非揮發性記憶體在無線4G平台的應用趨勢

旺宏產品行銷經理周志鴻談非揮發性記憶體。

面對未來4G行動通訊的應用，旺宏以全球第一大串列式Serial NOR FLASH快閃記憶體供應商之勢，推出Quad 4x75Mh DTR技術、600Mb/s傳輸速率的高速串列式NOR，可簡化4G平台PCB佈線與降低成本；在面對浮閘設計的NAND Flash即將瀕臨微縮製程上的物理極限之際，旺宏提出藉由3D矽晶堆疊以及電荷捕捉技術(Charge Trap；CT)的導入，進一步驅動NAND FLASH記憶體容量密度的進展…

旺宏專注研發 為全球最大Serial Flash領導廠商

旺宏電子(Macronix)於1989年創立於台灣新竹科學工業園區，為擁有自有品牌及技術之非揮發性記憶體領導廠商。自創立以來，旺宏專注於自有技術及產品研發，近年來每年約投資營業額的10-12%於研發工作，專業研發團隊逾740人，約佔全公司員工之15.7%，累積取得全球專利逾4300項，其中65%為國際專利，卓越成果榮獲「100年國家發明創作獎」之貢獻獎。而美國權威調研諮詢機構專利委員會 (The Patent Board)於十月底最新公佈的專利排名結果，旺宏專利實力為台灣半導體業第一，全球排名18。

旺宏為全球第一大串列式快閃記憶體(Serial Flash)供應商，全球市佔率逾35%。旺宏早於2009年10月即領先業界推出全球第一顆256Mbit Serial Flash。今年更全力支援JEDEC日前發佈的JESD216新規格-Serial Flash Discoverable Parameter(SFDP)，並積極內建於所生產製造之全系列Serial Flash產品中，再次展現在非揮發性記憶體業界的創新領導地位。

預見未來新興4G通訊應用將往高速聯網速度以及大容量記憶儲存方向發展，旺宏產品行銷經理周志鴻認為，高密度的記憶體技術開發勢在必行。在2011年行動平台設計上，將會是SoC晶片搭NAND儲存資料，而儲存程式碼的NOR則是結合執行程式碼RAM，預計到2014年以後，資料儲存端將會採用現存之TCL NAND 與新世代的3D NAND，而儲存程式端則可能選用NOR、PCM、SONOS/RRAM/MRAM等選擇。

浮閘型快閃記憶體瀕臨製程極限

周志鴻提到單顆512Mb NAND Flash可適合2G/2.5G/2.75G應用，但到3.5G時代時，則NAND Flash 必須從單顆2Gb起跳。預估2013年4G將會普及，屆時使用的NAND將從單顆8Gb容量起跳。目前以傳統浮閘式為基本記憶晶胞的NAND Flash在製程微縮上已經逼近到1xnm，該尺寸即將瀕臨物理極限。原因出自於在如此之小的體積內，所能儲存的電荷數，已經瀕臨統計誤差的極限，換言之，如此之少的電子數所能提供的訊號，已經無法有效判別，而且元件的反覆操作的可靠度也大幅退化。此外當製程微縮到極至，每個記憶體晶胞會相互緊鄰而立，此時在資料讀取時，會出現在某一Flash記憶頁被重複選擇讀後，其相鄰的記憶頁極易會受到干擾，而造成資料遺失現象，因此通常NAND Flash需本身內建或藉由外部Controller或系統本身Software/Firmware來設計防止Read Disturbance機制，以及具備更多的ECC偵錯修正位元處理能力。目前2xnm的SLC/MLC/TLC NAND，其ECC位元數已經分別暴增至8bit/512B、40bit/1KB與60bit/1KB，

以現有Linux/Android開機系統中，其記憶體必須提供80Mb給開機檔、80Mb給媒體內容檔以及約1Gb左右給Android系統檔。至於小容量但需經常讀寫的部份可藉由配置串列NOR Flash 128Mb~2Gb容量提供存放與直接執行；至於像是1Gb以上的Andorid資料儲存、則快取區域與備存區域則需用額外使用NAND/eMMC儲存。對於Serial NOR Flash在4G智能手機應用上，可由Modem、應用處理器搭配Serial Flash與NAND+DDR所組成。Serial Flash可提供編碼保全的啟動載入檔、啟始與軟體服務更新，以及受編碼保護的使用者資料與檔案儲存。

周志鴻特別針對SLC NAND、Synchronous NAND、Quad Serial NOR、Quad DTR
Serial NOR做了特性列表：一般SLC NAND與Synchronous NAND均需要額外的控制晶片，前者讀取速度僅40Mb/s，Synchronous NAND(ONFi或Toggle)則可拉高到400Mb/s，不過旺宏所推出的Quad Serial NOR其讀取速度達416Mb/s，而Quad DTR Serial NOR讀取速度更是高達832Mb/s。相較於Parallel Flash而言，Serial Flash可以簡化佈線與PCB大小，減少EMI電磁干擾，降低成本與功耗。目前旺宏提供4x75Mhz DTR Serial Flash可提供600Mb/s傳輸速率。

相變化記憶體(PCM)與3D堆疊記憶體的動態

周志鴻提到相變化記憶體(Phase Change Memory；PCM)，其物理特性像是可微縮、位元切換性、寫入速度、耐受度與非揮發性都相當良好，不過目前在單位容量成本仍無法跟NAND Flash競爭，在良率與耐用度也無法跟NOR、NAND匹敵，而製造成本依舊高於目前現有的Flash。此外，PCM 在生產時，面臨一實際問題，那就是PCM記憶體SMT生產流程時，須經過250℃錫爐後退火降溫到150℃，高溫會促使PCM的記憶體晶胞內其材料從非結晶態轉變到結晶態，這使得原本焊接前預錄的程式碼損壞而需進行重置或重新燒錄。目前業界正以開發新材料，新的軟體驅動方式，或是限定只能銲接在PCB板上進行資料寫入的方式來因應。

在3D堆疊記憶體部分，周志鴻以 3D記憶體發展的歷史回顧做為開場白，他提到旺宏早在2006年即提出Multi TFT(Thin Film Transistor)的堆疊NAND設計概念，同年三星也發表Stacked NAND堆疊式快閃記憶體，但因這種3D堆疊記憶體雖使得記憶體密度增加，但在製造成本上卻未見明顯降低。直到2007年東芝所發表一刀定位的BiCS的概念，將3D記體體引入低成本製作的新紀元。而後續接連幾年其他研發單位的發展例如BeSang Inc公司所發表Si Pillar 3D NAND；2009年東芝發表P-BiCS、三星發表TCAT、VG-NAND與VSAT，以及2010年旺宏發表VG TFT，2011發表PNVG TFT，同年Hynix的Hybrid 3D技術等，都是建立在BiCS的概念上進一步衍生之創新發展。

為了說明BiCS為何能降低成本，周志鴻以一簡單的圖示表示。他以同樣是堆疊8層NAND Flash矽晶為例，3D Stacked NAND總共需要27+5*7=62道光罩製程步驟，而BiCS僅需要28道光罩。原因在於BiCS是先將SiO2/Si重複成長，然而再以一道之光罩來完成孔洞，隨後再成長記憶層，其記憶體晶胞是垂直排列串接而成，這樣的製作方式，大幅降低光罩的需求數，因而能降低成本。以目前3D記憶體製程，在3xnm下，SLC與MLC在8層/16層堆疊下，其記憶體容量將可達到128/256Gb、256/512Gb，若記憶體晶胞的尺寸進入2xnm則可達到256/512Gb、512Gb/1Tb。若與目前市場上之32Gb晶片相比 (此32Gb 乃是3x nm 製程技術且為平面結構)，8層堆疊的3D NAND在同樣記憶體容量的條件下，其晶粒面積僅為32Gb TLC NAND的1/2.5(40%)。

有鑑於走向雲端服務對大容量記憶體的需求，旺宏亦提前投入3D 記憶體的研發，並在2010年VLSI研討會上，發表了以75奈米製程，TFT BE-SONOS製程技術所完成的VG(Verticle Gate垂直閘) 3D NAND。該3D NAND集結了8道NAND矽晶電路層，藉由3D堆疊技術，以現有的75nm成熟製程達到了和現有其他公司以2x？先進技術所開發出來Flash產品的等效容量，因此在成本上具有高度競爭力。

最後，周志鴻指出，旺宏在NOR Flash擁有廣泛規格及容量的產品線，並計畫拓展到NAND Flash，將成為完整的Flash解決方案提供者。