随着人工智能（AI）和数字化转型（DX）导致数据呈指数级增长，NAND闪存已成为一项越来越重要的技术。铠侠株式会社的第八代BiCS FLASH 3D闪存现已量产，它依赖于一种称为CMOS直接键合到阵列（CBA）的新技术。CBA由两个晶圆的高精度键合组成，以提高闪存密度和性能。
1.由于数据呈指数级增长，闪存变得越来越重要
近年来，由于各种系统的自动化、汽车电气化和生成式人工智能的兴起，生成的数据量猛增。为了处理如此大量的数据，高性能处理器正在迅速开发和采用。在这种情况下，NAND闪存（以下简称“闪存”）发挥着越来越重要的作用。
随着数据量的增加，对闪存的需求也在增加，闪存用于存储数据和应用程序，这种不断增长的需求有助于推动闪存在更大容量、提高读写性能、降低功耗和更快接口速度方面的发展。为了满足这些市场的需求，铠侠一直在开发新技术，以提高闪存的容量和密度。
2.铠侠开发闪存的方法超越了仅仅依赖垂直缩放的方法
铠侠秉承“用闪存提升世界”的使命，于1987年发明了闪存，近40年来，铠侠一直是闪存技术开发的领导者。
第一个闪存是以二维形式演变的（横向缩放）。随着存储单元阵列线和空间缩放技术的进步，每个硅芯片的存储器容量和存储器密度逐渐提高。缩放成为闪存制造商之间竞争的根源，但当内存单元阵列线和空间达到15nm工艺时，达到了极限。这是由于越来越多的问题无法忽视，包括存储单元彼此靠得太近导致电流泄漏，或者存储单元中存储的电子数量减少，从而影响读/写性能可靠性。
闪存发展的下一步包括在三维空间中堆叠存储单元（垂直缩放）。层数的增加会导致单位面积的内存单元数量增加，从而带来更高的容量和集成度。2007年，铠侠宣布推出用于堆叠存储单元的3D闪存技术。2015年，铠侠以BiCS FLASH品牌名称将48层3D闪存商业化。从那时起，铠侠大约每两年发布一次BiCS FLASH新产品，层数不断增加。2021年，铠侠发布了第6代BiCS FLASH，由162层组成。
Atsushi Inoue，铠侠闪存部门副总裁
近年来，闪存制造商主要专注于开发技术，以增加内存单元的层数和提高内存密度。每次发布新一代闪存时，层数都会增加，有些产品拥有200多层。然而，正如铠侠存储器部门副总裁Atsushi Inoue所解释的那样，“增加存储单元的层数只是增加容量和存储密度的一种方式，我们并不完全关注层数。”
增加存储单元的层数在成本和制造工艺方面带来了许多挑战，最明显的一个是制造过程的难度增加。为了形成存储单元，需要通过极薄层的堆叠进行高精度蚀刻极深和极细的孔，这需要使用尖端设备，会导致制造成本飙升。堆栈中的内存单元层数越多，生产时间就越长。
Inoue表示：“对于铠侠来说，制作3D闪存最重要的方面是如何有效地提高存储单元的集成度和密度。重要的是在单个晶圆上可以产生多少千兆字节，换句话说，就是增加千兆密度（GB/mm2）的能力。我们的方法不是简单地增加堆叠层的数量，而是通过优化内存孔深度、横向缩放技术和工艺技术等因素，确保成本和性能之间的最佳平衡。
以这种设计理念开发的最新闪存是218层第八代BiCS FLASH，最新一代产品将在铠侠四日市工厂（三重县四日市市）和北上市工厂（岩手县北上市市）生产。
3.使用CBA，控制电路和存储单元是在单独的晶圆上创建的
第8代BiCS FLASH最显著的特点是引入了一种称为“CMOS直接键合到阵列（CBA）”的技术。它涉及在单独的晶圆上创建CMOS电路，该电路控制存储单元和存储单元阵列，然后将晶圆与存储单元阵列反转并将两个晶圆粘合在一起。
对于之前的第6代BiCS闪存，在制造过程中使用了CMOS下阵列（CUA）技术。CUA过程涉及在先前制造的CMOS电路之上制作一个单元阵列，然后进行高温退火以提高存储单元的可靠性。然而，高温处理对CMOS电路中晶体管的性能特性有负面影响，因此，CUA制造过程受到严重的温度限制，为进一步提高闪存单元性能带来了障碍。
第8代BiCS FLASH中使用的CBA技术概述。（来源：铠侠）
CBA技术的优点是CMOS电路晶圆和存储单元阵列晶圆可以单独制造。仅在存储单元阵列晶圆上执行高温处理，可以达到最佳温度以确保可靠性，而无需考虑对CMOS电路的影响。通过分离晶圆制造工艺，可以最大限度地提高CMOS电路和存储单元阵列的性能。
由于这两种类型的晶圆是并行制造的，因此与传统方法相比，还有一个额外的好处，即缩短了生产时间。
然而，将晶圆粘合在一起并非易事，为了保证闪存的可靠性，在键合过程中需要极其精确的对准。“如果假设晶圆直径为1公里，则将晶圆粘合在一起所需的精度将在1毫米或更小的范围内，”Inoue 说。粘接对准精度差可能会阻止产品用作闪存，或者可能会显著降低产品的使用寿命和可靠性。
上述第8代 BiCS FLASH的照片是用电子显微镜拍摄的。粉红色的线条表示光滑的键合表面，顶部是存储单元阵列，底部是CMOS电路。另一个显著的特点是间距只有几微米宽。（来源：铠侠）
为了将两个晶圆顺利地粘合在一起，每个晶圆的表面必须非常平坦，并且需要复杂的加工才能使它们变得扁平。CBA技术是在制造过程中汇集一系列先进技术的结果，以生产第八代 BiCS FLASH。
第八代 BiCS FLASH有218层，比上一代更多。“这意味着比同代竞争产品（例如具有约230层的3D闪存）少约5%的层数。然而，我们的计算告诉我们，千兆字节的密度大约高出15%到20%。这让我认为我们的方法更有效地实现了更高的集成度，”Inoue总结道。
第八代 BiCS FLASH在密度和性能方面都取得了重大进步。与上一代BiCS FLASH相比，BiCS8密度增加了50%，写入性能提高了20%，读取速度提高了10%，功耗降低了30%（在写入操作期间），接口速度为3.6 Gbps（千兆比特/秒）。“CBA的采用改善了存储单元本身的特性，这直接导致了写入性能和其他领域的改进，”Inoue说。
CBA及相关技术的采用，使得第8代BiCS FLASH的千兆密度显著增加。（来源：铠侠）
“要提高这么多性能并不容易，”Inoue说。“一般来说，随着堆叠层数的增加，每一层都会变薄，记忆单元会变小，这会对记忆单元的基本特性产生负面影响。除非您克服了这个问题，同时创建一个高度可靠的单元，否则您不会看到性能有任何提高。我认为这是内存供应商正在努力解决的一个领域。即便如此，每一代新产品的性能提高约10%也是一个有价值的目标和成功的指标。”
“通过增加层数来提高内存密度是几种有效的方法之一，”Inoue 说。“然而，重要的是通过引入特定时期最合适的技术进行创新，例如CBA，而不是依赖层数。我们相信，第8代BiCS FLASH就是这种方法的体现。”
4.数据中心对SSD的需求不断增长
第八代BiCS FLASH适用于广泛的应用，从越来越多地安装在PC中的PCI Express 5.0（PCIe Gen 5）SSD到智能手机存储、数据中心SSD、企业级SSD和车载存储。“我们从向运送样品的客户那里收到了关于可靠性和性能的积极反馈，”Inoue说。
特别是，它们有望在数据中心中得到广泛应用。“由于生成式人工智能的出现，高带宽内存（HBM）越来越多地用于数据中心服务器，它消耗非常高的功率。这就产生了对低功耗、小巧轻便的SSD的需求不断增长，”Inoue说。在企业领域，铠侠预计HDD将以更快的速度被SSD取代。
我们将继续与合作伙伴一起创造一个更美好的社会，并继续开发具有更高性能的高密度闪存，以扩大他们的视野。
随着生成大量数据的应用程序数量的增加，闪存作为存储全球数据的一种方式的重要性将继续增长。铠侠第八代BiCS FLASH 3D闪存无疑将为当今的存储应用增加新的价值。
本文中描述的信息是在采访时提供的，可能不是最新的。
1：“BiCS FLASH”是铠侠株式会社的商标。
2：本文所指的第八代BiCS FLASH是1Tb TLC（Triple Level Cell）产品。
3：1Gbps的计算方式为1,000,000,000bits/s，该值是在特定铠侠的测试环境下获得的，可能会根据用户的条件而变化。
来源：铠侠：BiCS FLASH 3D闪存的特点 - EE Times
