近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等概念的興起，對存儲設(shè)備的要求也愈加嚴(yán)格。NAND Flash作為有望替代傳統(tǒng)磁盤的非易失性存儲介質(zhì)，自鎧俠（原東芝存儲器）在1986年發(fā)明以來，得到了快速發(fā)展。
2D NAND微縮止步，三維堆疊開啟NAND閃存發(fā)展新思路
隨著2D NAND尺寸縮小到十幾納米節(jié)點(diǎn)，每個單元尺寸變的非常小，每個單元中電子的串?dāng)_問題使得尺寸繼續(xù)微縮變得愈加困難且不夠經(jīng)濟(jì)。2007年，鎧俠（原東芝存儲器）率先提出3D NAND Flash架構(gòu)，并命名為“BICS”(Bit Cost Scalable)。兩年后，三星發(fā)布了名為“TCAT”(Terabit Cell Array Transistor)的3D NAND Flash，并在2013年成功將其導(dǎo)入量產(chǎn)，現(xiàn)在三星生產(chǎn)的V-NAND存儲架構(gòu)實(shí)際上是TCAT架構(gòu)的改良版本。
最初，3D NAND架構(gòu)主要有兩種構(gòu)想，一種基于垂直溝道，水平堆疊柵極；另一種基于垂直柵極，水平堆疊溝道。然而，目前市面上的3D NAND均基于前者，制程主要基于2Xnm工藝，通過立體堆疊提升容量，同時兼具性能更佳，壽命更長的優(yōu)點(diǎn)。
無論是三星的“V-NAND”還是鎧俠的“BICS”都是基于“電荷陷阱存儲單元”，其電荷捕獲層為氮化硅絕緣層，電荷不會泄露，增強(qiáng)了器件可靠性。此外，“電荷陷阱存儲單元”可以在較低的電壓下編程和擦除基于電荷阱的存儲器，提高了耐用性。
然而，英特爾和美光的3D NAND雖然也是基于垂直溝道結(jié)構(gòu)，但是在器件結(jié)構(gòu)上采用的是浮動?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，它與常規(guī)MOSFE最主要的區(qū)別在于柵極和溝道之間具有額外的電絕緣浮柵。該結(jié)構(gòu)非易失性存儲原理為在去除電壓后，到達(dá)電隔離的浮柵層將被捕獲。
2018年7月份，美光和英特爾由于在3D NAND上技術(shù)路線的不同，宣布分手，其原因就在于美光決定放棄浮動?xùn)艠O結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向電荷陷阱結(jié)構(gòu)。然而，英特爾在浮動?xùn)艠O這條路上也并不孤獨(dú)，近期，鎧俠推出全球首款3D半圓形分裂浮動?xùn)艠O閃存單元“Twin BICS Flash”采用的就是浮動?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，試圖在更小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的存儲密度。
3D NAND堆疊已達(dá)100 層，未來發(fā)展面臨哪些挑戰(zhàn)？
3D NAND自2013年發(fā)布以來就受到市場的高度關(guān)注，至今短短六年時間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)96層產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，預(yù)計明年將有100 層堆疊的產(chǎn)品面世。在SK海力士發(fā)布的最新技術(shù)路線圖中顯示，到 2025年將推出500層3D NAND，將在2030年推出800 層堆疊產(chǎn)品。
然而，3D NAND結(jié)構(gòu)真的能夠無限堆疊下去嗎？
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，3D NAND則完全不同，存儲單元以垂直堆疊的方式實(shí)現(xiàn)容量的增長。在層層堆疊的過程中，沉積和蝕刻這兩項(xiàng)工藝將面臨巨大的挑戰(zhàn)。
Lam Research電介質(zhì)首席技術(shù)官Bart van Schravendijk表示，3D NAND堆疊到96層時，實(shí)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)。
除此之外，3D NAND工藝流程中最困難的部分當(dāng)屬高縱深比要求的蝕刻工藝。在3D NAND結(jié)構(gòu)中，必須通過蝕刻工藝從器件的頂層到底層蝕刻出微小的圓形孔道，將存儲單元能夠垂直聯(lián)通起來。
Lam Research表示，對于96層3D NAND晶圓來講，蝕刻的縱深比高達(dá)70：1，而且每塊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。隨著堆疊層數(shù)的增加，蝕刻工藝的難度也會逐漸增大。
雖然我們無法預(yù)判3D NAND最終會止步于多少層，但是，毫無疑問，隨著堆疊層數(shù)的增加，存儲原廠將不得不面對越來越復(fù)雜、昂貴的工藝。存儲產(chǎn)業(yè)需要找到新的解決方法不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的存儲需求，當(dāng)然，這也可能是一種全新的存儲介質(zhì)，各大原廠同樣深知這一點(diǎn)，目前也在積極投入研發(fā)當(dāng)中，例如：FeRAM，MRAM，PCM，RRAM等，然而，哪種器件能夠突出重圍，成為下一代非易失性存儲器件，還需時間給出答案。
