西部数据季超：3D NAND 技术详解

2019年5月9日，由西部数据公司与盖世汽车联合主办的2019汽车智能化关键技术论坛隆重召开。本次论坛汇集了行业领先的汽车系统解决方案提供商、汽车制造商和行业分析师，旨在为行业搭建一个技术交流和沟通的平台，共话智能汽车技术发展趋势，构建智能汽车及自动驾驶商务生态圈。下面是西部数据公司资深现场应用工程师季超在论坛上的发言：

图中人物为：西部数据公司资深现场应用工程师 季超

大家好，接下来，请允许我给大家分享一下西部数据在3D  NAND这一领域的一些经验和案例。

为了帮助大家更好的理解为什么NAND FLASH发展到今天必须要做到3D的工艺，我们有必要回顾一下NAND在2D时代经历了什么？这里面有一些半导体的内容，对不是业界的伙伴会觉得有点跨界，但是大家不用太焦虑，我尽量用深入浅出的说法给大家做介绍，能用图片尽量不用文字。

一个12英寸NAND晶圆，里面的单元结构拿出来看就是这个样子——像三明治的结构，上面是栅极，中间是一个浮动栅级，浮动栅级是精华所在，存了电子代表O，不存代表1，这和我们平常的观念有一些不同，读取1的时候，栅极稍加电压，沟道里面就有电子流动了。

打一个简单的比方，相当于有一个水管，上面压了一个容器，比如说是一个水桶，是一个空的水桶的情况下，只要稍微用一点力气就可以提起这个水桶，管道就接通，电路连通，那么我们就知道，原来水桶是空的，没有电子，代表信息1。

当浮动三级里面存储到了电子以后，电子会有电场，会抵消到上面开启的控制电压产生的电场，这样的情况下，再加上1V的电压就建立不起来了，就好比水桶里面已经装满了水，用刚才的力气还提的动吗？提不起来了。

有没有办法呢？当然有，用更大的力气把装满水的水桶提起来，这里给大家一个思考题，一个崭新的U盘里面全是空白，写满数据是变重还是变轻？还是一点都没变？这个大家可以思考一下。

还有一个问题，这个结构大家想想，可靠吗？会不会发生数据的丢失或者是数据的反转？对应到刚才的，比如说桶会不会漏水？桶里面的水会不会蒸发？当这里面的电子逃逸掉之后，是不是这里的存储的消息会丢失？显然， NAND是有这方面的敏感特性的，所以里面的存储数据是需要做一定的保护的。

刚才介绍了存储的基本单元，那么这里简单介绍一下这些基础单元是怎么连接起来的。在半导体界历来有两个流派，一个是NOR  FLASH，完全是通过并联的方式连接起来，并联的方式产生逻辑或非关系，就是NOT OR的逻辑关系，简称NOR。NAND则正相反，完全是串联，连成一串，当A和B同时开通的时候是一种与非的NOT AND逻辑关系，所以简称 NAND。

NAND的物理连接架构，大家可以发现更简单，只要工艺有保障，完全可以一连串的做下去，做的很大。这样，在高密度集成方面不需要像NOR  Flash那样复杂。

简单的来看一下存储器里面的 NAND的颗粒里面的具体结构、分层。这个话题在前面张丹女士也有提到，所有的存储器里面，具体的存储颗粒就是指甲盖这么大小，我们会发现真正用来做控制线的电路实际上只占很小的一部分，分成两个区，里面每一块区域分割成了这么多的Block，同时后面会看到，会有一些备损的block，前面的发生磨损损坏，用逻辑映射的方式可以进行替换，每一个Block又分成一连串的页叫Page，现在主流的Page大小已经是4K，甚至是还有8K，

NAND也是集成电路，只要是集成，就逃不开摩尔定律， NAND工艺的演进，在2002年的时候，还是主流的用160纳米工艺，可以刻出160纳米款的槽，一路高歌猛进到了2008年43纳米，再想向下渗透进入到更深的亚微米的时代就很难了。在2010年以后，工厂提出了三步走的计划，分别是1Xnm，1Ynm，1Znm，后来经过生产的证实，在19纳米是一个阶段，到2014年实现的1Z=15纳米稳定工艺。

大家可以发现，经过了这么密集的演进之后，会有什么问题？首先是每一单元之间靠的非常的近，会产生一些电磁的干扰，一个单元进行编写的时候或多或少影响到隔壁的 NAND的存储。2014年以后，2D平面工艺已经走到尽头，没有再提升了，于是这里就从15年开始，引入了3D技术。

这个图给大家演示的是指甲盖大小的地方能做出的容量，在02年的时候能买到一个256M的优盘就已经很大了，到今天，256G已经不是很难见到，为什么容量会有这么大的提升？因为半导体的工艺一路演进。

张丹已经讲过，因为我们需要的住房单元太多，造平房已经没有办法满足需求，所以要造摩天大楼。在半导体里面，怎么样把原来的横向的连接的 NAND的串，做到纵向连接呢？下面会有详细的讲解，主体的是在晶圆的垂直方向上，用化学蚀刻打井的方式来做。

这个是详细的介绍——单独的垂直的 NAND的解剖结构，大家可以发现，这个位置是相当于把原先的三明治结构的做了一个360度的旋转，通过离子注入和扩散的方式，做出一个一个的节点来。那么所谓的48层的 3D NAND，就是在这么一个深度的井里做出48个 NAND的存储节点，两端还有控制开关。为了追求更大的存储容量，垂直方向引入了String的概念，每一个String有一定的数量的，比如说32，64、128个这样的单独的垂直井，把它归为一个String，来控制。为了获得更大的容量，我们蚀刻工艺打井的方式是错位排列，并不是严格的平行排列，更好的利用平面的面积。

纵向切开一个化学蚀刻的井看内部的细分结构，我们可以看到，它实际上包含了这么一个多晶硅的内核，外面通过扩散的方式，先扩散形成这么一个氮化硅的隧道隔离层，热电子存储的位置大概有7.4纳米，在中间的位置。上面用氧化铝覆盖，并用二氧化硅做绝缘，做出控制器。整个物理结构外面包着一个控制栅极，中间夹着一个热电子存储层，还有多晶硅层，形成纵向的串联。

这个图解释了以前是平面的 NAND，怎么样在纵向上是一层一层的叠加，把它容量做到是以前的很多倍的。2D和3D NAND结构不一样，原来2D时代是平面浮栅MOS管，3D的柱状浮栅MOS管尺寸是怎么和2D换算的？是有一个专门的公式的。最末端的2D MOS管刻槽，是16nm宽，发展成3D的时候，化学打井产生的井宽只有90纳米，做出围绕井一圈的柱状管，层和层之间还有30纳米，大家可以理解，这么一个圆柱型 NAND的存储颗粒，要比原先这么一个16纳米的几何尺寸要大出很多倍。带来什么样的效果呢？水桶足够大，不怕里面的电子泄露，不怕里面蒸发或者是由于温度的高低差别导致数据的丢失，这样3D NAND在抗数据丢失性能方面，要比末代2D要强的多。大概能达到多少效果呢？这里有一个简单的柱状图，64层的3D NAND，里面存储的电子数量大概是和43纳米的2D NAND存储的电子数量，在几何尺寸上是等效的。

SLC是在一个单元里只存1bit信息，当在一个存储单元存2bit信息，就是MLC，存三个比特就是TLC，比特越多，区分里面的电子数量越难，那么每一个状态之间，就会越拥挤，换句话说，稍微泄露掉电子，就会发生数据丢失和反转，这个是存储领域不愿看到的事情。

3D NAND的优点，柱状的浮栅MOS管，由于体积足够大，可以等效成45纳米的2D的 NAND。

未来已来，今天上午在西部数据的自媒体的平台上，已经发布了第一个基于3D NAND TLC的专门为汽车领域使用的eMMC产品，M132。希望它里面的3D NAND技术给汽车应用领域带来更可靠的数据安全。谢谢！