3D NAND的出現(xiàn)也是因?yàn)?D NAND無法滿足人們的需求。NAND閃存不僅有SLC、MLC和TLC幾種類型之分，為了提高其容量、降低成本，NAND的制造工藝也在不斷進(jìn)步，厚度開始不斷降低，但NAND閃存和處理器還是有很大不同的。雖然先進(jìn)的工藝帶來了更大的容量，但是其可靠性和性能卻在下降，因?yàn)楣に囋较冗M(jìn)，NAND的氧化層越薄，其可靠性也就越差，廠商就需要采取額外手段彌補(bǔ)這一問題，這必然會(huì)提高成本，以至于在達(dá)到某個(gè)最高點(diǎn)之后完全抵消掉制造工藝帶來的優(yōu)勢(shì)。

3D NAND將思路從提高制造工藝轉(zhuǎn)移到了堆疊更多層數(shù)，這樣就可以兼顧容量、性能和可靠性了。但隨著3D NAND的興起，在價(jià)格和競(jìng)爭(zhēng)壓力期間，3D NAND供應(yīng)商正準(zhǔn)備迎接新的戰(zhàn)斗，相互競(jìng)爭(zhēng)下一代技術(shù)。

NAND美日韓壟斷局面

2016年全球半導(dǎo)體的銷售額之和為3389.31億美元，其中集成電路為2766.98億美元，占82%。但存儲(chǔ)器市場(chǎng)容量約780-800億美元，占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的23%，是僅次于邏輯電路的第二大產(chǎn)品。

從存儲(chǔ)器的種類看，主要分DRAM和Flash，2016年DARM市場(chǎng)容量約414億美元，NAND Flash約346億美元，Nor Flash市場(chǎng)容量較小，約33億美元。據(jù)預(yù)測(cè)2017年，DRAM市場(chǎng)將達(dá)到720億美元的規(guī)模，DRAM預(yù)計(jì)將成為2017年半導(dǎo)體行業(yè)最大的單一產(chǎn)品類別，超出NAND閃存市場(chǎng)222億美元。

根據(jù)OFweek分析師整理的調(diào)查報(bào)告顯示，目前全世界前十大半導(dǎo)體廠商中，從事內(nèi)存和閃存芯片的設(shè)計(jì)與制造的，主要有5家：三星電子、SK 海力士、英特爾、鎂光科技、東芝半導(dǎo)體，韓國(guó)和美國(guó)的廠商，幾乎已經(jīng)壟斷了全球的存儲(chǔ)器市場(chǎng)。

DRAM方面，根據(jù)某半導(dǎo)體研究中心調(diào)查數(shù)據(jù)顯示2017年第三季度DRAM產(chǎn)業(yè)營(yíng)收數(shù)據(jù)顯示，三星、SK海力士?jī)纱箜n廠的市占各為45.8%與28.7%，合計(jì)已囊括74.5%的市占率。美光市占21.0%，三家企業(yè)的市占率已達(dá)95.5%。

NAND Flash方面，2017年全球NAND Flash品牌廠商產(chǎn)能市占率中，三星占據(jù)36.9%、東芝及西數(shù)占據(jù)34.4%，加上SK海力士、美光及英特爾，五大廠商壟斷市場(chǎng)。

Nor Flash方面，2016年全球市場(chǎng)份額美國(guó)Cypress第一25%、臺(tái)灣旺宏第二24%、美光第三18%、臺(tái)灣華邦第四17%、我國(guó)兆易創(chuàng)新第五7%。

以上可見，在占據(jù)絕大部分市場(chǎng)容量的DRAM和NAND Flash方面，中國(guó)基本為零，僅在市場(chǎng)容量不及DRAM 1/10容量的Nor Flash上有兆易創(chuàng)新入圍。

新玩家進(jìn)入3D NAND市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)加劇

2018年全球NAND Flash價(jià)格一路走跌，由于市場(chǎng)需求增長(zhǎng)平緩，業(yè)者預(yù)期下半年將延續(xù)跌勢(shì)，隨著國(guó)際NAND Flash大廠紛紛加碼投資，2019年QLC NAND將邁入百家爭(zhēng)鳴時(shí)代，帶動(dòng)消費(fèi)性SSD容量快速升級(jí)至TB等級(jí)。

另外，據(jù)最新消息稱加上長(zhǎng)江存儲(chǔ)繼32層3D NAND于2018年底前投入量產(chǎn)，目前Xtacking?架構(gòu)的64層NAND樣品已經(jīng)送至合作伙伴進(jìn)行測(cè)試，讀寫質(zhì)量大致穩(wěn)定，預(yù)計(jì)最快將在2019年第3季投產(chǎn)。長(zhǎng)江存儲(chǔ)更計(jì)劃在2020年跳過96層3D NAND，直接進(jìn)入128層堆疊，發(fā)布新一代3D NAND架構(gòu)Xtacking。這一系列舉動(dòng)都標(biāo)志著長(zhǎng)江存儲(chǔ)試圖超車追趕國(guó)際大廠，因此，全球NAND Flash產(chǎn)量持續(xù)增加，戰(zhàn)火愈益激烈，2019年NAND Flash市場(chǎng)恐將大幅震蕩。

長(zhǎng)江存儲(chǔ)采用Xtacking?架構(gòu)的64層3D NAND跟傳統(tǒng)架構(gòu)的96層相比，容量?jī)H低15%左右，據(jù)OFweek小編整理的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2020年其推出的128層堆疊可與國(guó)際大廠展開競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)也標(biāo)志著我國(guó)的閃存技術(shù)又邁向了新的高峰。

擴(kuò)展3D NAND

3D NAND是當(dāng)今平面NAND閃存的后續(xù)產(chǎn)品，用于存儲(chǔ)應(yīng)用，如智能手機(jī)和SSD。與平面NAND不同，3D NAND類似于垂直摩天大樓，其中水平層的存儲(chǔ)器單元被堆疊，然后使用微小的垂直通道連接。

3D NAND通過設(shè)備中堆疊的層數(shù)來量化，隨著更多層的添加，位密度增加。在研發(fā)方面，供應(yīng)商也在開發(fā)下一代技術(shù)，分別為256層和512層。

其實(shí)這就是一場(chǎng)比賽，是最高籌碼間的競(jìng)賽。現(xiàn)有的3D NAND供應(yīng)商：英特爾、美光、三星、SK海力士和東芝，他們都并沒有停滯不前，并在競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先地位，但是每個(gè)供應(yīng)商都采用兩種方法：?jiǎn)螌印⒋询B來擴(kuò)展3D NAND。

傳統(tǒng)架構(gòu)的96層，雙層堆疊已經(jīng)略顯常規(guī)，其中會(huì)加入一些單層堆疊。在單層方法中，供應(yīng)商一次性制造單個(gè)設(shè)備。理論上，這可以降低成本和周期時(shí)間。但在晶圓廠，單層方法很難實(shí)現(xiàn)。

3D NAND挑戰(zhàn)從光刻轉(zhuǎn)向沉積和蝕刻

在晶圓廠中，3D NAND與平面NAND不同。在2D NAND中，該過程取決于使用光刻縮小尺寸，雖然光刻仍然用于3DNAND，但它不是最關(guān)鍵的一步。對(duì)于3D NAND，挑戰(zhàn)從光刻轉(zhuǎn)向沉積和蝕刻。

3D NAND流以襯底開始。然后，供應(yīng)商在流動(dòng)交替堆疊沉積中經(jīng)歷了第一個(gè)挑戰(zhàn)。使用CVD，該方法包括在襯底上沉積和堆疊交替的薄膜。

首先，在基板上沉積一層材料，然后在頂部上施加另一層。該過程重復(fù)幾次，直到給定的設(shè)備具有所需的層數(shù)。

每個(gè)供應(yīng)商使用不同的材料例如，三星在基板上沉積交替的氮化硅和二氧化硅層，這取決于你制造的器件類型，可以在基板上堆疊數(shù)百層。但隨著更多層的添加，面臨的挑戰(zhàn)是在高產(chǎn)量下堆疊具有精確厚度和良好均勻性的層。壓力和缺陷控制面臨巨大挑戰(zhàn)。此外，堆疊往往在壓力下彎曲，尤其在單層方法中表現(xiàn)明顯。為此，供應(yīng)商將在基板上堆疊96層薄膜。

避免壓力的另一種方法是使用串型堆疊。例如，將圖層存放在一個(gè)48層設(shè)備上，然后在另一個(gè)設(shè)備上重復(fù)該過程，形成一個(gè)96層產(chǎn)品。通常，48層交替堆疊沉積工藝是成熟的并且產(chǎn)生相對(duì)較小的應(yīng)力，但是存在挑戰(zhàn)。之后，在膜疊層上施加硬掩模，并在頂部圖案化孔。然后，這是流動(dòng)高縱橫比(HAR)蝕刻中最難的部分。

為此，蝕刻工具必須從器件疊層的頂部到底部基板上鉆出微小的圓孔或通道。通道使得單元在垂直堆疊中彼此連接。一個(gè)器件可能在同一芯片中有250萬個(gè)微小通道。每個(gè)通道必須平行且均勻。簡(jiǎn)單來說，蝕刻器通過用離子轟擊表面來產(chǎn)生微小的通道，但這種蝕刻非常困難且非常耗時(shí)，根據(jù)蝕刻中縱橫比縮放的基本定律表明，縱橫比越高，沉積層的厚度越大，孔越小，蝕刻越慢。隨著蝕刻工藝更深地滲透到通道中，離子的數(shù)量可能減少。這會(huì)降低蝕刻速率。更糟糕的是，可能會(huì)發(fā)生不需要的CD變化。

因此，可以想象供應(yīng)商可以使用串型堆疊從96層遷移到128層以上。理論上，使用傳統(tǒng)的蝕刻工具，供應(yīng)商可以處理兩個(gè)64層設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)128層。傳統(tǒng)的蝕刻器涉及在室溫下交替蝕刻和鈍化步驟的過程。相反，低溫蝕刻在低溫下進(jìn)行，大大提高了蝕刻速率，雖然低溫蝕刻是困難且昂貴的，但其好處超過了增加的成本。