美光和鎧俠對3D NAND FLASH的布局介紹

美光：3D NAND繼續往多層次發展

從2016年左右開始，因為二維設計不能滿足其不斷增加的小型化需求，NAND Flash走向了三維。之后，為了提高內存密度，各家公司都在認真增加三維堆棧的數量。例如，美光比其他任何廠商都更早地開始生產 32 層、64 層、96 層、128 層和 176 層。

此外，在 2022 年 5 月 13 日，就在 IMW2022 召開之前，有消息稱美光將從 2022 年下半年開始生產 232 層 3D NAND。這個 232 層的 3D NAND 是一個 116 層NAND的兩層堆棧。采用了所謂的CMOS Under Array（CUA）結構，在存儲器陣列的底部形成CMOS電路。

雖然增加堆棧數量以提高 3D NAND 的存儲密度的方法很簡單，但存在很多問題，例如打開高縱橫比（AR）的存儲孔并將其嵌入。因此，美光提出通過在平面方向，即XY方向上對存儲單元進行縮放，以及依靠堆疊層數的增加來提高存儲密度。

下午是存儲單元陣列的平面圖。一個稱為柱子的小圓圈上下貫穿陣列堆棧。圍繞柱子的字線 （WL） 充當存儲器件的柵極。即柱與WL的交叉點形成存儲裝置的存儲單元。該單元以不同的閾值電壓 （Vt） 水平存儲二進制數據。

WL之間的間隙稱為狹縫，這是形成存儲單元陣列所必需的結構。這是因為在 3D NAND 中，犧牲 WL 材料的去除和金屬柵極的形成是通過狹縫進行的。

對于具有這種結構的存儲單元，有兩種 XY 縮放方法。一是減小狹縫寬度，二是密集排列柱子。這種方法稱為支柱間距縮放。

從上圖還可以看到，當狹縫之間的柱的數量增加到4柱、9柱、14柱和24柱時的存儲單元的平面圖。當狹縫之間的柱子數量超過 14 時，縮放收益開始減少。因此，可以看出，一味地進行柱間距縮放是不夠的。

因此我們可以得出結論，有兩種方法可以提高 3D NAND 的存儲密度。一種是在垂直方向上堆疊存儲單元。另一種是在XY方向上縮放存儲單元。

前者對高AR孔的加工和上下級孔的對位難度逐年增加。而后者則是緩解存儲器單元在垂直方向的指數堆疊的利器。

但是，如果繼續XY方向的微細化，則CMOS的小型化將繼續，例如，可以將FinFET用于晶體管，或者可以將EUV應用于精細布線。這些不能輕易采用，因為它們會導致內存成本飆升。

因此，當在 XY 方向縮放時，有必要想辦法減少每比特的 CMOS 電路，以避免使用 FinFET 和 EUV 等昂貴的工藝。

綜上所述，垂直堆疊、XY方向縮放、CMOS電路每比特減少這三種方法對于未來3D NAND的高密度化具有重要意義。

鎧俠：液氮溫度下的3D NAND演示實驗

數據中心發熱已成為全球性問題。因此，出現了浸入式服務器。這也就是我對 Kioxia 的公告感到驚訝的原因，因為他們通過將 3D NAND 浸入絕對溫度為 77K 的液氮中來展示其操作。

鎧俠在 2019 年的 IEDM 上報告稱，它通過將 3D NAND 存儲單元分成兩部分來運行 5 位/單元（Penta Level Cell （PLC））。2021 年 12 月，鎧俠在 IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits上通過將 3D NAND 浸入液氮中成功實現了 6 位/單元操作，并已經完成相關操作。

這一次，鎧俠的目標是通過將3D NAND浸入液氮中，并將3D NAND的溝道從多晶硅改為單晶硅，進一步提高價值。下圖左側顯示了本次使用的單晶硅溝道的3D NAND結構，下圖右側則顯示了實驗設置。

首先，3D NAND的讀取噪聲結果如圖所示。如果將多晶硅溝道在室溫300K的讀取噪聲標準化為“1”，只需將其浸入77K的液氮中即可將噪聲降低至70%，室溫300K時噪聲為60%在單晶通道中，當單晶溝道浸入液氮77K時，噪聲降低到40%以下。

接著，數據保持特性的實驗結果如圖所示。發現在 77K 的液氮溫度下，由于電荷損失導致的 Vth 偏移小于在 300K 的室溫下。還發現多晶硅和單晶硅在液氮溫度為 77 K 時沒有區別。

然后，將單晶溝道的3D NAND浸入液氮中運行，成功實現7bit/cell。

鎧俠將5-bit/cell稱之為Penta Level Cell （PLC）。6 位/單元會是 Hexa Level Cel （HLC） 嗎？而7 bits/cell就是Hepta Level Cell （HLC），但是縮寫是6 bits/cell和7 bits/cell是一樣的。我們應該如何區分？

就算能做到 7 bits/cell，但用液氮冷卻 3D NAND 可能成本會很高（我也是這么認為的）。為此，鎧俠對成本進行了估算，如圖所示。

參考是在 300K 的室溫下運行 4 位/單元 （QLC） 3D NAND 的情況進行的。

據鎧俠測算，液氮冷卻的成本不到芯片制造成本的10%。因此，在液氮 77K 中可以運行 7 位/單元的 3D NAND 的成本是參考的 64%。如果這個計算是正確的，用液氮冷卻不會導致成本增加。