作者: Lars Heineck，美光先进NAND技术副总裁
半导体行业十分有趣，同时也充满挑战。俗话说，“打江山难，守江山更难”，这句话形容半导体行业十分贴切。我们需要顶住重重压力，不断突破物理、化学、制造和创新的极限，以推动逻辑、内存、存储等计算器件的发展。如何开发出尺寸更小、速度更快、功耗更少、成本更低，同时容量更大的闪存技术是我们每天都要应对的挑战。美光凭借3D NAND新技术与率先推出的新产品再攀高峰，借此机会让我们回顾美光取得的辉煌成就。
美光一直以来被公认为3D NAND技术的领导厂商，之前我们推出了业内首款176层替换栅极NAND技术，再次证明了这一点。从那时起，我们就将先进 NAND 技术引入美光存储产品组合中，凭借多种外形规格与接口技术，广泛地应用于移动设备、PC客户端、汽车、智能边缘和数据中心等不同市场，充分展示了美光卓越的运营能力。
在完善和扩大176层NAND技术应用的同时，美光团队也在努力开发下一代更先进的NAND技术。近日，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，我们为此感到自豪。
这标志着业界首款232层3D NAND正式问世。目前该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于今年晚些时候上市，届时将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。
垂直堆叠，而非横向扩展
我发现当我和一些不太熟悉NAND技术的受众谈及我们的产品时，“堆叠层数越多就越好”这个概念往往很好理解。因此我想借机向更多群体分享这一技术进步的细节与影响。
就3D NAND而言，堆叠层数越多越好。请想象要在一个寸土寸金的城市提高居住密度以应对人口增长，向外扩建不仅可能性低，而且成本高。因此很多城市选择向上扩建，即在同样大小的土地上修建楼层更高、房间更多的大楼和公寓，以实现更高容积率。同理，停车场和建筑物的供水及暖通空调设施大部分都位于地下，以更好地提高空间效率。
美光新推出的232层 NAND 基于经过验证的CMOS 阵列下(CuA)架构，该架构为容量增长、密度增加、性能提升和成本降低提供了一个向上扩展的方法。通过增加NAND数据单元阵列堆叠层数， 能够增加每平方毫米晶圆上的比特数，进而提高存储密度，降低单位存储成本。
全球首发的 232 层 NAND 技术标志着美光第六代NAND 即将进入大规模量产。突破性的超高堆叠层数和CuA技术使每颗芯片仅需极小的尺寸就可存储高达1Tb的容量，这意味着232层NAND的比特密度比上一代176层 NAND 高出45% 以上，多么惊人的容量提升!密度的增加也进一步改善了封装规格，全新的11.5mm x 13.5mm封装尺寸较前几代小28%。这些突破意味着大容量、高性能的存储产品将能搭载在更多类型的设备上。
更强性能，更高服务质量（QoS）
除了密度增加，拥有业界最多堆叠层数，232层NAND也是目前速度最快的 NAND产品。开放式NAND闪存接口（ONFI）使传输速率大大提高，达到2400 MT/s，再次领先业界，比上一代技术提高50% 以上。此外双向带宽也有提高，相比176 层产品，232 层 NAND 的写入带宽提升可达100%，读取带宽提升超过75% 。
为了实现存储与性能进步，我们需要将3D NAND划分为更多的六个平面，以实现更高程度的并行，从而提高性能。目前市场上许多NAND只有两个平面，就算是最先进的产品也仅采用四平面设计来传输指令与数据流，美光则是首家将六平面TLC（三层单元）NAND产品推向市场的厂商。
就单颗裸片而言，增加并行性能给NAND器件同时发送更多读写指令，从而提高顺序访问和随机访问的读写性能。因此，六平面架构和全新 232 层 NAND 中相应的独立字线数量，也可以通过减少写入和读取指令冲突来提高服务质量(QoS)。就像高速公路一样，车道越多，拥堵就越少，特定区域的交通就越通畅。
勇攀高峰
在3D NAND闪存中增加更多堆叠层数看似轻而易举，实则并非如此。NAND 的制造工艺非常复杂，往往需要数百道独立工艺流程才能将原始晶圆加工成合适的裸片或芯片。
增加堆叠层数最大的困难也许是确保堆叠从上而下的统一性，这对于正确对齐所有的层和连接柱是必不可少的。我们试举几例遇到的挑战:
垂直字线层之间的距离缩短增加了存储单元间的电容耦合，这个问题需要解决。
随着堆叠层数的增加，硅柱刻蚀功能的工艺难度急剧上升。
美光使用高度先进的蚀刻和图案化工艺来创建高深宽比结构，并通过高效的替换栅极工艺来提升性能。
团队建设
应对这些挑战需要团队间紧密协作，包括设计、技术开发、系统启动、晶圆制造、测试和封装以及许多其他职能部门的支持，因此优化跨职能团队协作是影响复杂解决方案成败的关键。从设计与技术协同优化的角度出发，理解工艺效果，并调整设计以使产品性能更加稳健十分重要。例如3D NAND需要控制器进行先进的数据管理和纠错，以增加编程周期。精准的平面规划和建模同样非常重要，因为要确保不会因工艺偏差而影响电气参数与热参数。
创新半导体原型设计已经困难重重，大批量生产3D NAND则是更大的挑战。3D NAND采用垂直结构堆叠存储单元，因此任一单元的缺陷都会影响单元串的性能。高深宽比刻蚀对精度要求极高，因此需要采用先进的污染控制方法以降低残次率，同时提高电子迁移速度和导电性以解决传输速度下降的问题。
尽管美光拥有丰富的内部专业知识来推动这一技术创新，我们还是与机台厂商、材料生产商和其他供应商密切合作，开发解决方案，以精确构建极端几何形状的内存单元。
即将交付的SSD
从设备端到智能边缘再到云计算，美光 232层NAND代表了数字化发展过程中的分水岭。从最早支持手机上的拍照技术，到支持平板电脑、轻薄笔记本电脑和可穿戴设备，固态存储技术是科技发展背后的关键推手。如果没有存储应用程序和数据的技术，科技发展会受到极大阻碍。
“业界首发，不二选择”这一宣言代表了美光对技术领导力的不懈追求，深受团队认同。随着堆叠层数的不断增加，美光提供了拥有更高存储密度，更少能耗与更低单位存储成本的产品和技术，有助于为数字化、系统优化和自动化发展提供新机会。通过不断突破设计、工艺与卓越制造的极限，美光始终保持技术领先地位。凭借 232层3D NAND，美光再一次提升了 NAND 技术的业界基准，期待该技术能掀起新一波产品创新的浪潮。
