预期提前，铠侠再次加速，3D NAND准备冲击1000层

电子发烧友网报道（文/黄山明）近日，铠侠再次宣布，将在2027年实现3D NAND的1000层堆叠，而此前铠侠计划是在2031年批量生产超1000层的3D NAND存储器。三星也在此前表示，将在2030年实现1000层堆叠的3D NAND存储器。
 
3D NAND似乎已经成为各大存储企业竞相追逐的“工业明珠”，包括三星、海力士、美光、铠侠、长江存储等都在这一领域投入大量资源，而比拼的就是堆叠层数。
 
3D NAND为何如此重要？
 
随着数字化信息的爆炸性增长，对对存储容量的需求也在不断上升。但传统2D NAND闪存逐渐逼近其物理极限，当制程技术不断缩小，达到十几纳米节点，每个存储单元都变得非常小，导致制造的复杂性和成本显著增加。
 
如果只是成本增加，那么还能通过批量生产的方式来降低。但随着存储单元尺寸的减小，之间的距离也在越拉越近，这增加了串扰的风险，从而影响到了数据的稳定性和可靠性。并且随着移动设备和数据中心对存储性能的需求不断增长，2D NAND技术在提高读写速度和降低延迟方面面临挑战。
 
到了2007年，随着2D NAND的尺寸达到极限，还未改名为铠侠的东芝开始提出了3D NAND结构，通过将内存颗粒堆叠在一起来解决2D NAND所面临的问题。
 
3D NAND不仅增加了存储容量，还改善了读写速度和耐用性。多层堆叠的设计有助于减少数据读写时的干扰，提升整体性能，并且由于物理结构的变化，能够更好地抵抗编程和擦除循环中的磨损，延长了闪存的使用寿命。
 
对于移动设备和可穿戴设备等对尺寸和能耗有严格要求的应用，3D NAND技术可以实现在更紧凑的空间内集成更多存储，同时保持或降低功耗，符合行业对小型化和高效能的追求。
 
随着云计算、大数据、IoT、AI等领域的发展，市场对高容量、高性能存储设备的需求急剧增加。3D NAND技术正好迎合了这一需求，使得TB级甚至更高容量的SSD成为可能。
 
2013年，三星电子率先量产了3D NAND，命名为V-NAND，克服了半导体微型化的技术限制，而第一代的3D V-NAND有24层。彼时，东芝则开发了一种名为Bit Cost Scalable（BiCS）的3D NAND工艺，采用了先栅极方法来生产3D NAND。
 
短短几年时间，3D NAND的层数便从初期的24层，迅速攀升到了2022年256层，数量上涨了十倍，基本上可以看到层数以每年30%左右的速度稳步增长。也是基于这种成长性的判断，铠侠认为在2027年，3D NAND便能够突破1000层。
 
并且随着3D NAND技术的发展，也促进了相关制造工艺、设计技术的创新，还推动了整个存储行业的技术进步。也是全球范围内主要半导体制造商纷纷入局3D NAND的重要原因，同时3D NAND的持续推进，有望继续保持摩尔定律的顺利推进。
 
先进沉积与蚀刻技术将成为1000层3D NAND制造关键
 
在2D NAND的发展进程中光刻技术是推动其发展的关键工艺，但到了3D NAND则不同。制造更高层数的3D NAND并非是简单地堆叠，随着层数的增加，对每层材料的蚀刻和沉积过程要求更加精确。这包括确保每个存储层厚度均匀，以及在高度垂直的结构中精确形成细微的通孔和沟槽，这就对沉积和蚀刻这两项工艺提出巨大的挑战。
 
比如在沉积工艺上，据Lam Research相关人士透露，当3D NAND堆叠到96层时，实际沉积层数已经达到了192层以上，其中，氮化硅层的均匀性将成为影响器件性能的关键参数。这意味着如果要做到1000层堆叠，或许实际沉积层数将达到2000层，难度将几何倍提升。
 
而更重要的则是蚀刻工艺，在3D NAND的结构中，需要通过蚀刻工艺从器件的顶层蚀刻出微小的圆形孔道到底层，才能将存储单元垂直联通起来。
 
以96层的3D NAND晶圆为例，蚀刻的纵深比就达到70:1，并且每个晶圆中都要有一万亿个这样细小的孔道，这些孔道必须互相平行规整。这些孔道必须保持规整和清洁，任何微小的缺陷都可能导致产品性能下降。而伴随着堆叠层数的增加，让蚀刻工艺的难度变得越来越大。
 
此外，随着层数的增加，芯片内部的热量累积成为一个严重问题。更多的堆叠层意味着更复杂的热传导路径，可能导致热失控，影响器件的稳定性和寿命。需要开发新的散热技术和材料来有效管理热能。
 
2023年4月，东京电子（TEL）宣布开发出了一种用于存储芯片的通孔蚀刻技术，可以用于制造400层以上堆叠的3D NAND，尤其值得注意的是，TEL这项技术可以在-60℃中实现高速蚀刻。
 
而传统的蚀刻技术往往在较高的温度下进行，低温环境可以减少对材料的热损伤，保护周围结构不受影响，这对于高密度、多层堆叠的3D NAND结构尤为重要，因为它有助于维持精细结构的完整性，提高器件的性能和可靠性。
 
此外，TEL的低温蚀刻设备采用了氟化氢（HF）气体，替代了传统系统中常用的氟碳化物（CF）气体。传统的CF基气体在蚀刻时，其反应生成的聚合物会厚厚的沉积在孔的侧壁上，尽管这可以防止横向蚀刻，但也意味着孔越深，到达孔底层的CF自由基气体就越少，导致蚀刻效率急剧降低，成本快速升高。
 
而采用HF气体蚀刻时，孔的侧壁上沉积物非常少，意味着即便堆叠层数增加，对蚀刻效率的影响也不大。这也让TEL能够实现高效率对3D NAND进行HAR蚀刻，而此前，HAR蚀刻技术由Lam Research独占。
 
有了这项技术，铠侠才有信心到2027年就能够实现1000层堆叠的3D NAND。除了可能采用TEL的蚀刻技术外，铠侠与西部数据联手在去年就推出了基于BiCS8的3D NAND闪存，层数达218层，采用 1Tb 三层单元（TLC）和四层单元（QLC）技术，并通过创新的横向收缩技术，成功将位密度提高了50% 以上。
 
当然，如果铠侠想要尽快将1000层3D NAND制造出来，那么对五层单元（PLC）技术的探索也必须加快脚步了。
 
而其他厂商也没有闲着，比如三星便在不久前宣布，预计到2030年，采用V-NAND技术能够实现1000层堆叠。而到了今年，三星将有望推出280层的第九代3D NAND，并在2025-2026年推出430层的第十代3D NAND。SK海力士也在去年公布了一款堆叠层数超过300层的3D NAND产品。
 
对于普通消费者而言，这些企业卷3D NAND层数也是喜闻乐见的，不仅有望极大提升存储容量，比如一块SSD或U盘在不增加体积的情况下，存储容量可以从几个GB提升到几个TB，还能提升读写速度，如SK海力士推出的238层NAND数据传输速度达到了2.4Gbps，比前一代产品提高了50%，同时还能降低产品成本。
 
总结
 
随着大数据、云计算、人工智能和物联网等技术的发展，对高容量、高性能存储解决方案的需求不断增长，而增加3D NAND层数能够满足这些市场的需求。而谁能够制造更高层数的3D NAND，也将意味着率先享受到这些新兴市场的红利，并且为企业带来明显的市场区分度和品牌优势，同时3D NAND也将为消费者带来许多益处。可以说，卷3D NAND层数，是企业与消费者的一场双赢。