拆解揭密三星逆天2TB固態(tài)移動硬盤中的3D V-NAND閃存

編按：本文作者Kevin Gibb為信息服務(wù)、咨詢和管理軟件供應(yīng)商TechInsights產(chǎn)品線經(jīng)理

三星(Samsung)早在2015年8月就發(fā)布其256Gb的3位多級單元(MLC) 3D V-NAND閃存K9AFGY8S0M，并強調(diào)將用于各種固態(tài)硬盤(SSD)，也預(yù)計會在2016年初正式上市。這些承諾如今真的實現(xiàn)了，我們得以在其2TB容量的T3系列mSATA可攜式SSD中發(fā)現(xiàn)其蹤影(如圖1)。

圖1：三星T3 2TB SSD

根據(jù)TechInsights的拆解，我們在這個SSD上發(fā)現(xiàn)了內(nèi)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顆晶粒相互堆棧以及采用傳統(tǒng)線鍵合技術(shù)連接的封裝橫截面。這些芯片的厚度僅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芯片了。相形之下，我們在2014年拆解三星32L N-NAND中的晶粒約為110um，封裝約堆棧4個芯片的高度。

我們還看過其它較薄的內(nèi)存芯片，包括海力士(Hynix)用于超威(AMD) R9 Fury X繪圖卡的HBM1內(nèi)存，厚度約為50um，以及在三星以硅穿孔(TSV)互連4個堆棧芯片的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(xiàn)的最薄極限。這實在令人印象深刻。

圖3：16個相互堆棧的三星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閃存組(bank)。我們可以將整個芯片區(qū)域劃分為大約2,600Mb/mm2的內(nèi)存大小，計算出內(nèi)存密度總量。相形之下，三星16nm節(jié)點的平面NAND閃存測量約為740MB/mm2。所以，盡管V-NAND采用較大的工藝節(jié)點(~21nm vs. 16nm)，其內(nèi)存密度幾乎是16nm平面NAND閃存的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是從內(nèi)存數(shù)組部份擷取的SEM橫截面，可以看到在此堆棧中有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(lián)(string)中，分別都有一個由電荷擷取層和金屬閘極圍繞的多晶硅環(huán)，可在高鎢填充的源極觸點之間看到。

圖5：48L V-NAND數(shù)組的SEM橫截面

圖6是V-NAND string頂部的更高倍數(shù)放大圖。多晶硅環(huán)形(NAND string通道)頂部表面是由連接至迭加位線的鎢位線進行接觸。金屬字符線、氧化阻障層和電荷擷取層環(huán)繞著多晶硅通道層。

圖6：V-NAND數(shù)組的上半部份

我們現(xiàn)在還無法展示這個48L V-NAND數(shù)組的精細結(jié)構(gòu)，因為我們的實驗室才剛剛?cè)〉眠@款裝置。但是，目前可以提供一些在三星32L V-NAND中發(fā)現(xiàn)的特性(如圖7)作為參考。

形成NAND string通道的多晶硅環(huán)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。

多晶硅通道層外圍環(huán)繞著較薄的穿隧電介質(zhì)，這可能是由原子層沉積(ALD)而形成的。電荷擷取層(通常是氮化硅)與該穿隧電介質(zhì)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(字符線)環(huán)繞著電荷擷取層。

對于閃存來說，電荷擷取層是一種相當新穎的設(shè)計，因為它通常是采用多晶硅浮閘來儲存電荷的。我們看到Spansion在其MirrirBit NOR閃存中采用了氧化硅擷取層，不過，三星可能最先在NAND閃存中使用電荷擷取層。

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(huán)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(xiàn)，我們開始猜測最終出現(xiàn)在消費產(chǎn)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(jīng)在其Surface Book和Surface Pro 4筆記本電腦中采用了128GB的V-NAND SSD，預(yù)計這一等待的時間也不會太久了。

我們也在智能手機中看到了這種閃存，而且認為已經(jīng)在三星Galaxy S7(如圖9)的通用閃存儲存(UFS) NAND閃存中使用了這種技術(shù)。相較于其上一代產(chǎn)品——eMMC類型的內(nèi)存模塊，據(jù)稱這種32GB的UFS 2.0內(nèi)存的功耗更低、尺寸也更小。以往我們預(yù)期它會包含某種32L V-NAND，但這應(yīng)該不會發(fā)生了，因為我們發(fā)現(xiàn)他們改用16nm NAND閃存作為替代方案。

圖9：三星32GB UFS 2.0

圖10：三星16nm平面NAND閃存數(shù)組

我們將持續(xù)追逐V-NAND在智能手機中的蹤影。由于三星曾經(jīng)在2014年首次推出32L V-NAND，也在2016年首次上市48L，預(yù)計三星將率先在手機中導(dǎo)入V-NAND。三星目前在韓國以及中國西安都已經(jīng)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。

編譯：Susan Hong

本文授權(quán)編譯自EE Times，版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載

關(guān)注最前沿的電子設(shè)計資訊，請關(guān)注“電子工程專輯微信公眾號”。