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第四代BiCS閃存,究竟是如何演變?

電子工程師 ? 來源:互聯(lián)網(wǎng) ? 作者:佚名 ? 2017-09-20 09:39 ? 次閱讀
隨著半導(dǎo)體制程發(fā)展遇到瓶頸,閃存原廠紛紛通過3D堆疊來實(shí)現(xiàn)固態(tài)硬盤容量的可持續(xù)提升。目前東芝已經(jīng)提出了創(chuàng)紀(jì)錄的96層堆疊3D閃存——第四代BiCS閃存。它的內(nèi)部是如何工作的?一顆閃存芯片又是如何演變成我們能看到的閃存顆粒?接下來為大家解說。

3D閃存是如何記錄數(shù)據(jù)的:

3D閃存具體到不同閃存原廠會有不同的商品名,例如BiCS就是東芝提出的3D閃存構(gòu)型。閃存的垂直堆疊并不如大家想象中簡單,涉及工藝的方方面面,目前國產(chǎn)連平面閃存都造不好,3D閃存也只是提出了24層堆疊的構(gòu)想,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外水平。

3D閃存將原本平面排列的記憶單元改為垂直方向,不同層面之間通過穿孔聯(lián)系起來,它的運(yùn)作方式與傳統(tǒng)2D平面閃存有著本質(zhì)的不同,各閃存原廠在轉(zhuǎn)型3D的過程中歷盡艱辛,成本居高不下。

熟悉2D閃存結(jié)構(gòu)的朋友知道要一定一個(gè)閃存記憶單元,需要有Bit Line(位線)和Word Line(字線)二者配合,而在3D閃存當(dāng)中還需要再多出一個(gè)Select Gate(選擇門),三者共同組合才能確立一個(gè)特定目標(biāo)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

通過施加不同的電壓,閃存記憶單元中存儲的數(shù)據(jù)會發(fā)生改變。不斷改變Word Line(字線)就能在不同Page(頁)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。

不同閃存記錄單元陣列之間,需要通過選擇門進(jìn)行切換尋址。在立體結(jié)構(gòu)中通過3個(gè)參數(shù)確立一個(gè)特定目標(biāo),這一點(diǎn)跟英特爾提出的3D XPoint比較相似,但3D閃存是以降成本為目標(biāo),3D XPoint則是漲成本求性能。

具體到一個(gè)特定閃存記錄單元中,可以看到它的獨(dú)特圓柱形結(jié)構(gòu):

圓柱體的中心是核心硅晶體,實(shí)質(zhì)記錄數(shù)據(jù)的是藍(lán)色所示的一圈Charge Trap Layer(電荷捕獲層)。閃存是通過電位狀態(tài)來記錄數(shù)據(jù),Charge Trap Layer正是存儲電荷表達(dá)電位的核心所在。根據(jù)閃存類型的不同,可能會有MLC、TLC和QLC多種不同形式,分別需要表達(dá)4種、8種和16種電位狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對2bit、3bit、4bit數(shù)據(jù)的存儲。

3D閃存是如何從晶圓變成顆粒的:

閃存芯片和CPU一樣,都是通過光刻技術(shù)生產(chǎn),經(jīng)過切割后每個(gè)晶圓上有大量的小芯片。原廠會通過獨(dú)有的工藝去檢測這些芯片的質(zhì)量,只取其中最優(yōu)質(zhì)的芯片制成原裝閃存顆粒。

這樣小小的一顆芯片距離顆粒還有一段路要走。

東芝將多達(dá)16個(gè)小芯片堆疊起來,使用TSV硅通孔技術(shù)將其連接,也就是3D閃存垂直堆疊基礎(chǔ)上的再度堆疊,實(shí)現(xiàn)極高存儲密度:

最后封裝成下圖我們常見的閃存顆粒形式,這些顆粒還將經(jīng)過原廠的進(jìn)一步檢測,通過之后才會打上原廠標(biāo)志,成為原裝閃存出貨。

以96層堆疊的3D閃存再經(jīng)16疊Die,最終單個(gè)閃存顆粒可得到1TB(3D TLC)或1.5TB(3D QLC)的容量。

可以說閃存國產(chǎn)化還有很長的路要走。

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原文標(biāo)題:圖解東芝96層堆疊的3D閃存工作原理,國產(chǎn)差距巨大

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