节点难。每一代工艺都有新的约束和限制，但凭借美光才华横溢的工程师和研究人员的辛勤工作，我们已经能够克服这些问题。例如，从双阵列堆叠中的两个64层阵列发展到两个88层阵列，我们必须克服这种扩展带来的挑战，才能进一步提高位密度，同时提升性能。增加层数让结构更高，这样在占用面积不变的情况下才能产生更多的比特，这也带来了必须要克服的工艺挑战，而我们团队通过出色的工作已经克服了这些挑战。

增加层数还要求在阵列下放置更多的电路，这意味着我们还需要以有效的方式将所有这些电路穿过阵列，连接到相应的NAND存储串。这就要求在我们选择的阵列架构中必须掌握更高的深宽比蚀刻和替换栅极构造。  

可否详细介绍一下替换栅极技术开发史？该技术并不是最新的技术，所以如今的替换栅极技术和以往有何不同？

Kunal Parekh: 美光的3D NAND技术以前依赖于浮动栅极单元技术，其中浮动栅极是用多晶硅制成的，单元的控制栅极也由多晶硅制成。美光创新的将CMOS电路放置在阵列下，同时阵列仍然使用浮动栅极单元架构，进一步提高了我们3D NAND产品的效率。

为实现性能更好的架构，美光研发了一种阵列架构可变的替换栅极NAND工艺。这种阵列架构与CMOS和互连布线集成在一起，以发挥CMOS阵列下的效率优势，同时还结合了具有较低电阻率和增强编程性能的金属栅极。

2020年，我们在128层3D NAND中引入了第一代CuA替换栅极3D NAND，并于2020年4月投入量产。128层NAND的量产爬坡过程很短，因此我们可以专注于快速扩展到176层NAND——128层NAND实际上是为了让我们学习并掌握替换栅极技术。

增加到176层需要进一步改进工艺，改变阵列架构，才能实现这一世界领先的技术。

虽然其他NAND内存供应商开发了金属栅极NAND解决方案，而美光却选择研发一种新架构，具有金属栅极和电荷捕获单元与CuA相结合的优势，从而提高了裸片区的效率。

为了成功地将金属栅极与CuA和电荷捕获单元集成在一起，同时适应所需的相应的写入/读取机制，美光必须不断优化我们的3D NAND架构和工艺技术，以确保这些技术能够顺利地协同工作。电荷捕获、替换栅极和CuA的强大组合切实改进了我们3D NAND的功耗、耐用性和性能等。从人工智能到5G，这些都为当今现代数据密集型工作负载提供了强大的支持。

替换栅极技术在美光内部处于什么地位？未来该技术还有何发展空间和趋势？

Kunal Parekh: 我们将专有的替换栅极技术视为一种创新架构，能够满足对NAND日益增长的需求。传统的浮动栅极NAND技术的局限性给性能和容量设计带来限制。造成这种困难的原因在于单元的几何结构和组成，导致单元间非常复杂的电容耦合，以及更小的电极柱蚀刻要求等问题。  

采用了替换栅极NAND后，性能、电源效率和容量限制都放宽了，从而使我们能够满足未来存储解决方案的需求。美光的替换栅极3D NAND之所以克服了这些限制，是因为它采用了一种高效的设计，使单个单元不受电容噪声的影响，提高了写入性能，并通过减少所需的编程脉冲来提高电源效率。替换栅极NAND更大和更均匀的电极柱蚀刻可实现更高的堆叠，从而增大了数据密度和存储总容量。最终，在不降低性能的情况下增强了耐用性。

因此，我们认为替换栅极是最好的解决方案，原因在于：1）消除堆栈高度限制，提高了存储容量；2）减少了编程时间，降低了算法复杂度，从而最大限度地提高了写入性能和电源效率；3）延长了每个部件的耐用性和使用寿命；4）与我们的CuA技术吻合的很好，显著提高了闪存的性能和灵活性。

这就是为什么替代栅极能够为我们继续快速扩展3D NAND技术奠定坚实的基础。

至于未来发展，随着我们推进闪存创新，为满足当今以数据为中心的企业和新出现的应用场景不断变化的存储需求，我们将继续根据需要来优化替换栅极技术。

可否盘点下在3D闪存领域，美光历史上都有哪些引领市场的技术革新?

Kunal Parekh: 美光的多项技术突破在业界遥遥领先，使得3D NAND的位密度和性能得以快速提升。我们凭借独特的CMOS阵列下架构实现了业界领先的3D NAND单元尺寸。

我们在3D NAND方面一些领先的市场技术突破包括：

2015年：美光在3D NAND中推出业界首创的CuA技术

2016年：美光推出业界密度最高的32层3D NAND，首次批量出货采用了CuA的3D NAND

2017年：美光在NAND中实现阵列堆叠

2018年：美光在市场上推出四层单元（QLC）

2020年：美光推出全球首款176层NAND

未来闪存技术的发展趋势是什么？

Kunal Parekh:  NAND闪存面临的最大挑战是如何持续不断的提高数据密度并降低成本，同时提高系统级的性能和可靠性，而这正是市场所期望的。美光持续致力于创新，从而能够突破这些障碍。

市场方面

此次产品发布对于美光和整个闪存市场来说具有哪些意义？

Kevin Kilbuck: 我们优秀的技术专家已经在176层NAND上取得了前所未有的突破。即使在竞争激烈的环境中，我们也相信我们打下的基础能够保持并扩大我们在未来几代NAND上的创新领导地位。今天的层数远远超出了怀疑论者及其支持者在3D NAND最初从32层开始时所预测到的。这种持续的扩展将确保3D NAND未来几代的超长寿命周期——最终为客户和企业提供更好、更快的闪存，以满足当今数据密集型应用的需求。对于美光来说，从层数、数据密度和量产的启动情况来看，这证明了我们在NAND技术和制造能力等方面是无可争议的领先者。这是纳米制造业的一项伟大成就，也是我们技术专家和工程师出色工作的结果。从NAND直至各个领域，我们真正站在半导体创新的最前沿。

这也说明了3D NAND是各行业的基础构建模块，从各种各样的智能边缘设备到5G智能手机，直至现代云工作负载。我们的确认为这是一种适应性很强的技术，可加速从汽车到云计算等各个行业的创新，并迅速取得成效。由于闪存越来越普及，世界各地的人们都将以某种方式来使用176层NAND技术。这也不仅仅是我们的工程成就，更重要的是，这意味着能为数据生态系统带来价值。176层的强大优势使设备制造商、技术人员和开发人员拥有前所未有的机会去大胆创新和创造。这将开创出我们无法想象的新应用场景。

特别是对于美光，176层NAND将加速并扩大我们在移动、汽车、消费类等各个领域的增长机会。我们拥有业界最广泛的存储和内存产品线，因此，这将进一步增强我们的竞争优势。其独特的功能将提升和拓展我们从5G到人工智能、从边缘到云的各种应用中的存储能力。

在业界，176层3D NAND是满足数据密集型工作负载日益增长的需求的最佳选择，尤其是在传统存储已达到极限的情况下。3D NAND的这一创新无疑将加速闪存的应用，也将使传统存储被迅速淘汰。   

如今闪存市场竞争激烈，美光是如何看待蓝海和红海的？凭借最新闪存，我们可以开辟哪些蓝海市场？

Kevin Kilbuck: 历史已经表明，随着不断的创新和数据密度的增加（以3D层数以及CuA和替换栅极等其他创新来衡量），NAND闪存的市场将继续扩大。例如，以总GB衡量，企业级存储市场目前仍以普通硬盘为主，而不是固态硬盘。美光预计，随着闪存技术的不断创新，固态硬盘的价值定位将不断提升，从而使固态硬盘取代普通硬盘。这将有非常广阔的前景。

但除此之外，我们还不能预测具体的应用前景，因为我们还不知道闪存将带来哪些新的应用场景。一种普遍的误解是，首先会有一些颠覆性的应用，需要有新技术来实现这类应用，然后开发出这些技术以填补空白。然而，在现实中，首先是开发内存、存储和基础设施等支撑技术，然后才出现这些颠覆性的各类应用，并由此发展起来。

对于闪存，我们认为176层NAND为创新提供了无限可能。这一进步使开发者和制造商生态系统能够使用更快、更便宜的NAND闪存开展更多的工作，并制造出更好、更快、更小、更实惠的设备。我们还无法预测广阔的前景中到底有哪些机遇和技术，但我们相信，在最新的闪存和3D NAND的支持下，将出现一些极具颠覆性的技术。