晶圆级拆解英特尔Optane 3D XPoint存储器，探索黑科技！

来源：内容来自eettaiwan ，作者Jeongdong Choe，谢谢。

TechInsights的研究人员针对采用XPoint技术的英特尔Optane存储器之制程、单元结构与材料持续进行深入分析与研究。

英特尔(Intel)和美光(Micron)在2015年8月推出了3D XPoint，打造出25年以来的首款新型态存储器技术。2016年，英特尔发布采用3D XPoint技术的Optane品牌储存产品，成为该技术最先上市的新一代高性能固态硬盘(SSD)系列。

根据TechInsights的材料分析，XPoint是一种非挥发性存储器(NVM)技术。位元储存根据本体(bulk)电阻的变化，并结合可堆叠的跨网格数据存取阵列。其价格预计将会较动态随机存取存储器(DRAM)更低，但高于快闪存储器。

TechInsights最近取得了英特尔Optane M.2 80mm 16GB PCIe 3.0并加以拆解，在封装中发现了一个3D X-Point存储器芯片。这是英特尔和美光的首款商用化3D Xpoint产品。英特尔3D X-Point存储器的封装尺寸为241.12mm2(17.6mm x 13.7mm)，其中并包含X-Point记体晶粒。该3D X-Point晶粒尺寸为mm2(16.6mm x 12.78mm)。

图1：Xpoint存储器封装与晶粒(16B)图 （来源：英特尔3D XPoint、TechInsights）

TechInsights的进一步分析确定，英特尔Optane XPoint存储器芯片的每颗晶粒可储存128Gb，较目前2D与3D TLC NAND商用产品的储存密度略低，如图1所示。美光(Micron) 32L 3D FG CuA TLC NAND的每颗晶粒存储器密度为2.28Gb/mm2，三星(Samsung) 48L TLC V-NAND为2.57Gb/mm2，东芝(Toshiba)/WD 48L BiCS TLC NAND为2.43Gb/mm2，而海力士(SK Hynix)36L P-BiCS MLC NAND则为1.45Gb/mm2。相形之下，英特尔的Optane XPoint的存储器密度为0.62Gb/mm2。

图2：存储器密度比较

然而，相较于DRAM产品，3D Xpoint的存储器密度较同样采用20nm技术的DRAM产品更高4.5倍，也比三星的1xnm DDR4高出3.3倍。Xpoint存储器产品采用20nm技术节点，实现0.00176μm2的单元尺寸，这相当于DRAM单元大小的一半。这是因为可堆叠的存储器单元，以及4F2取代6F2用于存储器单元阵列设计。

图3：X-point存储器阵列SEM与TEM影像图

我们都知道，美光32L和64L 3D NAND产品采用CuA (CMOS under the Array)架构，表示其存储器阵列效率达85%，较其他3D NAND产品的效率(约 60-70%)更高，例如三星3D 48L V-NAND的效率为70.0%。同样地，XPoint存储器阵列中的储存元件由于位于金属4和金属5之间，使得晶粒的存储器效率可达到91.4%。换句话说，所有的CMOS电路，如驱动器、解码器、位元线存取、本地数据以及位址控制，均位于与3D NAND的CuA架构相似的存储器元件下方。图2显示英特尔XPoint与市场上现有3D NAND产品的存储器效率比较。

图4：存储器阵列效率的比较

至于英特尔XPoint存储器阵列中的存储器元素，它采用在金属4和金属5之间的储存/选择器双层堆叠结构，并在金属4上连接几个选择器触点接头。在储存元件方面，已经开发了诸如相变材料、电阻氧化物单元、导电桥接单元以及磁阻式随机存取存储器(MRAM)等备选方案。其中，英特尔XPoint存储器采用基于硫族化物的相变材料，而其存储器元件采用锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)合金层，即所谓的相变存储器(PCM)。

在选择器方面则使用了许多开关元件，例如双载子接面电晶体(BJT)或场效电晶体(FET)、二极体和双向阈值开关(OST)。英特尔XPoint存储器使用另一种基于硫族化物的合金，掺杂不同于存储器元素的砷(As)。这表示英特尔XPoint存储器使用的选择器是一种双向阈值开关材料。

接下来，我们还将深入这款元件，寻找更具创新性的技术。

图5显示沿着位元线和字元线的双层存储器/OTS选择器元件横截面影像。OTS选择器并不会延伸至中间电极或底部电极。

图5：沿着位元线和字元线的XPoint PCM/OTS横截面 （来源：英特尔3D XPoint、TechInsights）

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