3D NAND 闪存市场及技术发展
3D NAND闪存市场发展
在序言中提到，随着闪存工艺技术节点的不断缩小，平面式（Planar）或者叫二维（2D）NAND闪存面临着工艺制程技术的挑战，以及物理极限的限制：当存储电荷的介质层薄到一定程度后，存储的电荷量非常的小，以至于存储电荷和不存储电荷两种状态，也就是“0”和“1”的两种状态之间的差别将变得非常小以至于不能区分。同时太薄的介质层也会带来器件可靠性和稳定性的问题，因为介质层的厚度将不能继续缩小下去。如（图6）中所示根据国际半导体协会的技术发展路线图，至2016年，介质层的厚度将达到10纳米以下这些挑战和技术的瓶颈，与不断增加的对数据存储的密度、容量、功耗及单位存储量价格降低的要求之间的矛盾，迫切地需要新的存储技术的发展和发明来解决这个矛盾。在这样的情况下，三维（3D）NAND 闪存技术应运而生了。
3D NAND技术被视为闪存产业柳暗花明的关键技术，它续写了摩尔定律。由于采用3D的结构，从原来2D要在平面内不断缩小工艺尺寸到向3D方向扩展容量，从而缓解了在2D平面内对工艺尺寸缩小瓶颈和挑战。从2D到3D存储容量得到惊人的提升，以最早实现3D NAND Flash量产的三星为例，继24层128Gb、32层128Gb之后2015年量产48层256GB的NAND Flash，预计4-5年后的目标是达到100层以上1Tb。
随着存储容量瓶颈的突破，性能的优化以及成本的下降，闪存市场将实现值得期待的升华。看好3D NAND的应用发展潜力，三星(Samsung)抢先在2014年发表业界首款运用2x纳米制程、48层堆叠的3D NAND，进而大幅提升制造成本效益。为避免三星持续扩大在快闪记忆体市场的竞为避免三星持续扩大在快闪记忆体市场的竞争优势，东芝(Toshiba)、闪迪（SanDisk）、SK Hynix（SK海力士）、英特尔(Intel)和美光(Micron)等产业主要业者也相继跟进，并都规划在2015年投入量产。如（图7）所示，三星在中国西安厂2014年5月落成启用，投入3D NAND Flash生产；东芝将继续扩建新厂和改造旧厂进行3D NAND Flash的生产；美光新加坡厂也由DRAM转产NAND Flash，转换完毕后月产能将达到23万片；英特尔（Intel）除了和美光的合资厂继续生产NAND Flash外，他们的大连工厂也于2015年10月宣布，预计投资55亿美元将大连工厂从生产芯片组转产3D NAND Flash，并计划将于2016年下半年量产。
（图8）示出了四家主要NAND Flash 公司的技术进程演进的路线图。可以看出，四家主要NAND Flash公司技术演进趋势接近：都是在2D NAND技术演进到1x纳米制程后开始进入3D NAND技术，同时3D NAND技术也在不断演进，有第一代、第二代、更新一代的产品。其中三星在3D NAND方面进度最快,已于2013年量产3D NAND，三星公司2015年生产48层堆叠的3D NAND Flash产品，2016年生产64层堆叠的3D NAND Flash产品，是目前已具备生产系统的企业；SK海力士2015年确保24层堆叠技术，2016年初预计生产48层堆叠产品；东芝/闪迪最快2015年内投入量产；美光预计2015年或2016年初投入量产（资料来源：ET News 2015/3）。
从图中我们还可以看出一个重要的信息，那就是2D 和 3D NAND Flash技术会有重叠，两种技术会共存，不过占比将会有此消彼长的关系：据IC Insight分析显示，2D NAND的出货量将从2015年开始以每年17.1%的速度快速下降，3D NAND的出货量将以200%的年均复合增长率递增，在2017年将达到NAND总量的65%，将逐渐成为主流闪存产品。
3D NAND闪存技术发展
3D NAND技术与现有的2D NAND纳米制程技术截然不同，2D NAND是平面结构而3D V-NAND是立体结构，3D结构是以垂直半导体通道的方式排列，多层环绕式栅极(GAA)结构形成多电栅级存储器单元晶体管，可以有效的降低堆栈间的干扰。3D技术不仅使产品性能至少提升20%，而且功耗可以降低40%以上。
从3D NAND闪存的结构上看，各家公司推出了自己的不同结构的产品。其中东芝/闪迪计划采用P-BiCS(Pipe-shaped Bit Cost Scalable) 技术生产3D NAND Flash产品，于2015下半年量产；三星推出了TCAT (Terabit Cell Array Transistor)、VSAT (Vertical Stacked Array Transistor) 和VG (Vertical Gate) 等不同的三维结构， 且已在2013年8月首次批量生产3D V-NAND产品，其制程为35nm，可以堆叠24层，容量可达128Gb V-NAND，到2015年24nm 3D 36层容量将达到1Tb；SK海力士则使用微调VSAT(Vertical Stacked Array Transistor) 3D Floating Gate（FG）技术生产3D NAND Flash，也于2015年迈入量产阶段；美光3D NAND Flash产品预计2014年第二季度送样，量产时间待定。
看到NAND Flash巨大的市场前景，半导体界巨擘英特尔（Intel）和存储器大厂美光（Micron）也合资兴办主要生产NAND型闪存芯片产品的半导体制造公司IMFT（IM Flash Technology）。2015年3月，英特尔/美光公布了他们合作开发的最新的3D NAND Flash技术，这个技术宣称具备以下一些特点：使用浮栅存储单元以极为精准的方式垂直堆叠数层资料储存单元达到目前为止（发布消息时）所有开发的闪存器件中达到最高的存储密度—是其它在生产的NAND芯片的存储容量的3倍；这种新的 3D NAND 技术可以垂直堆叠32层以实现256Gb多层存储单元（MLC）和384Gb的三层存储单元（TLC），从而可以在口香糖大小的固态存储器（SSD）上实现超过3.5TB的存储容量，在2.5英寸的固态存储器上实现超过10TB的存储容量；创新的工艺结构技术在闪存技术中延伸了摩尔定律，在降低NAND闪存成本的同时大幅提高了存储的密度、性能和可靠性（来自英特尔主页消息）。
非易失性存储器展望
展望未来，随着科技、社会和生活水平的不断提高，特别是物联网（IoT）和智能社会（Smart Society）不断发展和进步，对非易失性存储器的需求会不断增加，特别是存储容量（密度）、读写速度、功耗等方面的性能要求。作为未来非易失性存储器主流技术的3D Flash存储器的技术也将不断完善和改进，主要表现在堆叠的层数将会不断增加，如三星将会在2016年生产64层堆叠的产品。 未来几年，随着工艺技术的不断进步，堆叠的层数可能会增加到100层以上，从未大幅提高存储的密度并降低单位存储单元的价格。
除了Flash 存储器，也会有更多的非易失性存储器技术不断的完善和成熟，并可能逐步达到量产的水平来满足市场的需求。比如磁性随机存储器（MRAM）、阻抗随机存储器（ReRAM）、相变随机存储器（PCRAM）、铁电随机存储器（FeRAM）、导电桥随机存储器（CBRAM），等等。
这其中，值得一提的是2015年7月，英特尔联手美光发布了一种名为3D XPoint的非易失性存储器技术。据报道，这是25年多以来首款基于全新技术的非易失性存储。这种非易失性存储器采用交叉点（Cross Point）的结构，上下相互垂直的线路堆叠，每个存储单元和一个选择单元连接。据英特尔/美光宣称，这种革命性的新型存储器可以比DRAM提高8~10倍的存储密度、更低的能量消耗和信息非易失性，其访问速度是NAND的1,000倍，密度提升了10倍。
不论是新型的非易失性存储器，还是其它不断开发出的新的甚至如3D Xpoint等据介绍的性能来看属于革命性的技术，相比较Flash存储器技术，在技术的成熟性、可靠性以及市场的接受度等方面均有一定差距。 随着3D Flash存储器技术的不断革新和工艺的成熟和稳定，我们相信3D Flash存储器将会在未来很长一段时间内仍然是非易失性存储器技术的主流，在半导体存储器市场中占据主要的市场份额。