三維堆疊存儲(chǔ)器(3D NAND)憑借其超越傳統(tǒng)平面NAND的存儲(chǔ)密度和成本優(yōu)勢(shì)，成為存儲(chǔ)技術(shù)的核心發(fā)展方向。從2013年三星率先量產(chǎn)24層3D NAND到如今突破300層的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，這一領(lǐng)域經(jīng)歷了架構(gòu)創(chuàng)新與工藝突破的雙重變革。然而，堆疊層數(shù)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)也帶來(lái)了前所未有的制造挑戰(zhàn)，推動(dòng)行業(yè)在材料、設(shè)備和工藝流程上持續(xù)革新。

架構(gòu)演進(jìn)：從垂直溝道到溝槽單元

3D NAND的架構(gòu)演進(jìn)始終圍繞“提高存儲(chǔ)密度”與“優(yōu)化性能”展開(kāi)。早期BiCS(位成本可擴(kuò)展)架構(gòu)通過(guò)垂直堆疊柵極層形成溝道，電流沿垂直方向流動(dòng)，這種全柵極(GAA)結(jié)構(gòu)有效提升了單元密度。然而，隨著堆疊層數(shù)增加，階梯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題凸顯。東芝提出的PBiCS架構(gòu)通過(guò)U形串結(jié)構(gòu)降低源極線電阻，改善了多比特操作的可靠性，其管道連接設(shè)計(jì)使存儲(chǔ)單元的保持特性提升30%。

為進(jìn)一步突破密度極限，行業(yè)開(kāi)始探索新型架構(gòu)。TCAT(管狀通道陣列晶體管)架構(gòu)采用后柵極制造方法，通過(guò)金屬控制柵極實(shí)現(xiàn)更低的編程/擦除電壓;VRAT(垂直通道陣列晶體管)架構(gòu)則引入平面集成(PIPE)結(jié)構(gòu)，將所有字線暴露在同一平面，簡(jiǎn)化了互連工藝。而imec提出的溝槽單元架構(gòu)被視為下一代技術(shù)方向，其通過(guò)在溝槽側(cè)壁實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元，將單元密度提升至GAA架構(gòu)的三倍。這種架構(gòu)擺脫了圓柱形幾何結(jié)構(gòu)的限制，但需解決溝道寬度縮放帶來(lái)的編程/擦除窗口不足問(wèn)題。

在材料層面，電荷陷阱層(CTL)逐漸取代浮柵成為主流。相較于浮柵結(jié)構(gòu)中電荷的橫向擴(kuò)散，CTL通過(guò)氮化硅層的電荷捕獲位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)更精確的存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)窗口可達(dá)6V以上。例如，三星V-NAND采用CTL與氧化鋁阻擋層的組合，將數(shù)據(jù)保持能力延長(zhǎng)至10年。

工藝挑戰(zhàn)：從高深寬比刻蝕到Z間距縮放

3D NAND的制造工藝涉及數(shù)千個(gè)步驟，其中高深寬比(HAR)刻蝕與層間均勻性控制是最核心的挑戰(zhàn)。以300層3D NAND為例，其存儲(chǔ)通道孔的直徑約100納米，深度達(dá)5-6微米，縱橫比超過(guò)50:1。這種納米級(jí)孔洞的刻蝕需保證從上到下的完美輪廓，任何微小的偏差都可能導(dǎo)致通道電阻增加或存儲(chǔ)性能下降。Lam Research開(kāi)發(fā)的脈沖功率等離子技術(shù)與低溫蝕刻工藝，通過(guò)高峰值功率和物理吸附機(jī)制，將蝕刻速率提升2.5倍，輪廓精度提高2倍。

隨著堆疊層數(shù)增加，階梯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性成為另一難題。傳統(tǒng)階梯結(jié)構(gòu)中，犧牲層去除后形成的懸浮層在高度超過(guò)10微米時(shí)易發(fā)生坍塌。為此，行業(yè)采用分區(qū)階梯設(shè)計(jì)，通過(guò)插入更多字線接觸通孔增強(qiáng)支撐力，但這也增加了工藝復(fù)雜度。此外，字線電阻隨層數(shù)增加而顯著上升，鎢金屬的字線電阻在300層結(jié)構(gòu)中可能達(dá)到數(shù)百歐姆，影響信號(hào)傳輸速度。應(yīng)用材料公司正探索用釕或鉬替代鎢，以降低電阻率。

Z間距縮放是提升密度的關(guān)鍵路徑，但需解決材料應(yīng)力與熱處理難題。當(dāng)前3D NAND的字線間距已縮小至40納米以下，層間絕緣膜厚度低于50埃。這種微縮導(dǎo)致沉積過(guò)程中的應(yīng)力累積，可能引發(fā)晶圓翹曲。盛美半導(dǎo)體通過(guò)旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)技術(shù)，在沉積過(guò)程中定期旋轉(zhuǎn)晶圓，將均勻度控制在1%以?xún)?nèi)。同時(shí)，低溫沉積工藝被用于減少熱應(yīng)力，例如采用原子層沉積(ALD)技術(shù)實(shí)現(xiàn)氮化硅與氧化硅的精確厚度控制。

未來(lái)方向：從千層堆疊到混合鍵合

面向2030年，行業(yè)將向千層3D NAND發(fā)起沖擊。三星在IEDM 2023上提出的V13代技術(shù)路線圖顯示，通過(guò)字線金屬替換、單晶硅溝道和鐵電電荷俘獲層等創(chuàng)新，有望實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)密度突破100Gb/mm2。然而，千層堆疊需解決蝕刻預(yù)算與圖案化挑戰(zhàn)。Lam Research預(yù)測(cè)，1000層3D NAND的通道孔縱橫比將達(dá)100:1，這對(duì)硬掩模材料與蝕刻化學(xué)提出了更高要求。

混合鍵合技術(shù)為密度提升提供了新思路。長(zhǎng)江存儲(chǔ)的Xtacking架構(gòu)通過(guò)晶圓對(duì)晶圓鍵合，將外圍電路與存儲(chǔ)單元陣列分別加工后垂直互連，使I/O速度提升至3.0Gbps，開(kāi)發(fā)周期縮短三個(gè)月。這種模塊化設(shè)計(jì)還允許獨(dú)立優(yōu)化外圍電路的工藝節(jié)點(diǎn)，例如在存儲(chǔ)單元采用90納米工藝時(shí)，外圍電路可使用28納米先進(jìn)制程。

在單元存儲(chǔ)位數(shù)上，五級(jí)存儲(chǔ)(PLC)技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)室走向量產(chǎn)。SK海力士已實(shí)現(xiàn)每單元6比特的存儲(chǔ)方案，通過(guò)將單元分為兩個(gè)三比特子單元并優(yōu)化糾錯(cuò)算法，在低溫環(huán)境下將讀取保真度提升至99.9%。然而，PLC的閾值電壓裕度較QLC進(jìn)一步壓縮，需結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電荷狀態(tài)識(shí)別。

三維堆疊存儲(chǔ)器的架構(gòu)演進(jìn)與工藝挑戰(zhàn)構(gòu)成了技術(shù)突破的雙螺旋。從BiCS到溝槽單元的架構(gòu)創(chuàng)新，從高深寬比刻蝕到混合鍵合的工藝突破，每一次進(jìn)步都在重新定義存儲(chǔ)密度的極限。當(dāng)千層堆疊成為現(xiàn)實(shí)，3D NAND將不僅是數(shù)據(jù)的容器，更將成為人工智能、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的算力基石。在這場(chǎng)納米尺度的“攀登”中，材料科學(xué)、設(shè)備工程與算法優(yōu)化的協(xié)同創(chuàng)新，將決定存儲(chǔ)技術(shù)未來(lái)的高度。