Технологія флеш-пам’яті 3D NAND
Всім привіт! Як ви знаєте, сучасна планарна флеш-пам'ять NAND майже вичерпала свій потенціал. Основною її проблемою і те, що зменшувати розміри кристала стає дедалі складніше. За прогнозами експертів, 14-15 нм технологічні норми стануть межею планарної флеш-пам'яті принаймні найближчим часом. А на зміну їй прийде технологія вертикальної флеш-пам'яті – 3D NAND.
Дуже важливо розуміти, що ж заважає подальшому зменшенню розмірів кристала. Насамперед, для освоєння більш тонких техпроцесів необхідне дороге обладнання, купівля якого може надалі не виправдатися з економічної точки зору. І якщо придбання нових літографічних машин – питання вирішуване, то проблему перетікання заряду з одного осередку до іншого, через який виникають помилки, вирішити не так легко.
Словом, індустрія опинилася в ситуації, коли ресурси звичайної, планарної, флеш-пам'яті вичерпані. Тому з'явилася ідея розміщувати осередки не лише у площині, а ще й шарами. Таким чином, чіп отримує тривимірну структуру і здатний вміщувати значно більше інформації на одиницю площі, ніж двовимірні кристали. Технологія дістала назву 3D NAND. Тут варто відзначити, що виробники використовують різні техніки для створення тривимірної пам'яті, тому архітектура 3D NAND у кожної компанії може мати свої особливості та відмінності.
Першою компанією, що налагодила виробництво тривимірної флеш-пам'яті під назвою 3D V-NAND та накопичувачів на їх основі, був корейський гігант Samsung. Ще в 2013 році вони оголосили про випуск перших тривимірних чіпів типу MLC, що налічують 24 шари. А вже за рік 3D реалізацію отримала флеш-пам'ять TLC, кількість шарів якої збільшилася до 32.
Як ви знаєте, в основі конструкції планарної флеш-пам'яті лежить транзистор із плаваючим затвором. Затвор, що плаває, має здатність утримувати заряд протягом тривалого часу. Як виявилося, у цьому криється основний недолік конструкції: при зменшенні техпроцесу внаслідок зносу осередків заряд може перетікати з одного осередку до іншого. Для вирішення цієї проблеми Samsung використовує технологію 3D Charge Trap Flash, що в перекладі з англійської означає пастка заряду.
Її суть полягає в тому, що заряд тепер поміщається не в затвор, що плаває, а в ізольовану область осередку з непровідного матеріалу, в даному випадку - нітриду кремнію (SiN). Тим самим знижується ймовірність «витікання» заряду та підвищується надійність осередків.
Крім того, застосування технології CTF дозволило зробити чіпи пам'яті більш економічними. За даними Samsung, економія може досягати 40% порівняно з планарною пам'яттю.
Тривимірна комірка 3D V-NAND є циліндром, зовнішній шар якого є керуючим затвором, а внутрішній - ізолятором. Осередки розташовуються один над одним і формують стек, усередині якого проходить загальний для всіх осередків циліндричний канал з полікристалічного кремнію. Кількість осередків у стеку еквівалентна кількості шарів флеш-пам'яті.
3D V-NAND пам'ять також може похвалитися вищою швидкістю роботи. Цього вдалося досягти за рахунок спрощення алгоритму запису в комірку – тепер замість трьох операцій виконується лише одна. Спрощення алгоритму стало можливим завдяки меншій інтерференції між осередками. У випадку з планарною пам'яттю через можливі перешкоди між сусідніми осередками був потрібний додатковий аналіз перед записом. Вертикальна пам'ять вільна від цієї проблеми, тазапис виконується за крок.
Та й кілька слів про надійність. 3D V-NAND пам'ять значно менше схильна до зносу завдяки тому, що для запису інформації в комірку не потрібно високої напруги. Нагадаємо, щоб помістити дані в комірку планарної пам'яті застосовується напруга близько 20 В. Для тривимірної пам'яті цей показник нижче. На надійності сприятливо позначився той факт, що виробництво тривимірної флеш-пам'яті не вимагає тонких технологічних норм. Наприклад, третє покоління пам'яті 3D V-NAND з 48 шарами проводиться за налагодженим 40 нм техпроцесом.
Поки Samsung виробляла чіпи тривимірної флеш-пам'яті собі на збитки (що, до речі, було офіційно підтверджено корейською компанією), інші виробники флеш-пам'яті розробляли конкуруючі технології. Так, компанії Toshiba та SanDisk об'єдналися в союз для випуску тривимірної флеш-пам'яті BiCS 3D NAND (Bit Cost Scalable).
Робота над технологією розпочалася ще у 2007 році силами однієї Toshiba, а перші зразки тривимірної флеш-пам'яті BiCS були продемонстровані у 2009 році. З того часу розвиток технології не форсувався. Крім того, альянс Toshiba/SanDisk чітко дав зрозуміти, що вони не збираються виводити тривимірну флеш-пам'ять у масове виробництво, допоки це не буде економічно вигідно.
Основною відмінністю 3D флеш-пам'яті Toshiba від планарної, як і у випадку з Samsung 3D V-NAND, є використання технології CTF замість класичних транзисторів із плаваючим затвором. Матеріалом для ізольованої області також є нітрид кремнію (SiN). Принцип дії технології в BiCS 3D NAND залишається тим самим: інформація міститься не в плаваючому затворі, як раніше, а в ізольованій області.
Що вигідно відрізняє BiCS 3D NAND від технології 3D V-NAND, так це використання U-подібних рядків (ліній). Це означає, що осередки групуються над ряд, а має форму літери U послідовність. За словами Toshiba, такий підхід дозволяє досягти максимальної надійності та швидкості роботи. Це стало можливим завдяки тому, що в U-подібному дизайні транзистор, що перемикає, і лінія витоку розташовуються у верхній частині послідовності (а не в нижній, як при «рядному» дизайні) і не піддаються високотемпературному впливу, внаслідок чого зменшується кількість помилок при читанні та запису .
Також до переваг U-подібного дизайну Toshiba відносить і той факт, що така конструкція не потребує використання фотолітографії у глибокому ультрафіолеті. Тому для виготовлення тривимірної флеш-пам'яті компанія може використовувати існуючі виробничі потужності.
Цікаво й те, що у виробництві BiCS 3D NAND компанія Toshiba вперше в масовому застосуватиме технологію тонкоплівкових транзисторів (TFT).
Щодо технічних характеристик чіпів BiCS, то це будуть 48-шарові кристали пам'яті типу TLC. Їхня щільність складе 256 Гбіт. При виробництві використовуватиметься налагоджений 30-40 нм техпроцес. Загалом, за характеристиками перші масові чіпи BiCS 3D NAND будуть дуже схожі на третє покоління кристалів Samsung 3D V-NAND.
Альянс Micron/Intel також веде розробку власної тривимірної флеш-пам'яті. Багато експертів пророкували, що всі проекти 3D NAND будуть використовувати технологію CFT, проте Micron з Intel здивували всіх і пішли іншим шляхом. Основу їхньої тривимірної флеш-пам'яті складають осередки з плаваючим затвором. У Micron стверджують, що саме така архітектура дозволяє більшенадійно зберігати заряд у комірці.
Micron обіцяє налагодити масове виробництво чіпів тривимірної флеш-пам'яті вже цього року. Це будуть 32-шарові кристали щільністю 256 Гбіт (MLC) та 384 Гбіт (TLC).
Про архітектуру тривимірної флеш-пам'яті SK Hynix відомо не багато. Спочатку південнокорейська компанія планувала використовувати осередки з плаваючим затвором, проте зрештою вибір ліг на технологію CTF. Цього року SK Hynix обіцяє нарешті налагодити масове виробництво 3D NAND. Це будуть 48-шарові чіпи TLC ємністю 256 Гбіт.
Ви можете допомогти і перевести небагато коштів на розвиток сайту