三星48層3D V-NAND快閃存儲器揭密

　　備受矚目的三星48層V-NAND 3D快閃記憶體已經出現在市場上了，TechInsights的拆解團隊總算等到了大好機會先睹為快。

　　三星(Samsung)早在2015年8月就發布其256Gb的3位元多級單元(MLC) 3D V-NAND快閃記憶體K9AFGY8S0M，并強調將用于各種固態硬碟(SSD)，也預計會在2016年初正式上市。這些承諾如今真的實現了，我們得以在其2TB容量的T3系列mSATA可攜式SSD中發現其蹤影(如圖1)。

　　圖1：三星T3 2TB SSD

　　根據TechInsights的拆解，我們在這個SSD上發現了內含4個0.5TB容量K9DUB8S7M封裝的雙面電路板(如圖2)。每一封裝中包含的就是我們正想探索的16個48L V-NAND晶粒。

　　圖2：三星T3系列2TB SSD正面和背面電路板

　　圖3顯示這16顆晶粒相互堆疊以及采用傳統線鍵合技術連接的封裝橫截面。這些晶片的厚度僅40um，著實令人眼睛為之一亮，這或許是我們所見過的封裝中最薄的晶片了。相形之下，我們在2014年拆解三星32L N-NAND中的晶粒約為110um，封裝約堆疊4個晶片的高度。

　　我們還看過其它較薄的記憶體晶片，包括海力士(Hynix)用于超微(AMD) R9 Fury X繪圖卡的HBM1記憶體，厚度約為50um，以及在三星以矽穿孔(TSV)互連4個堆疊晶片的DDR4，其中有些DRAM晶粒的厚度約為55um。

　　因此，40um真的是超薄!而且可能逼近于300mm直徑晶圓在無需使用承載晶圓(carrier wafer)所能實現的最薄極限。這實在令人印象深刻。

　　圖3：16個相互堆疊的三星48L V-NAND

　　圖4顯示其中的一個256Gb晶粒，壓縮了2個5.9mm x 5.9mm的較大NAND快閃記憶體組(bank)。我們可以將整個晶片區域劃分為大約2,600Mb/mm2的記憶體大小，計算出記憶體密度總量。相形之下，三星16nm節點的平面NAND快閃記憶體測量約為740MB/mm2。所以，盡管V-NAND采用較大的制程節點(~21nm vs. 16nm)，其記憶體密度幾乎是16nm平面NAND快閃記憶體的3.5倍(見表1)。

　　圖4：三星256GB的V-NAND——K9AFGD8U0M

　　表1：平面與V-NAND的密度比較

　　我們的48L V-NAND分析才剛剛開始。圖5是從記憶體陣列部份擷取的SEM橫截面，可以看到在此堆疊中有55個閘極層：48個NAND單元層、4個虛擬閘極、2個SSL和1個GSL。在2個V-NAND串聯(string)中，分別都有一個由電荷擷取層和金屬閘極圍繞的多晶矽環，可在高鎢填充的源極觸點之間看到。

　　圖5：48L V-NAND陣列的SEM橫截面

　　圖6是V-NAND string頂部的更高倍數放大圖。多晶矽環形(NAND string通道)頂部表面是由連接至疊加位元線的鎢位元線進行接觸。金屬字元線、氧化阻障層和電荷擷取層環繞著多晶矽通道層。

　　圖6：V-NAND陣列的上半部份

　　我們現在還無法展示這個48L V-NAND陣列的精細結構，因為我們的實驗室才剛剛取得這款裝置。但是，目前可以提供一些在三星32L V-NAND中發現的特性(如圖7)作為參考。

　　形成NAND string通道的多晶矽環形，接觸從基板向上伸出的選擇性外延生長(SEG)觸點。橫跨在基板頂部則作為相鄰源極線的選擇閘極。

　　多晶矽通道層外圍環繞著較薄的穿隧電介質，這可能是由原子層沈積(ALD)而形成的。電荷擷取層(通常是氮化矽)與該穿隧電介質接觸，并以氧化阻障層加以覆蓋，這也可能是由ALD形成的。阻障層氧化物與金屬閘極(字元線)環繞著電荷擷取層。

　　對于快閃記憶體來說，電荷擷取層是一種相當新穎的設計，因為它通常是采用多晶矽浮閘來儲存電荷的。我們看到Spansion在其MirrirBit NOR快閃記憶體中采用了氧化矽擷取層，不過，三星可能最先在NAND快閃記憶體中使用電荷擷取層。

　　圖7：三星32L V-NAND的TEM橫截面

　　圖8：V-NAND string的TEM平面圖，可看到多個環形的分層

　　直到最近，我們只看到三星V-NAND以獨立型SSD的形式出現，我們開始猜測最終出現在消費產品之前還需要多長時間。從我們在今年1月的拆解來看，微軟(Microsoft)已經在其Surface Book和Surface Pro 4筆記型電腦中采用了128GB的V-NAND SSD，預計這一等待的時間也不會太久了。

　　我們也在智慧型手機中看到了這種快閃記憶體，而且認為已經在三星Galaxy S7(如圖9)的通用快閃記憶體儲存(UFS) NAND快閃記憶體中使用了這種技術。相較于其上一代產品——eMMC類型的記憶體模組，據稱這種32GB的UFS 2.0記憶體的功耗更低、尺寸也更小。以往我們預期它會包含某種32L V-NAND，但這應該不會發生了，因為我們發現他們改用16nm NAND快閃記憶體作為替代方案。

　　圖9：三星32GB UFS 2.0

　　圖10：三星16nm平面NAND快閃記憶體陣列

　　我們將持續追逐V-NAND在智慧型手機中的蹤影。由于三星曾經在2014年首次推出32L V-NAND，也在2016年首次上市48L，預計三星將率先在手機中導入V-NAND。三星目前在韓國以及中國西安都已經有V-NAND晶圓廠了，我們認為三星將更密切致力于V-NAND，平面NAND微縮也將很快地邁入尾聲。