3D NAND原廠技術比拼，哪家垂直單元效率更高？
近日市場研究機構Techinsights對于三星、SK海力士/Solidigm、美光、KIOXIA/WD、YMTC的200層以上的3D NAND Flash進行了對比分析，發現三星的垂直單元效率 (VCE，vertical cell efficiency) 是最高的。
傳統的NAND閃存單元采用平面晶體管結構，包括控制柵極（Control Gate）和浮動柵極（Float Gate）。通過向單元施加電壓，電子在浮動柵極中存儲和移除。
多年來，供應商將平面 NAND 的單元尺寸從 120nm 縮小到 1xnm 節點，使容量增加了 100 倍。然而，當單元尺寸達到了 14nm 的極限，這意味著該技術不再可擴展，由此NAND原廠紛紛轉向3D NAND，以實現超過 2D NAND 結構的數據密度，并能夠在更新一代的技術節點上制造。
具體來說，平面 NAND 由帶有存儲單元的水平串組成。而在 3D NAND 中，存儲單元串被拉伸、折疊并以“U 形”結構垂直豎立。實際上，這些單元以垂直方式堆疊以縮放密度。因此，3D NAND存儲單元有多個層級。
3D NAND的層數描述了堆疊在一起的字線（Word Line）數量。在這些字線層上切出一個垂直柱，柱子與每條字線的交點代表一個物理單元。也就是說，每個 3D NAND 存儲單元都類似于一個微小的圓柱形結構。每個微小單元由中間的垂直通道和結構內部的電荷層組成，通過施加電壓，電子可以進出絕緣電荷存儲膜，然后讀取信號。
平面 NAND 在每個節點上都減小了單元尺寸，而 3D NAND 則采用了更寬松的工藝，大約在 30nm 到 50nm 之間。3D NAND 內存容量的擴展主要是通過添加垂直層來實現的，在這種3D NAND結構中，單元密度會隨著堆棧中層數的增加而增加。然后，每隔一到兩年，供應商就會從一代技術遷移到下一代技術。
根據研究數據顯示，供應商平均每代 3D NAND 都會增加 30% 至 50% 的層數。而每一代新的芯片將會增加 10% 至 15% 的晶圓成本。這也使得NAND 的每bit成本能夠平均以每年約20%幅度降低。
現在，超過200層的TLC NAND 產品已經逐漸成為主流，比如三星236層NAND 、SK 海力士 238層NAND、美光 232層NAND 、YMTC 232層NAND。此外還有一些接近200層的廠商，比如鎧俠（KIOXIA）和西部數據的 112層/162層NAND 和 Solidigm 的 144層/ 192層 (FG) NAND。
△Techinsights從 SK 海力士 2TB SSD PC811 HFS002TEM9X152N (設備：H25T3TDG8C-X682) 中提取了 SK 海力士 238L 512 Gb 3D NAND 芯片，該芯片尺寸為 34.56mm2，位密度為 14.81 Gb/mm2。
談到 3D NAND 單元效率，垂直單元效率 (VCE，vertical cell efficiency) 對于 NAND 單元工藝、設計、集成和設備操作而言非常重要。
隨著堆疊的總柵極數量的增加，單元 VC（vertical cell）孔高度也會增加。為了降低 VC 高度和縱橫比，其中一種方法是通過減少虛擬柵極（dummy gates）、通過柵極（passing gates）和選擇柵極（select gates）的數量來提高垂直單元效率。垂直單元效率可以用總柵極中active cell 的百分比來定義，也就是用active WL （Word Line）除以集成的總柵極數來計算。垂直單元效率越高，工藝集成度越高，縱橫比越低，整體效率越高。
VCE可定義為活躍單元占總柵極的比例，即Active WL 數量除以總集成柵極數量×100%。例如，一個NAND串由Active WL、通道WL（含dummy WL）和選擇器（源極/漏極）組成。若其包含96個Active WL和總計115個柵極，則VCE為83.5%，計算方法為96/115×100%。VCE越高，對工藝集成越有利，能實現更低的縱橫比和更高的生產效率。
Techinsights發現，在多代 3D NAND 產品中，三星始終以最高的垂直單元效率領跑行業。他們最新的多層V-NAND 在前幾代以高效著稱的基礎上，擁有令人印象深刻的垂直單元效率。美光和YMTC也在其產品中展示了強勁的垂直單元效率數據，這反映出它們在減少虛擬柵極、通過柵極和選擇柵極數量方面取得了顯著進步，從而優化了垂直單元效率。
△3D NAND 垂直單元效率趨勢
總結來看，三星每一代產品的VCE都是最高的，比如采用單層結構的128層是94.1%，176層COP V-NAND是92.1%，236層2nd COP V-NAND是94.8% 。YMTC的232層Xtacking 3.0的VCE是91.7%，美光232層是91%。KIOXIA 162層的VCE稍低一些，為88%。SK海力士238層共有259個門，VCE為91.9%，仍然低于三星的236L。
