西部数据季超:3D NAND 技巧详解

2019年5月9日,由西部数据公司与盖世汽车结合主办的2019汽车智能化要害技巧论坛盛大召开。本次论坛汇集了行业领先的汽车体系解决计划供给商、汽车制作商和行业剖析师,旨在为行业搭建一个技巧交换和沟通的平台,共话智能汽车技巧成长趋向,构建智能汽车及主动驾驶商务生态圈。下面是西部数据公司资深现场利用工程师季超在论坛上的讲话: 图中人物为:西部数据公司资深现场利用工程师 季超大师好,接下来,请答应我给大师分享一下西部数据在3D NAND这一范畴的一些经验和案例。为了辅助大师更好的懂得为什么NAND FLASH成长到今天必需要做到3D的工艺,我们有需要回想一下NAND在2D时期阅历了什么?这里面有一些半导体的内容,对不是业界的伙伴会感到有点跨界,可是大师不消太焦炙,我尽量用深刻浅出的说法给大师做先容,能用图片尽量不消文字。一个12英寸NAND晶圆,里面的单位构造拿出来看就是这个样子——像三明治的构造,上面是栅极,中心是一个浮动栅级,浮动栅级是精髓地点,存了电子代表O,不存代表1,这和我们平凡的不雅念有一些分歧,读取1的时辰,栅极稍加电压,沟道里面就有电子活动了。 打一个简略的比喻,相当于有一个水管,上面压了一个容器,好比说是一个水桶,是一个空的水桶的情形下,只要稍微用一点力量就可以提起这个水桶,管道就接通,电路连通,那么我们就知道,本来水桶是空的,没有电子,代表信息1。当浮动三级里面存储到了电子今后,电子会有电场,会抵消到上面开启的把持电压发生的电场,如许的情形下,再加上1V的电压就树立不起来了,就比如水桶里面已经装满了水,用适才的力量还提的动吗?提不起来了。有没有措施呢?当然有,用更年夜的力量把装满水的水桶提起来,这里给大师一个思虑题,一个极新的U盘里面满是空缺,写满数据是变重仍是变轻?仍是一点都没变?这个大师可以思虑一下。还有一个题目,这个构造大师想想,靠得住吗?会不会产生数据的丧失或者是数据的反转?对应到适才的,好比说桶会不会漏水?桶里面的水会不会蒸发?当这里面的电子逃逸失落之后,是不是这里的存储的新闻会丧失?显然, NAND是有这方面的敏感特征的,所以里面的存储数据是须要做必定的维护的。适才先容了存储的基础单位,那么这里简略先容一下这些基本单位是怎么衔接起来的。在半导体界历来有两个门户,一个是NOR FLASH,完整是经由过程并联的方法衔接起来,并联的方法发生逻辑或非关系,就是NOT OR的逻辑关系,简称NOR。NAND则正相反,完整是串联,连成一串,当A和B同时开通的时辰是一种与非的NOT AND逻辑关系,所以简称 NAND。 NAND的物理衔接架构,大师可以发明更简略,只要工艺有保障,完整可以连续串的做下往,做的很年夜。如许,在高密度集成方面不须要像NOR Flash那样庞杂。简略的来看一下存储器里面的 NAND的颗粒里面的具体构造、分层。这个话题在前面张丹密斯也有提到,所有的存储器里面,具体的存储颗粒就是指甲盖这么巨细,我们会发明真正用来做把持线的电路现实上只占很小的一部门,分成两个区,里面每一块区域朋分成了这么多的Block,同时后面会看到,会有一些备损的block,前面的产生磨损破坏,用逻辑映射的方法可以进行调换,每一个Block又分成连续串的页叫Page,此刻主流的Page巨细已经是4K,甚至是还有8K, NAND也是集成电路,只如果集成,就逃不开摩尔定律, NAND工艺的演进,在2002年的时辰,仍是主流的用160纳米工艺,可以刻出160纳米款的槽,一路高歌大进到了2008年43纳米,再想向下渗入进进到更深的亚微米的时期就很难了。在2010年今后,工场提出了三步走的打算,分辨是1Xnm,1Ynm,1Znm,后来颠末出产的证实,在19纳米是一个阶段,到2014年实现的1Z=15纳米稳固工艺。大师可以发明,颠末了这么密集的演进之后,会有什么题目?起首是每一单位之间靠的很是的近,会发生一些电磁的干扰,一个单位进行编写的时辰或多或少影响到隔邻的 NAND的存储。2014年今后,2D平面工艺已经走到止境,没有再晋升了,于是这里就从15年开端,引进了3D技巧。这个图给大师演示的是指甲盖巨细的处所能做出的容量,在02年的时辰能买到一个256M的优盘就已经很年夜了,到今天,256G已经不是很难见到,为什么容量会有这么年夜的晋升?由于半导体的工艺一路演进。 张丹已经讲过,由于我们须要的住房单位太多,造平房已经没有措施知足需求,所以要造摩天年夜楼。在半导体里面,怎么样把本来的横向的衔接的 NAND的串,做到纵向衔接呢?下面会有具体的讲授,主体的是在晶圆的垂直标的目的上,用化学蚀刻打井的方法来做。这个是具体的先容——零丁的垂直的 NAND的剖解构造,大师可以发明,这个地位是相当于把本来的三明治构造的做了一个360度的扭转,经由过程离子注进和扩散的方法,做出一个一个的节点来。那么所谓的48层的 3D NAND,就是在这么一个深度的井里做出48个 NAND的存储节点,两头还有把持开关。为了寻求更年夜的存储容量,垂直标的目的引进了String的概念,每一个String有必定的数目的,好比说32,64、128个如许的零丁的垂直井,把它回为一个String,来把持。为了获得更年夜的容量,我们蚀刻工艺打井的方法是错位摆列,并不是严厉的平行摆列,更好的应用平面的面积。 纵向切开一个化学蚀刻的井看内部的细分构造,我们可以看到,它现实上包括了这么一个多晶硅的内核,外面经由过程扩散的方法,先扩散形成这么一个氮化硅的地道隔离层,热电子存储的地位大要有7.4纳米,在中心的地位。上面用氧化铝笼罩,并用二氧化硅做尽缘,做出把持器。全部物理构造外面包着一个把持栅极,中心夹着一个热电子存储层,还有多晶硅层,形成纵向的串联。 这个图说明了以前是平面的 NAND,怎么样在纵向上是一层一层的叠加,把它容量做到是以前的良多倍的。2D和3D NAND构造纷歧样,本来2D时期是平面浮栅MOS管,3D的柱状浮栅MOS管尺寸是怎么和2D换算的?是有一个专门的公式的。最结尾的2D MOS管刻槽,是16nm宽,成长成3D的时辰,化学打井发生的井宽只有90纳米,做出缭绕井一圈的柱状管,层和层之间还有30纳米,大师可以懂得,这么一个圆柱型 NAND的存储颗粒,要比本来这么一个16纳米的几何尺寸要年夜出良多倍。带来什么样的后果呢?水桶足够年夜,不怕里面的电子泄漏,不怕里面蒸发或者是因为温度的高下差异导致数据的丧失,如许3D NAND在抗数据丧失机能方面,要比末代2D要强的多。大要能到达几多后果呢?这里有一个简略的柱状图,64层的3D NAND,里面存储的电子数目大要是和43纳米的2D NAND存储的电子数目,在几何尺寸上是等效的。SLC是在一个单位里只存1bit信息,当在一个存储单位存2bit信息,就是MLC,存三个比特就是TLC,比特越多,区分里面的电子数目越难,那么每一个状况之间,就会越拥挤,换句话说,稍微泄漏失落电子,就会产生数据丧失和反转,这个是存储范畴不肯看到的工作。3D NAND的长处,柱状的浮栅MOS管,因为体积足够年夜,可以等效成45纳米的2D的 NAND。将来已来,今天上午在西部数据的自媒体的平台上,已经宣布了第一个基于3D NAND TLC的专门为汽车范畴应用的eMMC产物,M132。盼望它里面的3D NAND技巧给汽车利用范畴带来更靠得住的数据平安。感谢!

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