3D NAND原厂垂直单元效率对比,哪家存储效率更高?

三星NAND Flash产能利用率已恢复至90%以上?

近日市场研究机构Techinsights对于三星、SK海力士/Solidigm、美光、KIOXIA/WD、YMTC的200层以上的3D NAND Flash进行了对比分析,发现三星的垂直单元效率 (VCE,vertical cell efficiency) 是最高的。

传统的NAND闪存单元采用平面晶体管结构,包括控制栅极(Control Gate)和浮动栅极(Float Gate)。通过向单元施加电压,电子在浮动栅极中存储和移除。

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多年来,供应商将平面 NAND 的单元尺寸从 120nm 缩小到 1xnm 节点,使容量增加了 100 倍。然而,当单元尺寸达到了 14nm 的极限,这意味着该技术不再可扩展,由此NAND原厂纷纷转向3D NAND,以实现超过 2D NAND 结构的数据密度,并能够在更新一代的技术节点上制造。

具体来说,平面 NAND 由带有存储单元的水平串组成。而在 3D NAND 中,存储单元串被拉伸、折叠并以“U 形”结构垂直竖立。实际上,这些单元以垂直方式堆叠以缩放密度。因此,3D NAND存储单元有多个层级。

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3D NAND的层数描述了堆叠在一起的字线(Word Line)数量。在这些字线层上切出一个垂直柱,柱子与每条字线的交点代表一个物理单元。也就是说,每个 3D NAND 存储单元都类似于一个微小的圆柱形结构。每个微小单元由中间的垂直通道和结构内部的电荷层组成,通过施加电压,电子可以进出绝缘电荷存储膜,然后读取信号。

平面 NAND 在每个节点上都减小了单元尺寸,而 3D NAND 则采用了更宽松的工艺,大约在 30nm 到 50nm 之间。3D NAND 内存容量的扩展主要是通过添加垂直层来实现的,在这种3D NAND结构中,单元密度会随着堆栈中层数的增加而增加。然后,每隔一到两年,供应商就会从一代技术迁移到下一代技术。

根据研究数据显示,供应商平均每代 3D NAND 都会增加 30% 至 50% 的层数。而每一代新的芯片将会增加 10% 至 15% 的晶圆成本。这也使得NAND 的每bit成本能够平均以每年约20%幅度降低。

现在,超过200层的TLC NAND 产品已经逐渐成为主流,比如三星236层NAND 、SK 海力士 238层NAND、美光 232层NAND 、YMTC 232层NAND。此外还有一些接近200层的厂商,比如铠侠(KIOXIA)和西部数据的 112层/162层NAND 和 Solidigm 的 144层/ 192层 (FG) NAND。

△Techinsights从 SK 海力士 2TB SSD PC811 HFS002TEM9X152N (设备:H25T3TDG8C-X682) 中提取了 SK 海力士 238L 512 Gb 3D NAND 芯片,该芯片尺寸为 34.56mm²,位密度为 14.81 Gb/mm²。

谈到 3D NAND 单元效率,垂直单元效率 (VCE,vertical cell efficiency) 对于 NAND 单元工艺、设计、集成和设备操作而言非常重要。

随着堆叠的总栅极数量的增加,单元 VC(vertical cell)孔高度也会增加。为了降低 VC 高度和纵横比,其中一种方法是通过减少虚拟栅极(dummy gates)、通过栅极(passing gates)和选择栅极(select gates)的数量来提高垂直单元效率。垂直单元效率可以用总栅极中active cell 的百分比来定义,也就是用active WL (Word Line)除以集成的总栅极数来计算。垂直单元效率越高,工艺集成度越高,纵横比越低,整体效率越高。

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VCE可定义为活跃单元占总栅极的比例,即Active WL 数量除以总集成栅极数量×100%。例如,一个NAND串由Active WL、通道WL(含dummy WL)和选择器(源极/漏极)组成。若其包含96个Active WL和总计115个栅极,则VCE为83.5%,计算方法为96/115×100%。VCE越高,对工艺集成越有利,能实现更低的纵横比和更高的生产效率。

Techinsights发现,在多代 3D NAND 产品中,三星始终以最高的垂直单元效率领跑行业。他们最新的多层V-NAND 在前几代以高效著称的基础上,拥有令人印象深刻的垂直单元效率。美光和YMTC也在其产品中展示了强劲的垂直单元效率数据,这反映出它们在减少虚拟栅极、通过栅极和选择栅极数量方面取得了显著进步,从而优化了垂直单元效率。

△3D NAND 垂直单元效率趋势

总结来看,三星每一代产品的VCE都是最高的,比如采用单层结构的128层是94.1%,176层COP V-NAND是92.1%,236层2nd COP V-NAND是94.8% 。YMTC的232层Xtacking 3.0的VCE是91.7%,美光232层是91%。KIOXIA 162层的VCE稍低一些,为88%。SK海力士238层共有259个门,VCE为91.9%,仍然低于三星的236L。

编辑:芯智讯-林子

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