三維堆疊存儲器(3D NAND)憑借其超越傳統(tǒng)平面NAND的存儲密度和成本優(yōu)勢，成為存儲技術(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，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)級增長也帶來了前所未有的制造挑戰(zhàn)，推動行業(yè)在材料、設(shè)備和工藝流程上持續(xù)革新。

架構(gòu)演進：從垂直溝道到溝槽單元

3D NAND的架構(gòu)演進始終圍繞“提高存儲密度”與“優(yōu)化性能”展開。早期BiCS(位成本可擴展)架構(gòu)通過垂直堆疊柵極層形成溝道，電流沿垂直方向流動，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)定性問題凸顯。東芝提出的PBiCS架構(gòu)通過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)計使存儲單元的保持特性提升30%。

為進一步突破密度極限，行業(yè)開始探索新型架構(gòu)。TCAT(管狀通道陣列晶體管)架構(gòu)采用后柵極制造方法，通過金屬控制柵極實現(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，其通過在溝槽側(cè)壁實現(xiàn)存儲單元，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的編程/擦除窗口不足問題。

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)中電荷的橫向擴散，CTL通過氮化硅層的電荷捕獲位點實現(xiàn)更精確的存儲，其存儲窗口可達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，其存儲通道孔的直徑約100納米，深度達5-6微米，縱橫比超過50:1。這種納米級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致通道電阻增加或存儲性能下降。Lam Research開發(fā)的脈沖功率等離子技術(shù)與低溫蝕刻工藝，通過高峰值功率和物理吸附機制，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10微米時易發(fā)生坍塌。為此，行業(yè)采用分區(qū)階梯設(shè)計，通過插入更多字線接觸通孔增強支撐力，但這也增加了工藝復雜度。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)中可能達到數(shù)百歐姆，影響信號傳輸速度。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。這種微縮導致沉積過程中的應(yīng)力累積，可能引發(fā)晶圓翹曲。盛美半導體通過旋轉(zhuǎn)卡盤技術(shù)，在沉積過程中定期旋轉(zhuǎn)晶圓，將均勻度控制在1%以內(nèi)。同時，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)實現(xiàn)氮化硅與氧化硅的精確厚度控制。

未來方向：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，有望實現(xiàn)存儲密度突破100Gb/mm2。然而，千層堆疊需解決蝕刻預算與圖案化挑戰(zhàn)。Lam Research預測，1000層3D NAND的通道孔縱橫比將達100:1，這對硬掩模材料與蝕刻化學提出了更高要求。

混合鍵合技術(shù)為密度提升提供了新思路。長江存儲的Xtacking架構(gòu)通過晶圓對晶圓鍵合，將外圍電路與存儲單元陣列分別加工后垂直互連，使I/O速度提升至3.0Gbps，開發(fā)周期縮短三個月。這種模塊化設(shè)計還允許獨立優(yōu)化外圍電路的工藝節(jié)點，例如在存儲單元采用90納米工藝時，外圍電路可使用28納米先進制程。

在單元存儲位數(shù)上，五級存儲(PLC)技術(shù)正從實驗室走向量產(chǎn)。SK海力士已實現(xiàn)每單元6比特的存儲方案，通過將單元分為兩個三比特子單元并優(yōu)化糾錯算法，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進一步壓縮，需結(jié)合機器學習算法實現(xiàn)精準的電荷狀態(tài)識別。

三維堆疊存儲器的架構(gòu)演進與工藝挑戰(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，每一次進步都在重新定義存儲密度的極限。當千層堆疊成為現(xiàn)實，3D NAND將不僅是數(shù)據(jù)的容器，更將成為人工智能、自動駕駛等領(lǐng)域的算力基石。在這場納米尺度的“攀登”中，材料科學、設(shè)備工程與算法優(yōu)化的協(xié)同創(chuàng)新，將決定存儲技術(shù)未來的高度。