3D NANDフラッシュメモリ
3D NANDフラッシュメモリは、従来の2D(平面) NANDフラッシュメモリで用いられてきた横方向の微細化に代わり、メモリセルを垂直方向に積み重ねることで高密度化と大容量化を実現した非揮発性メモリ技術である。微細化によるスケーリングが限界に近づいた平面構造では、セル間干渉やリーク電流増大、信頼性低下といった課題が顕在化したが、3D構造化によってセル面積拡大を回避しつつ、記憶容量を飛躍的に増大させることが可能となった。これにより、数百層以上にわたる積層構造が開発され、高容量SSDやメモリカード、組み込みストレージなど、多彩な分野で3D NANDは主流として広く普及し始めている。
基本概念と構造
3D NANDは、フローティングゲートまたはチャージトラップ型のセル構造を持ち、セルアレイを垂直方向に積み重ねることでビット密度を向上させる。基本的には、シリコンウェハ面上に堆積した層状構造内にスルーホール状のチャネル孔を形成し、これらチャネル周囲に複数の記憶セルが連なるような形で配置される。この垂直スタック構造により、2D NANDで困難だったさらなるスケーリングと大容量化が可能となる。
【多段積層技術について】
3D NANDとは多段積層技術によって製造されたROMチップ。先行しているのは東芝で96層の物まで製造している。3DNANDのメリットは同面積のチップでも容量が大きい事だ。作り方はNANDを薄く削り重ね合わせることでできる。今や大容量NAND型フラッシュメモリはほとんどが3DNAND。— つりかわ (@tsurikawa_pc) November 22, 2018
セル間干渉の軽減
2D NANDではセル同士が平面上で密集し、微細化が進むほど隣接セル間の干渉が深刻化した。一方、3D NANDでは垂直方向への積層により、セル間距離を確保しやすくなり、干渉を抑えられる。また、チャージトラップ型セルや新材料の採用で電気的安定性が向上し、書き込み・消去動作における誤差やエラー率低減が期待できる。
多値化技術との組み合わせ
3D NANDはSLC(1ビット/セル)からMLC(2ビット/セル)、TLC(3ビット/セル)、QLC(4ビット/セル)へと多値化する技術と組み合わせることで、単位面積当たりのビット密度をさらに高める。3D積層構造と多値化を併用することで、極めて高い容量単価改善が可能になり、SSD市場のコスト低下や大容量化に大きく貢献している。
プロセス技術と課題
3D NANDの製造には、層状の酸化物・窒化物・金属膜などを正確に積み上げ、その後、細孔を形成し、選択的エッチングやデポジションによってチャネルとゲートスタックを構築する複雑なプロセスが必要となる。また、積層数増加に伴う応力管理や膜品質保持、エッチング均一性、加工精度確保が課題であり、高度な装置技術やプロセス制御手法が求められる。
3D NANDフラッシュメモリの製造ステップでは、非常に複雑な形状の加工を繰り返す。従来技術であるプレーナー型(2D)NANDフラッシュメモリの製造工程に比べると、平坦化工程の挿入数は約3倍に達するとされる。
3D NANDフラッシュメモリの断面構造図と、「絶縁膜の埋め込み」部分 pic.twitter.com/3fpv6YEdaQ
— なっち (@natch4u) November 25, 2018
計測・評価技術の一例
3D構造物の評価には、SEMやTEM、X-ray CTなどの先進的な観察手法が用いられる。さらに、電気的特性測定ではビットエラーレート、書込み・消去速度、データ保持特性を評価し、製造条件や構造パラメータを最適化する。これら計測技術により、層数増加や微細加工による不均一性の検出、材料欠陥管理が可能となる。
信頼性と耐久性向上
3D NANDは高容量化だけでなく、信頼性面でも利点がある。セル間距離の確保やチャージトラップ型セルによる安定性向上により、データ保持特性と耐久性が改善される。さらに、ECC(誤り訂正)機能の強化やウェアレベリング、ガーベッジコレクションといったSSD制御技術と組み合わせることで、長寿命と安定運用が期待できる。
【拡散希望】 #MFTokyo2024 で、キオクシアブースから参加します!
NAND型フラッシュメモリでNANDロジックゲートを作り、その組み合わせで16bitCPUを自作しました!
当日は自作CPUで3D迷路ゲームのデモをします!
頑張って書いたSSD同人誌3号とウエハうちわも配布するので、是非遊びに来てください🙇! pic.twitter.com/kxhvDIzq67— にちか (@lxacas) September 20, 2024
用途と市場動向
3D NANDはコスト低減と大容量化が求められるSSDやメモリカード、USBメモリなどで採用が進む。データセンター向けの高信頼性SSD、コンスーマー向けの大容量データストレージ、組込み機器での高速ブートメディアなど、幅広い市場でニーズを満たす。層数増大や多値化の加速により、ペタバイト級の超大容量ストレージも視野に入り、ビッグデータ、AI、エッジデバイスの発展にも寄与している。