拆解分析三星48层3D V-NAND快闪存储器:深入探讨其结构、工作原理和性能特点
2023-12-06

  备受瞩目的三星48层V-NAND 3D快闪记忆体已经出现在市场上了,TechInsights的拆解团队总算等到了大好机会先睹为快。

  三星(Samsung)早在2015年8月就发布其256Gb的3位元多级单元(MLC) 3D V-NAND快闪记忆体K9AFGY8S0M,并强调将用于各种固态硬碟(SSD),也预计会在2016年初正式上市。这些承诺如今真的实现了,我们得以在其2TB容量的T3系列mSATA可携式SSD中发现其踪影(如图1)。

三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图1:三星T3 2TB SSD

  根据TechInsights的拆解,我们在这个SSD上发现了内含4个0.5TB容量K9DUB8S7M封装的双面(如图2)。每一封装中包含的就是我们正想探索的16个48L V-NAND晶粒。

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图2:三星T3系列2TB SSD正面和背面电路板

  图3显示这16颗晶粒相互堆叠以及采用传统线键合技术连接的封装横截面。这些晶片的厚度仅40um,着实令人眼睛为之一亮,这或许是我们所见过的封装中最薄的晶片了。相形之下,我们在2014年拆解三星32L N-NAND中的晶粒约为110um,封装约堆叠4个晶片的高度。

  我们还看过其它较薄的记忆体晶片,包括海力士(Hynix)用于超微(AMD) R9 Fury X绘图卡的HBM1记忆体,厚度约为50um,以及在三星以矽穿孔(TSV)互连4个堆叠晶片的DDR4,其中有些DRAM晶粒的厚度约为55um。

  因此,40um真的是超薄!而且可能逼近于300mm直径晶圆在无需使用承载晶圆(carrier wafer)所能实现的最薄极限。这实在令人印象深刻。

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图3:16个相互堆叠的三星48L V-NAND

  图4显示其中的一个256Gb晶粒,压缩了2个5.9mm x 5.9mm的较大NAND快闪记忆体组(bank)。我们可以将整个晶片区域划分为大约2,600Mb/mm2的记忆体大小,计算出记忆体密度总量。相形之下,三星16nm节点的平面NAND快闪记忆体测量约为740MB/mm2。所以,尽管V-NAND采用较大的制程节点(~21nm vs. 16nm),其记忆体密度几乎是16nm平面NAND快闪记忆体的3.5倍(见表1)。

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图4:三星256GB的V-NAND——K9AFGD8U0M

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  表1:平面与V-NAND的密度比较

  我们的48L V-NAND分析才刚刚开始。图5是从记忆体阵列部份撷取的SEM横截面,可以看到在此堆叠中有55个闸极层:48个NAND单元层、4个虚拟闸极、2个SSL和1个GSL。在2个V-NAND串联(string)中,分别都有一个由电荷撷取层和金属闸极围绕的多晶矽环,可在高钨填充的源极触点之间看到。

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图5:48L V-NAND阵列的SEM横截面

  图6是V-NAND string顶部的更高倍数放大图。多晶矽环形(NAND string通道)顶部表面是由连接至叠加位元线的钨位元线进行接触。金属字元线、氧化阻障层和电荷撷取层环绕着多晶矽通道层。

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图6:V-NAND阵列的上半部份

  我们现在还无法展示这个48L V-NAND阵列的精细结构,因为我们的实验室才刚刚取得这款装置。但是,目前可以提供一些在三星32L V-NAND中发现的特性(如图7)作为参考。

  形成NAND string通道的多晶矽环形,接触从基板向上伸出的选择性外延生长(SEG)触点。横跨在基板顶部则作为相邻源极线的选择闸极。

  多晶矽通道层外围环绕着较薄的穿隧电介质,这可能是由原子层沈积(ALD)而形成的。电荷撷取层(通常是氮化矽)与该穿隧电介质接触,并以氧化阻障层加以覆盖,这也可能是由ALD形成的。阻障层氧化物与金属闸极(字元线)环绕着电荷撷取层。

  对于快闪记忆体来说,电荷撷取层是一种相当新颖的设计,因为它通常是采用多晶矽浮闸来储存电荷的。我们看到Spansion在其MirrirBit NOR快闪记忆体中采用了氧化矽撷取层,不过,三星可能最先在NAND快闪记忆体中使用电荷撷取层。

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图7:三星32L V-NAND的TEM横截面

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图8:V-NAND string的TEM平面图,可看到多个环形的分层

  直到最近,我们只看到三星V-NAND以独立型SSD的形式出现,我们开始猜测最终出现在消费产品之前还需要多长时间。从我们在今年1月的拆解来看,微软(Microsoft)已经在其Surface Book和Surface Pro 4笔记型电脑中采用了128GB的V-NAND SSD,预计这一等待的时间也不会太久了。

  我们也在智慧型手机中看到了这种快闪记忆体,而且认为已经在三星Galaxy S7(如图9)的通用快闪记忆体储存(UFS) NAND快闪记忆体中使用了这种技术。相较于其上一代产品——eMMC类型的记忆体模组,据称这种32GB的UFS 2.0记忆体的功耗更低、尺寸也更小。以往我们预期它会包含某种32L V-NAND,但这应该不会发生了,因为我们发现他们改用16nm NAND快闪记忆体作为替代方案。

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图9:三星32GB UFS 2.0

  三星48层3D V-NAND快闪存储器拆解分析

  图10:三星16nm平面NAND快闪记忆体阵列

  我们将持续追逐V-NAND在智慧型手机中的踪影。由于三星曾经在2014年首次推出32L V-NAND,也在2016年首次上市48L,预计三星将率先在手机中导入V-NAND。三星目前在韩国以及中国西安都已经有V-NAND晶圆厂了,我们认为三星将更密切致力于V-NAND,平面NAND微缩也将很快地迈入尾声。

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