前言
1903年，莱特兄弟第一次使动力飞机进入第三维度。在实现这远古的梦想之后，飞行更快、更安全、更持久的预测更加迫切。实际上，实现类似这种第一次动力飞行的突破是非常重要的。但是更重要的是，实现这种不可预见的成果对于我们来说是让人振奋的。很少有人能预测到在莱特兄弟第一次飞行之后，仅66年后人类便在月球表面留下脚印。
半导体产业几乎占据我们生活的所有部分，并且悄悄地用其他方法将精确制造的规模缩小到难以想象的程度。非易失性存储器(NVM)的晶圆通常包含数万亿的单元。虽然具有挑战性，但根据摩尔定律(Moores Law)，2D集成电路上的元件密度将每年翻一番，并且两年会发生一次。在1965年时，很难预测到互联网、智能手机、自动驾驶的发明，这些可能很大程度基于摩尔定律。
元件数量加倍的速度减缓到了2.5年。但是仍然达到摩尔定律的无法预测的转折点。元件密度在3D空间可以继续增长。其他技术也在不断增加“额外”的维度，包括压敏触摸屏、视频动作捕捉、自动导航、3D打印和无人机。
传统的2D半导体工艺显然包括第三维度。材料的厚度多种多样。器件由多层材料和形状组成，夹层互连使其很复杂。此外，FinFET 3D晶体管已经在微处理机应用几年。然而，3D NAND闪存目前所用的工艺完全不同。2D工艺制造的器件可在晶圆的X-Y平面完全枚举，但是3D闪存也在Z方向即垂直于晶圆的平面制造器件。正如戈登摩尔(Gordon Moore)在1965发表的对半导体制造的未来预测，我们无法预测额外的维度在尺寸缩小中带来的益处。
将3D半导体处理仅仅作为一个渐进的步骤是目光短浅的。新增加的Z向维度使同样光刻步骤制造的元件数增加。根据制造业经验所得，增加量从几十到数百甚至更多。第三维度中的器件制造为设计、架构和布局中的创造力提供了新的自由度。它为测试、集成、功率密度、散热和系统级芯片创造突破提供了挑战。3D半导体可在这些实验领域之间相互作用以产生新的经济规模方面成为一个有利的平台。
3D系统被想象成各种各样的器件，能够代替一台计算机最终成为数据中心的一部分。目前还没有看到这些新的领域，但是这些进展会渐渐清晰，以至于我们可以预想出超越它们的东西。高效的制造3D闪存成为在创造那些尚未实现的东西的道路上最关键的一步。人们以前常常说的一屋子的电子设备如今轻易地装进我们的口袋，3D工艺可能允许我们对当今技术做同样的比喻，或许可以说曾经一口袋的元件如今仅在一个血细胞大小中。
为了加快实施和使用3D系统，清晰、实用的信息是必要的。Rino Micheloni的新书提供了可以帮助我们推动工业前进的有价值的信息，它能扩大那些自信的迈出新的制造业的第一步的人的数量。正如一个从自行车商店学习创造动力飞行的技能实际技巧一样，在3D NAND闪存中学习创造下一个纳电子系统突破的实际技能。这个巨大的产业将会成为一个宝贵的孵化器，未来的工作岗位、雇员和发明家都将受益。
鼓励大学教授在本书中建立信息，使得3D复杂性对于一代代毕业生清晰易懂。3D工艺和设计很可能从“未来主题”部分到工程课题的核心基础。学生们能学习在3D纳米尺度电荷如何高效传输和并且可能有本科生的在关于操控自旋电子从一层到下一层的常规实验练习。
通过在高密度下制造3D闪存中学到的重要经验将为形成纳米尺度垂直结构提供指导，这些结构可作为未来制造技术的支架。这些支架可能提供和指导自组装结构甚至生物生长，这些结构和专有技术可能会使功率效率、医疗保健和系统小型化发生革命性变化。
随着成本和功率效率的实现，具有巨大加工、传感、数据密度的产品可以预期。 这些产品可使自动化和优化服务从关键到平凡。精确位置的天气预报变成可能。自动驾驶可以让人们在开车时少花很多时间，提高个人生产力。越来越有能力的个人助理会为你的运动表现、艺术表现，甚至社会互动提供定制辅导。




这种高密度的处理、传感和数据将使早期采用者以新的方式区分他们的产品和服务，创造有利的市场机会。随着3D处理变得越来越普遍，随着3D处理变得越来越普遍，其技术可应用于现有产品以提高其实用性、成本和功耗。贯穿所有电子设备的优化设计可能需要被重新定义。我们可能会看到旧工业瓦解，新工业兴起。
感谢Rino和他的许多作者、贡献者、支持者、编辑和员工为创建一个难以获取的关于3D存储知识所作的贡献。我相信你的工作将成为加速3D晶圆制造进展的催化剂，反过来，这将加速依赖半导体技术的许多领域的进步。
Plano，TX,USACharles H. Sobey
2016Chief Scientist at Channel Science





序论

NAND闪存:3D还是5D？
从20世纪90年代初的工业开端，闪存一直就是一种颠覆性的技术。近30年过去了，这种创新仍在进行中。
创新最初几种在NOR闪存，Intel公司在其中扮演了重要角色。NOR不要求纠错码，但是写入操作并行性很低，因为其写入操作基于沟道热电子，众所周知这种操作非常耗电。后来，东芝公司推出了一种新型的闪存，称为NAND，NAND逻辑门中的单元是由类MOS晶体管组成的。在NOR Flash架构中，两个存储单元共用一个位线连接； 在NAND矩阵中，每一个NAND串只有一个位线，通常由64个或128个单元构成，因此NAND阵列面积小于NOR阵列。同时，由于NAND阵列中的接触点数量较少，所以基于工艺节点减小尺寸也更容易实现。事实上，如今工艺特征尺寸已经下降到了14 ~15nm，在推动工艺技术竞争方面，NAND已经取代DRAM。与NOR的另一个主要的不同是NAND的写入操作采用FN隧穿，由于其功耗可忽略，沟道可以允许同时写入16、32或64KB。当用数码相机拍照时，写入速度是一个重要的性能指标。
因为NAND良好的存储密度，它改变了我们的生活。USB存储器取代软盘及闪存卡（SD、EMMC）来记录我们的图片和电影。
在这两个应用中，存储密度是主要考虑因素。Flash厂商花了数十亿美元研发工艺尺寸缩小技术，使NAND成为消费产品。在21世纪的最初几年，引入第3个NAND维度进一步促进了关于存储密度的竞争； 多值存储。事实上，每一个单个物理单元可包含一位或多位信息。SLC是1位/单元的首字母缩写，MLC是2位/单元的首字母缩写，而TLC指的是3位/单元，QLC即4位/单元也即将成为可能。
但是，对于一个越来越渴望存储密度的市场来说，这些还不够。更确切地说，手机然后是智能手机再到游戏，都严重的受空间限制。这些消费品难以置信的销量迫使市场找到另一个存储维度(第4个)； 多芯片堆叠。换句话说，将几块硅片一层一层地堆叠在一个物理封装中。经过多年的发展，如今的封装技术和设计方法允许批量生产8层堆叠。8层堆叠和20nm以下128GB(MLC)的组合可以实现单个14mm ×18mm封装存储1Tb的 NAND。这还不够让人满意，大多闪存厂商已经设计16层堆叠，可允许单个封装存储2Tb 的NAND。
NAND R&D 和 NAND fabs 非常昂贵，供应商一直在寻找新的应用。在过去的4~5年中，固态硬盘已经成为Flash的杀手级应用； 首先在消费空间（主要是由苹果产品驱动），现在也扩展到企业应用（更多细节在第1章中）。SSD推动了新的创新浪潮。2013年，在硅谷举行的闪存峰会上，Samsung公司宣布了经过10年研究和开发后的第一个基于3D的商业NAND Flash 产品。基本上，多层（高达48层）的存储单元生长在同一块硅中。这实际上是Flash历史上的第五个存储维度。
3D是一种全新的技术，不仅是因为它的多层结构，还因为它是一种基于新型NAND的存储单元。到目前为止，NAND一直是基于“浮栅”，通过在完全被氧化物包围的多晶硅中注入电子的方式来存储信息（这就是它被称为浮栅的原因）。相反，大多数3D存储器是基于“电荷俘获”单元的。事实上，这不是一种全新类型的单元； 一些存储器供应商早已开发了这种技术，因为他们认为即使是平面布局，它都比浮栅更具伸缩性。历史告诉我们，由于电荷俘获单元的可靠性很差，电荷俘获技术并没有成功。现在，有了3D NAND，电荷俘获有了新的机会。
截至目前，Flash供应商已经花费了几十年的时间开发浮栅技术，所以浮栅技术也没有消失，Micron公司仍在致力于研究这种技术。对于最初几代的3D产品来说，大部分的努力都需要花费在垂直整合上，这时所有的技术都会有所帮助。
第2章介绍了电荷俘获和浮栅技术，包括可靠性和可缩小性这两种性质在两种技术之间的对比。这里有大量不同的材料和垂直架构。本书带领读者进行这个新的3D的旅程； 新的单元、新的材料、新的垂直架构。基本上，每个供应商都有自己独特的解决方案。第3章（3D堆叠NAND）、第4章（BiCS和PBiCS）、第5章（3D浮栅）、第6章（3D VG NAND）和第7章（3D先进架构）提供了3D如何实现的广泛概述。可视化3D结构对人脑来说是一个挑战。这就是为什么所有这些章节包含许多鸟瞰图和沿着三个方向的横断面。




2015年，在旧金山举行的Intel开发者论坛上，Intel公司宣布，它将很快开发SSD，基于其新的3D XPoint存储器，与Micron公司共同开发。英特尔公司声称3D XPoint比现有的Flash快得多，也更可靠。Intel公司没有公开关于这个存储单元的细节，但已透露它是基于交叉点体系的结构。第8章概述了RRAM交叉点阵列，从存储单元到选通管，从可靠性到3D集成的挑战。
当然，3D可以与已介绍的第一部分中提到的其他存储尺寸相结合，即形成多级存储和芯片堆叠。第9章讨论了封装技术中最新的创新。
从早期开始，NAND Flash就努力利用ECC技术来提高可靠性。从BCH开始，第10章描述了基于低密度奇偶校验码的最新商业解决方案的演化进程。事实上，在能够有效集成在一小块硅上的代码中，低密度奇偶校验码无疑是接近香农（Shannon）极限的一种。
从长远来看，TLC/QLC与若干3D层的组合可能需要更高的校正能力。第11章对该领域的一些最新进展进行了深入的综述； 包括非对称代数码和非二进制LDPC码。
最后，第12章集中讨论了从系统的角度看3D Flash的含义。在本章中，介绍了将3D NAND与其他存储器组合用于下一代混合SSD。此外，还介绍了负载优化这一技术来提高SSD的写入性能。
平面单元的最终尺寸是14nm吗？多少代3D是可能的？3D可以降低到20nm以下的单元特征尺寸吗？100层可以集成在同一块硅中吗？QLC与3D是可能的吗？3D对于企业和数据中心应用来说是足够可靠的吗？这是本书试图回答的一些问题。请欣赏！
Rino Micheloni