拆解揭密三星逆天2TB固态移动硬盘中的3D V-NAND闪存

编按：本文作者Kevin Gibb为信息服务、咨询和管理软件供应商TechInsights产品线经理

三星(Samsung)早在2015年8月就发布其256Gb的3位多级单元(MLC) 3D V-NAND闪存K9AFGY8S0M，并强调将用于各种固态硬盘(SSD)，也预计会在2016年初正式上市。这些承诺如今真的实现了，我们得以在其2TB容量的T3系列mSATA可携式SSD中发现其踪影(如图1)。

图1：三星T3 2TB SSD

根据TechInsights的拆解，我们在这个SSD上发现了内含4个0.5TB容量K9DUB8S7M封装的双面电路板(如图2)。每一封装中包含的就是我们正想探索的16个48L V-NAND晶粒。

图2：三星T3系列2TB SSD正面和背面电路板

图3显示这16颗晶粒相互堆栈以及采用传统线键合技术连接的封装横截面。这些芯片的厚度仅40um，着实令人眼睛为之一亮，这或许是我们所见过的封装中最薄的芯片了。相形之下，我们在2014年拆解三星32L N-NAND中的晶粒约为110um，封装约堆栈4个芯片的高度。

我们还看过其它较薄的内存芯片，包括海力士(Hynix)用于超威(AMD) R9 Fury X绘图卡的HBM1内存，厚度约为50um，以及在三星以硅穿孔(TSV)互连4个堆栈芯片的DDR4，其中有些DRAM晶粒的厚度约为55um。

因此，40um真的是超薄！而且可能逼近于300mm直径晶圆在无需使用承载晶圆(carrier wafer)所能实现的最薄极限。这实在令人印象深刻。

图3：16个相互堆栈的三星48L V-NAND

图4显示其中的一个256Gb晶粒，压缩了2个5.9mm x 5.9mm的较大NAND闪存组(bank)。我们可以将整个芯片区域划分为大约2,600Mb/mm2的内存大小，计算出内存密度总量。相形之下，三星16nm节点的平面NAND闪存测量约为740MB/mm2。所以，尽管V-NAND采用较大的工艺节点(~21nm vs. 16nm)，其内存密度几乎是16nm平面NAND闪存的3.5倍(见表1)。

图4：三星256GB的V-NAND——K9AFGD8U0M

表1：平面与V-NAND的密度比较

我们的48L V-NAND分析才刚刚开始。图5是从内存数组部份撷取的SEM横截面，可以看到在此堆栈中有55个闸极层：48个NAND单元层、4个虚拟闸极、2个SSL和1个GSL。在2个V-NAND串联(string)中，分别都有一个由电荷撷取层和金属闸极围绕的多晶硅环，可在高钨填充的源极触点之间看到。

图5：48L V-NAND数组的SEM横截面

图6是V-NAND string顶部的更高倍数放大图。多晶硅环形(NAND string通道)顶部表面是由连接至迭加位线的钨位线进行接触。金属字符线、氧化阻障层和电荷撷取层环绕着多晶硅通道层。

图6：V-NAND数组的上半部份

我们现在还无法展示这个48L V-NAND数组的精细结构，因为我们的实验室才刚刚取得这款装置。但是，目前可以提供一些在三星32L V-NAND中发现的特性(如图7)作为参考。

形成NAND string通道的多晶硅环形，接触从基板向上伸出的选择性外延生长(SEG)触点。横跨在基板顶部则作为相邻源极线的选择闸极。

多晶硅通道层外围环绕着较薄的穿隧电介质，这可能是由原子层沉积(ALD)而形成的。电荷撷取层(通常是氮化硅)与该穿隧电介质接触，并以氧化阻障层加以覆盖，这也可能是由ALD形成的。阻障层氧化物与金属闸极(字符线)环绕着电荷撷取层。

对于闪存来说，电荷撷取层是一种相当新颖的设计，因为它通常是采用多晶硅浮闸来储存电荷的。我们看到Spansion在其MirrirBit NOR闪存中采用了氧化硅撷取层，不过，三星可能最先在NAND闪存中使用电荷撷取层。

图7：三星32L V-NAND的TEM横截面

图8：V-NAND string的TEM平面图，可看到多个环形的分层

直到最近，我们只看到三星V-NAND以独立型SSD的形式出现，我们开始猜测最终出现在消费产品之前还需要多长时间。从我们在今年1月的拆解来看，微软(Microsoft)已经在其Surface Book和Surface Pro 4笔记本电脑中采用了128GB的V-NAND SSD，预计这一等待的时间也不会太久了。

我们也在智能手机中看到了这种闪存，而且认为已经在三星Galaxy S7(如图9)的通用闪存储存(UFS) NAND闪存中使用了这种技术。相较于其上一代产品——eMMC类型的内存模块，据称这种32GB的UFS 2.0内存的功耗更低、尺寸也更小。以往我们预期它会包含某种32L V-NAND，但这应该不会发生了，因为我们发现他们改用16nm NAND闪存作为替代方案。

图9：三星32GB UFS 2.0

图10：三星16nm平面NAND闪存数组

我们将持续追逐V-NAND在智能手机中的踪影。由于三星曾经在2014年首次推出32L V-NAND，也在2016年首次上市48L，预计三星将率先在手机中导入V-NAND。三星目前在韩国以及中国西安都已经有V-NAND晶圆厂了，我们认为三星将更密切致力于V-NAND，平面NAND微缩也将很快地迈入尾声。

编译：Susan Hong

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

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