2020年11月，美光科技宣布，其第五代3D?NAND閃存技術達到了176層堆疊。預計通過美光全新推出的176層3D?NAND閃存技術以及架構，可以大幅度提升數據中心、智能邊緣計算以及智能手機存儲的應用效能。

176層3D?NAND閃存是美光第二代替換柵極(Replacement?Gate)架構，是目前全球技術最為先進的NAND節點，相較于前代3D?NAND相比，美光176層3D?NAND閃存在讀取及寫入延遲方面提升35%。

日前，EEWORLD邀請到美光科技工藝集成技術開發高級總監Kunal Parekh與美光科技NAND組件產品線高級經理Kevin Kilbuck，二位從技術與市場角度，講解了176層NAND的創新所在，以及美光對NAND未來發展的看法。

美光科技工藝集成技術開發高級總監Kunal Parekh

美光科技NAND組件產品線高級經理Kevin Kilbuck

技術方面

此次發布的產品屬于在工藝與先進架構共同促進的突破實現了此次突破，能否分別詳細介紹一下工藝與架構的突破？

Kunal Parekh: 美光通過應用專有的CuA（CMOS-under-array，CMOS陣列下）架構，結合采用替換柵極工藝和新單元結構的新陣列結構，實現了突破性的176層NAND創新。所有這些結合在一起，開創了具有高效CuA 3D架構的176層NAND。  

為了實現從使用浮動柵極單元的96層增加到使用替換柵極和電荷捕獲閃存單元的176層，我們必須在工藝技術上取得進步。例如，克服結構高度增加的主要難點是以更高的深寬比蝕刻電極柱，這樣，即使高度增加了，也不會導致表面積增大而無法適配器件，而如果適配的不好，會對陣列封裝密度產生不利影響。通過美光3D NAND開發和工藝技術團隊的努力，我們克服了這一挑戰，生產出破紀錄的層數，同時實現了裸片尺寸比同類競爭產品小30%——這是一項重大突破！

此外，我們還在低電阻率金屬化方面取得了進展，提高了每一層的性能，并在薄膜工藝方面取得了創新，增強了單元介質材料的電性能和物理性能。這些突破再加上陣列設計架構上的進步，以及與美光CuA架構的集成，使得我們的176層NAND在層數上領先于業界，其性能提升也令人難以置信。例如，與上一代大容量浮動柵極NAND（我們的96層NAND）相比，我們的讀取和寫入延遲都降低了35%以上。

在此次技術突破中，美光發揮了哪些優勢？主要解決了哪些問題？

Kunal Parekh: 早在16年前進入NAND市場以來，美光就一直是NAND技術領域的創新者。我們在開發創新單元設計和工藝技術方面有著悠久的歷史，這些技術對市場上的固態存儲解決方案產生了巨大的影響。美光在世界各地擁有數萬名科學家和工程師，致力于開發大家每天使用的內存、存儲和加速器技術——從您的手機到汽車，直至云端。我們設計電路、光掩膜技術、工藝技術和封裝技術，涵蓋從硅片到系統的各個領域。此外，美光擁有世界上最先進的智能工廠，世界經濟論壇將我們新加坡和臺灣地區工廠加入其Global Lighthouse Network（全球燈塔工廠網絡），該網絡包括了在應用第四次工業革命技術方面發揮了領導作用的很多領先制造商。

從實驗室到晶圓廠，我們對創新高度重視，因而憑借獨特的CMOS陣列下架構實現了業界領先的3D NAND單元尺寸。我們還率先開發了陣列堆疊技術，并聚焦于實現向替換柵極架構的過渡。此外，在3D NAND制造方面的投資使我們能夠在一個地方集中開展產品工程、技術開發、制造和質量功能質檢等工作。我們的NAND卓越中心位于新加坡，正在加速推進3D NAND技術的創新，并將繼續擴大規模。這些還只是我們實現業界領先突破的關鍵優勢的一部分。

就解決的問題而言，我們總是希望性能越來越好，因而每個工藝節點都比上一個節點難。每一代工藝都有新的約束和限制，但憑借美光才華橫溢的工程師和研究人員的辛勤工作，我們已經能夠克服這些問題。例如，從雙陣列堆疊中的兩個64層陣列發展到兩個88層陣列，我們必須克服這種擴展帶來的挑戰，才能進一步提高位密度，同時提升性能。增加層數讓結構更高，這樣在占用面積不變的情況下才能產生更多的比特，這也帶來了必須要克服的工藝挑戰，而我們團隊通過出色的工作已經克服了這些挑戰。

增加層數還要求在陣列下放置更多的電路，這意味著我們還需要以有效的方式將所有這些電路穿過陣列，連接到相應的NAND存儲串。這就要求在我們選擇的陣列架構中必須掌握更高的深寬比蝕刻和替換柵極構造。  

可否詳細介紹一下替換柵極技術開發史？該技術并不是最新的技術，所以如今的替換柵極技術和以往有何不同？

Kunal Parekh: 美光的3D NAND技術以前依賴于浮動柵極單元技術，其中浮動柵極是用多晶硅制成的，單元的控制柵極也由多晶硅制成。美光創新的將CMOS電路放置在陣列下，同時陣列仍然使用浮動柵極單元架構，進一步提高了我們3D NAND產品的效率。

為實現性能更好的架構，美光研發了一種陣列架構可變的替換柵極NAND工藝。這種陣列架構與CMOS和互連布線集成在一起，以發揮CMOS陣列下的效率優勢，同時還結合了具有較低電阻率和增強編程性能的金屬柵極。

2020年，我們在128層3D NAND中引入了第一代CuA替換柵極3D NAND，并于2020年4月投入量產。128層NAND的量產爬坡過程很短，因此我們可以專注于快速擴展到176層NAND——128層NAND實際上是為了讓我們學習并掌握替換柵極技術。

增加到176層需要進一步改進工藝，改變陣列架構，才能實現這一世界領先的技術。

雖然其他NAND內存供應商開發了金屬柵極NAND解決方案，而美光卻選擇研發一種新架構，具有金屬柵極和電荷捕獲單元與CuA相結合的優勢，從而提高了裸片區的效率。

為了成功地將金屬柵極與CuA和電荷捕獲單元集成在一起，同時適應所需的相應的寫入/讀取機制，美光必須不斷優化我們的3D NAND架構和工藝技術，以確保這些技術能夠順利地協同工作。電荷捕獲、替換柵極和CuA的強大組合切實改進了我們3D NAND的功耗、耐用性和性能等。從人工智能到5G，這些都為當今現代數據密集型工作負載提供了強大的支持。

替換柵極技術在美光內部處于什么地位？未來該技術還有何發展空間和趨勢？

Kunal Parekh: 我們將專有的替換柵極技術視為一種創新架構，能夠滿足對NAND日益增長的需求。傳統的浮動柵極NAND技術的局限性給性能和容量設計帶來限制。造成這種困難的原因在于單元的幾何結構和組成，導致單元間非常復雜的電容耦合，以及更小的電極柱蝕刻要求等問題。  

采用了替換柵極NAND后，性能、電源效率和容量限制都放寬了，從而使我們能夠滿足未來存儲解決方案的需求。美光的替換柵極3D NAND之所以克服了這些限制，是因為它采用了一種高效的設計，使單個單元不受電容噪聲的影響，提高了寫入性能，并通過減少所需的編程脈沖來提高電源效率。替換柵極NAND更大和更均勻的電極柱蝕刻可實現更高的堆疊，從而增大了數據密度和存儲總容量。最終，在不降低性能的情況下增強了耐用性。

因此，我們認為替換柵極是最好的解決方案，原因在于：1）消除堆棧高度限制，提高了存儲容量；2）減少了編程時間，降低了算法復雜度，從而最大限度地提高了寫入性能和電源效率；3）延長了每個部件的耐用性和使用壽命；4）與我們的CuA技術吻合的很好，顯著提高了閃存的性能和靈活性。

這就是為什么替代柵極能夠為我們繼續快速擴展3D NAND技術奠定堅實的基礎。

至于未來發展，隨著我們推進閃存創新，為滿足當今以數據為中心的企業和新出現的應用場景不斷變化的存儲需求，我們將繼續根據需要來優化替換柵極技術。

可否盤點下在3D閃存領域，美光歷史上都有哪些引領市場的技術革新?

Kunal Parekh: 美光的多項技術突破在業界遙遙領先，使得3D NAND的位密度和性能得以快速提升。我們憑借獨特的CMOS陣列下架構實現了業界領先的3D NAND單元尺寸。

我們在3D NAND方面一些領先的市場技術突破包括：

?2015年：美光在3D NAND中推出業界首創的CuA技術

?2016年：美光推出業界密度最高的32層3D NAND，首次批量出貨采用了CuA的3D NAND

?2017年：美光在NAND中實現陣列堆疊

?2018年：美光在市場上推出四層單元（QLC）

?2020年：美光推出全球首款176層NAND

未來閃存技術的發展趨勢是什么？

Kunal Parekh:  NAND閃存面臨的最大挑戰是如何持續不斷的提高數據密度并降低成本，同時提高系統級的性能和可靠性，而這正是市場所期望的。美光持續致力于創新，從而能夠突破這些障礙。