預(yù)期提前，鎧俠再次加速，3D NAND準(zhǔn)備沖擊1000層

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）近日，鎧俠再次宣布，將在2027年實現(xiàn)3D NAND的1000層堆疊，而此前鎧俠計劃是在2031年批量生產(chǎn)超1000層的3D NAND存儲器。三星也在此前表示，將在2030年實現(xiàn)1000層堆疊的3D NAND存儲器。

3D NAND似乎已經(jīng)成為各大存儲企業(yè)競相追逐的“工業(yè)明珠”，包括三星、海力士、美光、鎧俠、長江存儲等都在這一領(lǐng)域投入大量資源，而比拼的就是堆疊層數(shù)。

3D NAND為何如此重要？

隨著數(shù)字化信息的爆炸性增長，對對存儲容量的需求也在不斷上升。但傳統(tǒng)2D NAND閃存逐漸逼近其物理極限，當(dāng)制程技術(shù)不斷縮小，達(dá)到十幾納米節(jié)點，每個存儲單元都變得非常小，導(dǎo)致制造的復(fù)雜性和成本顯著增加。

如果只是成本增加，那么還能通過批量生產(chǎn)的方式來降低。但隨著存儲單元尺寸的減小，之間的距離也在越拉越近，這增加了串?dāng)_的風(fēng)險，從而影響到了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。并且隨著移動設(shè)備和數(shù)據(jù)中心對存儲性能的需求不斷增長，2D NAND技術(shù)在提高讀寫速度和降低延遲方面面臨挑戰(zhàn)。

到了2007年，隨著2D NAND的尺寸達(dá)到極限，還未改名為鎧俠的東芝開始提出了3D NAND結(jié)構(gòu)，通過將內(nèi)存顆粒堆疊在一起來解決2D NAND所面臨的問題。

3D NAND不僅增加了存儲容量，還改善了讀寫速度和耐用性。多層堆疊的設(shè)計有助于減少數(shù)據(jù)讀寫時的干擾，提升整體性能，并且由于物理結(jié)構(gòu)的變化，能夠更好地抵抗編程和擦除循環(huán)中的磨損，延長了閃存的使用壽命。

對于移動設(shè)備和可穿戴設(shè)備等對尺寸和能耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用，3D NAND技術(shù)可以實現(xiàn)在更緊湊的空間內(nèi)集成更多存儲，同時保持或降低功耗，符合行業(yè)對小型化和高效能的追求。

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、IoT、AI等領(lǐng)域的發(fā)展，市場對高容量、高性能存儲設(shè)備的需求急劇增加。3D NAND技術(shù)正好迎合了這一需求，使得TB級甚至更高容量的SSD成為可能。

2013年，三星電子率先量產(chǎn)了3D NAND，命名為V-NAND，克服了半導(dǎo)體微型化的技術(shù)限制，而第一代的3D V-NAND有24層。彼時，東芝則開發(fā)了一種名為Bit Cost Scalable（BiCS）的3D NAND工藝，采用了先柵極方法來生產(chǎn)3D NAND。

短短幾年時間，3D NAND的層數(shù)便從初期的24層，迅速攀升到了2022年256層，數(shù)量上漲了十倍，基本上可以看到層數(shù)以每年30%左右的速度穩(wěn)步增長。也是基于這種成長性的判斷，鎧俠認(rèn)為在2027年，3D NAND便能夠突破1000層。

并且隨著3D NAND技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了相關(guān)制造工藝、設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新，還推動了整個存儲行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。也是全球范圍內(nèi)主要半導(dǎo)體制造商紛紛入局3D NAND的重要原因，同時3D NAND的持續(xù)推進(jìn)，有望繼續(xù)保持摩爾定律的順利推進(jìn)。

先進(jìn)沉積與蝕刻技術(shù)將成為1000層3D NAND制造關(guān)鍵

在2D NAND的發(fā)展進(jìn)程中光刻技術(shù)是推動其發(fā)展的關(guān)鍵工藝，但到了3D NAND則不同。制造更高層數(shù)的3D NAND并非是簡單地堆疊，隨著層數(shù)的增加，對每層材料的蝕刻和沉積過程要求更加精確。這包括確保每個存儲層厚度均勻，以及在高度垂直的結(jié)構(gòu)中精確形成細(xì)微的通孔和溝槽，這就對沉積和蝕刻這兩項工藝提出巨大的挑戰(zhàn)。

比如在沉積工藝上，據(jù)Lam Research相關(guān)人士透露，當(dāng)3D NAND堆疊到96層時，實際沉積層數(shù)已經(jīng)達(dá)到了192層以上，其中，氮化硅層的均勻性將成為影響器件性能的關(guān)鍵參數(shù)。這意味著如果要做到1000層堆疊，或許實際沉積層數(shù)將達(dá)到2000層，難度將幾何倍提升。

而更重要的則是蝕刻工藝，在3D NAND的結(jié)構(gòu)中，需要通過蝕刻工藝從器件的頂層蝕刻出微小的圓形孔道到底層，才能將存儲單元垂直聯(lián)通起來。

以96層的3D NAND晶圓為例，蝕刻的縱深比就達(dá)到70:1，并且每個晶圓中都要有一萬億個這樣細(xì)小的孔道，這些孔道必須互相平行規(guī)整。這些孔道必須保持規(guī)整和清潔，任何微小的缺陷都可能導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降。而伴隨著堆疊層數(shù)的增加，讓蝕刻工藝的難度變得越來越大。

此外，隨著層數(shù)的增加，芯片內(nèi)部的熱量累積成為一個嚴(yán)重問題。更多的堆疊層意味著更復(fù)雜的熱傳導(dǎo)路徑，可能導(dǎo)致熱失控，影響器件的穩(wěn)定性和壽命。需要開發(fā)新的散熱技術(shù)和材料來有效管理熱能。

2023年4月，東京電子（TEL）宣布開發(fā)出了一種用于存儲芯片的通孔蝕刻技術(shù)，可以用于制造400層以上堆疊的3D NAND，尤其值得注意的是，TEL這項技術(shù)可以在-60℃中實現(xiàn)高速蝕刻。

而傳統(tǒng)的蝕刻技術(shù)往往在較高的溫度下進(jìn)行，低溫環(huán)境可以減少對材料的熱損傷，保護(hù)周圍結(jié)構(gòu)不受影響，這對于高密度、多層堆疊的3D NAND結(jié)構(gòu)尤為重要，因為它有助于維持精細(xì)結(jié)構(gòu)的完整性，提高器件的性能和可靠性。

此外，TEL的低溫蝕刻設(shè)備采用了氟化氫（HF）氣體，替代了傳統(tǒng)系統(tǒng)中常用的氟碳化物（CF）氣體。傳統(tǒng)的CF基氣體在蝕刻時，其反應(yīng)生成的聚合物會厚厚的沉積在孔的側(cè)壁上，盡管這可以防止橫向蝕刻，但也意味著孔越深，到達(dá)孔底層的CF自由基氣體就越少，導(dǎo)致蝕刻效率急劇降低，成本快速升高。

而采用HF氣體蝕刻時，孔的側(cè)壁上沉積物非常少，意味著即便堆疊層數(shù)增加，對蝕刻效率的影響也不大。這也讓TEL能夠?qū)崿F(xiàn)高效率對3D NAND進(jìn)行HAR蝕刻，而此前，HAR蝕刻技術(shù)由Lam Research獨占。

有了這項技術(shù)，鎧俠才有信心到2027年就能夠?qū)崿F(xiàn)1000層堆疊的3D NAND。除了可能采用TEL的蝕刻技術(shù)外，鎧俠與西部數(shù)據(jù)聯(lián)手在去年就推出了基于BiCS8的3D NAND閃存，層數(shù)達(dá)218層，采用 1Tb 三層單元（TLC）和四層單元（QLC）技術(shù)，并通過創(chuàng)新的橫向收縮技術(shù)，成功將位密度提高了50% 以上。

當(dāng)然，如果鎧俠想要盡快將1000層3D NAND制造出來，那么對五層單元（PLC）技術(shù)的探索也必須加快腳步了。

而其他廠商也沒有閑著，比如三星便在不久前宣布，預(yù)計到2030年，采用V-NAND技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)1000層堆疊。而到了今年，三星將有望推出280層的第九代3D NAND，并在2025-2026年推出430層的第十代3D NAND。SK海力士也在去年公布了一款堆疊層數(shù)超過300層的3D NAND產(chǎn)品。

對于普通消費者而言，這些企業(yè)卷3D NAND層數(shù)也是喜聞樂見的，不僅有望極大提升存儲容量，比如一塊SSD或U盤在不增加體積的情況下，存儲容量可以從幾個GB提升到幾個TB，還能提升讀寫速度，如SK海力士推出的238層NAND數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了2.4Gbps，比前一代產(chǎn)品提高了50%，同時還能降低產(chǎn)品成本。

總結(jié)

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，對高容量、高性能存儲解決方案的需求不斷增長，而增加3D NAND層數(shù)能夠滿足這些市場的需求。而誰能夠制造更高層數(shù)的3D NAND，也將意味著率先享受到這些新興市場的紅利，并且為企業(yè)帶來明顯的市場區(qū)分度和品牌優(yōu)勢，同時3D NAND也將為消費者帶來許多益處?？梢哉f，卷3D NAND層數(shù)，是企業(yè)與消費者的一場雙贏。