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3D NAND将会无限堆叠?沉积和蚀刻将是制约发展的两大瓶颈

发布日期:2019-12-24 11:13 浏览次数:
      近年来,随着互联网的兴起,物联网、人工智能、机器学习等概念的兴起,对存储设备的要求也愈加严格。NAND Flash作为有望替代传统磁盘的非易失性存储介质,自铠侠(原东芝存储器)在1986年发明以来,得到了快速发展。
2D NAND微缩止步,三维堆叠开启NAND闪存发展新思路
       随着2D NAND尺寸缩小到十几纳米节点,每个单元尺寸变的非常小,每个单元中电子的串扰问题使得尺寸继续微缩变得愈加困难且不够经济。2007年,铠侠(原东芝存储器)率先提出3D NAND Flash架构,并命名为“BICS”(Bit Cost Scalable)。两年后,三星发布了名为“TCAT”(Terabit Cell Array Transistor)的3D NAND Flash,并在2013年成功将其导入量产,现在三星生产的V-NAND存储架构实际上是TCAT架构的改良版本。
       最初,3D NAND架构主要有两种构想,一种基于垂直沟道,水平堆叠栅极;另一种基于垂直栅极,水平堆叠沟道。然而,目前市面上的3D NAND均基于前者,制程主要基于2Xnm工艺,通过立体堆叠提升容量,同时兼具性能更佳,寿命更长的优点。
      无论是三星的“V-NAND”还是铠侠的“BICS”都是基于“电荷陷阱存储单元”,其电荷捕获层为氮化硅绝缘层,电荷不会泄露,增强了器件可靠性。此外,“电荷陷阱存储单元”可以在较低的电压下编程和擦除基于电荷阱的存储器,提高了耐用性。
      然而,英特尔和美光的3D NAND虽然也是基于垂直沟道结构,但是在器件结构上采用的是浮动栅极结构,它与常规MOSFE最主要的区别在于栅极和沟道之间具有额外的电绝缘浮栅。该结构非易失性存储原理为在去除电压后,到达电隔离的浮栅层将被捕获。
       2018年7月份,美光和英特尔由于在3D NAND上技术路线的不同,宣布分手,其原因就在于美光决定放弃浮动栅极结构转向电荷陷阱结构。然而,英特尔在浮动栅极这条路上也并不孤独,近期,铠侠推出全球首款3D半圆形分裂浮动栅极闪存单元“Twin BICS Flash”采用的就是浮动栅极结构,试图在更小的尺寸内实现更高的存储密度。
 
3D NAND堆叠已达100+层,未来发展面临哪些挑战?
      3D NAND自2013年发布以来就受到市场的高度关注,至今短短六年时间已经实现96层产品的大规模生产,预计明年将有100+层堆叠的产品面世。在SK海力士发布的最新技术路线图中显示,到 2025年将推出500层3D NAND,将在2030年推出800+层堆叠产品。
然而,3D NAND结构真的能够无限堆叠下去吗?
       2D NAND的发展进程中,光刻技术是推动其发展的关键工艺,3D NAND则完全不同,存储单元以垂直堆叠的方式实现容量的增长。在层层堆叠的过程中,沉积和蚀刻这两项工艺将面临巨大的挑战。
       Lam Research电介质首席技术官Bart van Schravendijk表示,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。
       除此之外,3D NAND工艺流程中最困难的部分当属高纵深比要求的蚀刻工艺。在3D NAND结构中,必须通过蚀刻工艺从器件的顶层到底层蚀刻出微小的圆形孔道,将存储单元能够垂直联通起来。
       Lam Research表示,对于96层3D NAND晶圆来讲,蚀刻的纵深比高达70:1,而且每块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。随着堆叠层数的增加,蚀刻工艺的难度也会逐渐增大。
       虽然我们无法预判3D NAND最终会止步于多少层,但是,毫无疑问,随着堆叠层数的增加,存储原厂将不得不面对越来越复杂、昂贵的工艺。存储产业需要找到新的解决方法不断满足人们日益增长的存储需求,当然,这也可能是一种全新的存储介质,各大原厂同样深知这一点,目前也在积极投入研发当中,例如:FeRAM,MRAM,PCM,RRAM等,然而,哪种器件能够突出重围,成为下一代非易失性存储器件,还需时间给出答案。
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