据国外媒体Xtech Nikkei报道，日本存储芯片巨头铠侠（Kioxia）首席技术官（CTO）Hidefumi Miyajima近日在东京城市大学的应用物理学会春季会议上宣布，该公司计划到2031年批量生产超过1000层的3D NAND Flash芯片。

众所周知，在所有的电子产品中，NAND闪存应用几乎无处不在。而随着云计算、大数据以及AI人工智能的发展，以SSD为代表的大容量存储产品需求高涨，堆叠式闪存因此而受到市场的青睐。

自三星2013年设计出垂直堆叠单元技术后，NAND厂商之间的竞争便主要集中在芯片层数上。随着3D堆叠时代的到来，在三星、铠侠、SK海力士等存储厂商的不断推动下，NAND Flash闪存堆叠层数不断被刷新。

目前，各大厂商的NAND闪存堆叠层数均已突破200层，并持续向更高层数的NAND Flash迈进，其中三星和铠侠更是将目标瞄准1000层。根据此前的消息，三星计划在2024年推出第九代3D NAND（有望达到280层），2025-2026年推出第十代3D NAND(有望达到430层），2030年前实现1000层NAND Flash。


层数“争霸赛”

众所周知，固态硬盘的数据传输速度虽然很快，但售价和容量还都是个问题。这种宽度为2.5英寸的硬盘用来容纳存储芯片的空间较为有限，容量越高的芯片可以增加硬盘的总体存储空间，但更高的成本也拉高了硬盘的售价。

对于这个问题，英特尔可能已经在3D NAND当中找到了解决办法。3D NAND闪存是英特尔和美光的合资企业所研发的一种技术，是一种新兴的闪存类型，通过把内存颗粒堆叠在一起来解决2D或者平面NAND闪存带来的限制。

平面结构的NAND闪存已接近其实际扩展极限，给半导体存储器行业带来严峻挑战。新的3D NAND技术，垂直堆叠了多层数据存储单元，具备卓越的精度。基于该技术，可打造出存储容量比同类NAND技术高达三倍的存储设备。该技术可支持在更小的空间内容纳更高存储容量，进而带来很大的成本节约、能耗降低，以及大幅的性能提升以全面满足众多消费类移动设备和要求最严苛的企业部署的需求。

2007年，随着2DNAND达到其规模极限，东芝率先提出了3D NAND结构概念。2013年三星则率先推出了其所谓的“V-NAND”，也就是3D NAND。

3D设计引入了多晶硅和二氧化硅的交替层，并将浮栅交换为电荷陷阱闪存(CTF)，区别在于FG将存储器存储在导电层中，而CTF将电荷“捕获”在电介质层中。这种3D设计方式不仅带来了技术性能的提升，而且还进一步控制了成本。

此后，三星不断更新技术和扩增产业线，10年间推出了数代产品，以维护自己在NAND闪存市场的地位。其中，2020年，三星推出了176层的第七代“V-NAND”，其采用了“双堆栈”技术，不是一次性蚀刻所有层，而是将它们分成两部分，然后一层一层堆叠。

2022年，美光技术与产品执行副总裁 Scott DeBoer 与高管团队宣布美光下一代 232 层 NAND 闪存将于 2022 年底前实现量产。这表明美光团队在完善和扩大 176 层 NAND 技术应用的同时，同步在努力开发下一代更先进的 NAND 技术。

美光的232 层 NAND是业界的首款232 层 3D NAND ，这项前沿技术已经应用在英睿达（Crucial）旗下几款固态硬盘上，其他搭载这项技术的产品将会陆续上市为消费者带来更大容量、更高密度、更少能耗与更低单位存储成本的存储解决方案。

去年5月美光曝光的技术路线图显示，232层之后美光还将发力2YY、3XX与4XX等更高层数。

大数据、云计算等技术发展，持续提升NAND Flash需求，同时也不断推动着NAND技术的升级和迭代，NAND Flash原厂层数竞争或将更加激烈。


制造：优势与挑战

在早几年的 IEEE IEDM 论坛上，三星的 Kinam Kim 发表了主题演讲，他预测到 2030 年将出现 1,000 层闪存。这可能听起来令人头晕，但这并不完全是科幻小说。Imec 存储内存项目总监 Maarten Rosmeulen 表示：“相对 NAND 闪存的历史趋势线而言，这一速度已经放缓。” “如果你看看其他公司，比如美光或西部数据，他们在公开声明中提出的内容，你会发现他们的速度甚至比这还要慢。不同制造商之间也存在一些差异——看起来他们正在延长路线图，让它放慢速度。我们相信这是因为维持这个空间的运转需要非常高的投资。”

尽管如此，竞争风险仍然足够高，这些投资是不可避免的。“前进的主要方式，主要的乘数，是在堆栈中添加更多层，”Rosmeulen 说。“几乎没有空间进行 XY 收缩并缩小内存空洞。这很难做到。也许他们会在这里或那里挤压百分之几，将孔放得更近，孔之间的缝隙更少等等。但这并不是最大的收益所在。如果你能继续堆叠更多的层，密度只能以目前的速度显着提高。”

除了整个过程的核心不可避免的问题之外，进一步堆叠似乎是合理的。

“主要挑战在于蚀刻，因为你必须蚀刻具有非常高深宽比的非常深的孔，”Rosmeulen 说。“如果你看看上一代的 128 层，这大约是一个 6、7 或 8 微米深的孔，直径仅为 120 纳米左右，具有极高的纵横比，或者可能更高一点，但并非如此很多。蚀刻技术取得了进步，可以一次性蚀刻更深的孔，但速度不会更快。您无法提高蚀刻速度。因此，如果工艺流程以沉积和蚀刻为主，并且这些工艺步骤没有提高成本效率，那么添加更多层就不再能够有效地降低成本。”

蚀刻也只是多个步骤之一。“除了蚀刻之外，您还需要用非常薄的介电层上下均匀地填充这个孔，”Synopsys 的 Lin 说。“通常，由于晶圆的化学性质，沉积几纳米的层并不容易。在这里，他们必须一路向下才能填满。有亚原子层沉积方法，但仍然具有挑战性。另一个巨大的挑战是压力。如果您构建了如此多的层并经历一些蚀刻/沉积/清洁/热循环，则可能会导致局部和全局应力。在局部，因为钻孔后，您需要在整个堆栈上切出一条非常深的沟槽。它变成了一座非常高的摩天大楼，而且摇摇欲坠。如果你开始进行一些清洗或其他过程，很多事情都可能发生，导致两座摩天大楼相互倒塌。那么你就失去了收益。通过将如此多的材料相互叠加并切割不同的图案，这可能会产生全局应力并导致晶圆翘曲，这将使其无法在晶圆厂中进行处理，因为晶圆必须是平坦的。

请记住，蚀刻是穿过不同材料层的。

Objective Analysis 的 Handy 表示，三星的解决方案是创建极薄的层。“这对整个行业很有用，因为每个人都使用几乎相同的工具来创建这些东西。”

NAND Flash价格回涨

受消费电子市场需求不振、市场经济逆风等因素影响，存储器产业经过了较为漫长的低迷时期。其中NAND Flash产品合约价自2022年第三季开始连续四个季度下跌，直到2023年第三季开始起涨。随后，自2023年第四季度开始，存储器市场开始逐渐反弹，NAND Flash价格也开始回涨。

市场研究机构TrendForce集邦咨询表示，除了铠侠（Kioxia）和西部数据（WDC）自今年第一季起提升产能利用率外，其它供应商大致维持低投产策略。尽管第二季NAND Flash采购量较第一季小幅下滑，但整体市场氛围持续受供应商库存降低，以及减产效应影响，预估第二季NAND Flash合约价将强势上涨约13~18%。

从各品类来看，集邦咨询预估，2024年第二季度，Enterprise SSD合约价涨幅为全线产品最高，季增20~25%；eMMC、UFS、Client SSD合约价将分别季增10~15%，NAND Flash Wafer涨幅则较第一季大幅收敛，预估季增5~10%。