NAND Flash產業在傳統的Floating Gate架構面臨瓶頸後,正式轉進3D NAND Flash時代,目前三星電子(Samsung Electronics)、東芝 (Toshiba)的3D NAND技術最早都是源自於飛索(Spansion)的Charge Trap架構,唯一例外的是英特爾 (Intel)和美光 (Micron)仍是延續傳統Floating Gate架構,但從64層技術開始,也都會轉成Charge Trap架構。

技術轉換往往會帶給產業新一輪的洗牌戰,跟不上腳步的製造商可能會從雲端摔下,但也給新的供應商加入戰局的機會,這次傳統Floating Gate架構轉換至Charge Trap架構,給了大陸加入NAND Flash技術開發行列的一張門票,尤其是Charge Trap始祖飛索很早就與大陸合作,雙方的合作是順水推舟,從NOR Flash一路合作到Charge Trap架構的3D NAND技術。

各家半導體大廠的3D NAND技術早已如火如荼在開發中,目前進入32層堆疊技術,業界都認為2017年下半是3D NAND產能大量開出之時,目前看來時間點是對的,但各家半導體大場面臨的考驗恐怕會比預期艱鉅數倍。

過去平面NAND Flash芯片朝兩方面前進,一是陸續有SLC、MLC、TLC型NAND Flash芯片的演進來提高儲存容量並降低成本;二是製程技術不斷往前,目前已經進入16/15納米製程,但無法否認的是,技術前進的同時,其NAND Flash的氧化層越薄,芯片可靠性是遞減的,因此需要用額外的方式來增強效能,這又使得成本提升,因此,平面NAND Flash技術已無法滿足市場需求,開始進入3D NAND時代。

進入3D NAND技術後,製程技術的演進成為其次,堆疊層數才是重點,層數越高會使儲存容量越大。不過,當堆疊層數越高時,各層對準的技術就很困難,定位技術必須做的好,因為堆越高會越難對準。

三星曾對外表示,不久將來會看到100層堆疊的技術出現。根據業界進度,2017年3D NAND技術會到64層,2020年到100層,至於3D NAND技術的堆疊極限在哪里里,各界也有不同的看法,有人甚至認為可堆到200層,但以目前技術挑戰而言,真的堆疊到200層,恐怕對準的精準度是很大考驗,可能良率也不見得太好,即使是2020年到100層,恐怕難度都很高。

三星在3D NAND技術世代上仍是龍頭廠,是全球第一家量產3D NAND技術的半導體廠,技術演進也最紮實。三星在2013年推出24層疊的3D NAND芯片,之後32層堆疊、48層堆疊的芯片陸續問世。

三星計劃今年第4季轉進第四代64層堆疊技術的3D NAND芯片,估計每片晶圓的儲存容量再提高30%,意味成本持續下降,三星也對外指出,100層堆疊以上的技術不是夢。

東芝的3D NAND技術喊話也相當積極,原本號稱要比三星更早量產64層堆疊技術的3D NAND芯片,但目前來看並未達陣。

三星的3D NAND技術為3D V-NAND,而東芝 (Toshiba)和新帝(SanDisk)合作開發的3D NAND技術為BiCS,或是稱P-BiCS(Pipe-shaped Bit Cost Scalable),無論是三三星的3D V-NAND架構或是東芝的BiCS架構,都是源自於Charge Trap Flash(CTF)技術。

目前所有開發3D NAND的存儲器大廠中,只有英特爾美光陣營不是用Charge Trap技術,該陣營在32層技術的技術仍是沿用Floating Gate技術,應該是基於對於傳統Floating Gate既濟的高掌握度和成本考量。

舉例,英特爾美光推出的第一款3D NAND雖然是用Floating Gate技術生產,但其MLC型NAND Flash核心容量就有256Gb,而TLC型可以做到384Gb,是目前TLC型3D NAND中儲存容量最大的。英特爾美光陣營正在計劃64層堆疊技術,會轉用Charge Trap技術。

此外,英特爾除了3D NAND技術外,也開發新型的3D XPoint存儲器,屬於自成一格的技術派別,也讓外界揣測,英特爾在下世代的NAND Flash技術上,是否有意陸續和美光畫下界線。

英特爾的3D XPoint快閃存儲器問世時,引發整個半導體業界的討論,因為當時英特爾釋出的信息並不多,但陸續得知,3D XPoint快閃存儲器其實是PCM相變化存儲器的一種,不但可取代NAND Flash,也有機會取代DRAM。

正值NAND Flash產業從傳統Floating Gate技術轉移到3D NAND Flash技術之際,既有的半導體大廠已面臨不少挑戰,變量還很多,但這樣的轉折也給了新進者一個加入戰局的機會,當中最大受益者莫過於大陸。

大陸要提升半導體芯片自製率到50%以上,消耗量龐大的存儲器芯片絕對是不能缺席的要角,然要搶進已經如此成熟的產業,技術改朝換代之際是最好的時間點,大陸的存儲器中心長江存儲和武漢新芯就是卡到傳統Floating Gate轉到3D NAND Flash技術的轉折點,又成功獲得飛索(Spansion) Charge trap技術的一臂之力,至少在進入NAND Flash產業的起跑點上,成功彎道超車拿到門票。

飛索和武漢新芯的合作要追溯至過去武漢新芯一直幫飛索代工NOR Flash芯片。在飛索2014年買給Cypress之前,飛索和三星針對Charge trap技術打官司,在和解後三星每年要支付給飛索Charge trap技術的權利金,飛索手上握有此技術算是大贏家,一手向三星收權利金,另一手授權給大陸Charge trap技術。

長江存儲預計最快是2017年底量產32層技術的3D NAND,廣泛而言落後國際大廠兩個世代。

但業界仍是存有疑問,因為3D NAND技術的難度太高,即使是三星東芝等大廠3D NAND技術問世的時間點都是一再延後,三星的64層技術也要到年底才量產,長江存儲/武漢新芯目前是2017年底量產32層技術的3D NAND,但能否用於商用化?以及何時能追上國際大廠的速度,前方挑戰還很多。

資料來源:Digitimes

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