文章来历：学习那些事。

原文作者：赵先生。

3D闪存有着更大容量、更低本钱和更高功能的优势，本文介绍了3D闪存的制造工艺与应战。

运用 3D 闪存的含义。

现存的包括 BE - SONOS 的 2D 闪存架构，在 1x 纳米节点处遭受了密度集成难题，这与逻辑电路继续微缩时面对的窘境相似，即现有的结构已无法符合继续缩小尺度后的功能需求。鉴于此，业界研宣布 3D NAND 闪存架构，旨在处理在寻求更低每比特本钱以及完结更高密度进程中所面对的问题。2012 年，韩国。三星。公司推出全球首款 3D NAND 闪存芯片，该芯片初次选用 32 层单层单元结构（single - level cell，SLC），存储单元以笔直方法堆叠成多层。相较于现有的 2D 闪存，这是一种更为先进的闪存架构。

从 2D 闪存向 3D 闪存过渡时，工艺环节需添加多层存储单元以及各层之间的互连结构。一款典型的 3D NAND 闪存芯片，层数可达 32 层、48 层、64 层、96 层，甚至 128 层。与 2D 闪存比较，层数的添加使得 3D 闪存的制造进程更为杂乱且耗时。不过，多层架构让存储器材在具有更短衔接途径的状况下，得以完结更高的位密度，从而展现出更优的功能。3D 闪存具有以下优势：

容量优势。：与 2D NAND 闪存比较，3D NAND 闪存具有更大的存储容量与数据密度。经过堆叠多层存储单元构建三维存储矩阵，在相同的芯片面积 —— 即占用空间内，能够供给更大的存储容量。同理，更为密布的芯片可被集成到更紧凑、容量更高的设备之中。

本钱优势。：闪存与其他存储技能相同遵从每字节本钱的相关规矩。相较于 2D NAND 闪存，3D NAND 闪存能够明显下降每字节本钱。

功能与功率优势。：当存储单元以 2D 矩阵布局时，数据移入和移出单元的间隔存在约束。而这一间隔等同于时刻 —— 也便是推迟。为增大 2D 矩阵的存储容量，这些间隔以及推迟也必定随之添加，这实际上下降了更大容量 2D NAND 闪存设备的功能。3D 闪存经过堆叠并互连闪存存储单元层，能够缩短物理间隔，从而削减推迟，使得在更高存储容量下仍能坚持较高功能。此外，3D NAND 闪存可完结单次写入，功耗相较于 2D NAND 下降 50%。

闪存的制造工艺。

在当下的 3D NAND 闪存工艺技能领域，栅极构成工艺首要朝着两个不同方向开展，分别为电荷圈套工艺技能以及浮栅技能工艺。一方面，像三星、SK 海力士以及。东芝。等公司，正在运用电荷圈套闪存技能。该技能运用氮化硅构成的非导电层，此层环绕在单元的操控栅极周围，能够捕获电荷，以此坚持单元的完好性。与之构成比照的是，Intel。和美光公司并未选用电荷圈套技能。相反，他们将本来应用于 2D 闪存的浮栅结构拓宽至 3D NAND 闪存傍边。在浮栅结构里，栅极本质上是一种导体，而看似浮栅的电荷圈套层实则为绝缘体。浮栅技能在施行进程中，触及一些较为杂乱的图画化进程，尤其是在制造笔直孔的旁边面时，图画化操作难度较大，有必要历经许多额定的流程进程。相对而言，电荷圈套技能的优势在于无需进行图画化处理，但是其缺点在于电荷传输功率方面存在问题，而这一问题实际上也反映为本钱问题。图 1 展现了不同公司所选用的 3D NAND 工艺技能状况。

图1：现代3DNAND闪存结构。

以位列堆叠（bit column st。ac。ked，BiCS）架构为例，3D NAND 闪存的详细工艺进程如下：首要，在硅晶圆衬底之上制造一层 CMOS 逻辑芯片，将其作为外围逻辑。一起，在衬底上构建导电途径，用于衔接成对的相邻列，随后运用一层二氧化硅进行绝缘处理。接着，在其顶部堆积导电多晶硅层，以此构成榜首字线和操控栅极，而且让二氧化硅层在多晶硅顶部成长，意图是使其与后续将堆积在上方的多晶硅层彼此绝缘。这一系列操作将重复屡次，成对的多晶硅层和二氧化硅层会在整个晶片上层层堆叠，终究构成薄片结构。这种结构相似于蛋糕坯和糖霜替换层叠而成的夹心蛋糕，如图 2（a）所示。

一旦在晶片上堆积了所需数量的上述层之后，便要在晶片上对圆孔阵列进行图画化处理，随后将这些孔刻蚀贯穿一切层，直至抵达基板。图 2（b）展现了其间一个孔的状况。这种刻蚀技能与。 DRAM。沟槽单元技能相似，仅需一个掩模进程，便能为器材中的一切层构成孔。即使串中或许包括 16、32、64 或更多数量的。晶体管。，也仅需这一个掩模进程。相较于如今的 2D NAND 制造工艺，这无疑是一种极为经济高效的光刻技能。

接下来便是制造浮栅极和沟道孔的内壁。首要，涂改一层二氧化硅层 [见图 2（c）]，以此创立栅极电介质（即操控栅极和浮栅之间的电介质）。能够将其幻想为一个衬在洞里的管子。其次，经过在二氧化硅层上堆积氮化硅层来制造浮栅，这就如同在管内又构成了一个管 [见图 2（d）]。随后，在氮化硅层上再堆积另一个氧化物层，用于构成地道电介质 [见图 2（e）]，这便是摆放在孔壁上的三个同心管中的第三个。终究，经过向其间堆积多晶硅 [见图 2（f）]，来填充整个孔（或许在这些同心管在侧壁上完结分层之后所剩下的空间）。BiCS 技能归于一种电荷圈套技能，因其运用的是绝缘层，所以即使每个单元的电荷圈套之间并无差异，两个相邻的电荷圈套也不会彼此搅扰。而且这一层彻底无需进行图画化操作。

图2：BICS构架3DNAND闪存的根本工艺进程。

闪存的工艺应战。

虽然 3D NAND 闪存的存储单元结构相对直观易懂，但是，不论选用何种架构，不管是电荷圈套工艺技能，仍是浮栅工艺技能，3D NAND 闪存的制造工艺都极为困难杂乱。从原始晶圆加工成完好的晶粒裸片或芯片，需历经数千个独立工艺进程。制造进程中，任何一处呈现过错或遭受污染，都或许发生缺点，致使整个芯片作废。因而，要完结高质量制造，有必要采纳极为严厉的污染预防措施，对制造进程进行精准操控，并保证资料纯度极高。接下来，首要讨论现代 3D 闪存工艺面对的难点与应战。

1) 替换层的堆叠堆积。

在 2D NAND 的制造中，先进的光刻技能起着要害作用。但在 3D NAND 制造里，供货商选用的是 40nm 至 20nm 的后缘规划规矩。虽然先进光刻技能仍在运用，可已不再是最要害的环节。关于 3D NAND 而言，工艺应战已从光刻工艺转移至堆积工艺与刻蚀工艺。实际上，3D NAND 为业界带来了许多全新且难度颇高的工艺进程。经过将位串拓宽至第三维度，该技能虽缓解了许多图画微缩难题，却引入了一些极为杂乱的新流程。这些流程的一致性至关重要，应战首要聚集于对几个要害流程的可变性操控。

3D NAND 的工艺流程始于衬底。随后，供货商便面对首个首要应战 —— 替换堆叠堆积。使用化学气相堆积（CVD）技能，替换堆叠堆积指的是在基板上逐层堆积并堆叠薄膜的进程。这一进程恰似制造夹心蛋糕，简略来讲，便是先在基板上堆积一层资料，接着在其上再堆积另一层资料，如此重复屡次，直至特定器材到达所需的层数。不同制造商选用不同的资料组合来构建层仓库。比方，三星公司在硅衬底上替换堆积氮化硅和二氧化硅层；东芝的 3D NAND 技能则由导电多晶硅和绝缘二氧化硅的替换层构成。替换堆叠堆积有必要具有杰出的均匀性与低缺点率。一切堆积层的均匀性都要好，这样才干完结杰出的应力操控。由于替换的薄膜各不相同，关于每一层薄膜，都或许因资料不匹配而发生应力问题。而且，跟着 3D NAND 闪存层数的添加，工艺难度与应战也在继续攀升。

2) 深邃宽比刻蚀。

完结替换堆叠堆积进程后，需在外表施加硬掩模，并进行图画化处理，以构成所需的孔。此刻便进入工艺流程中最为扎手的部分 —— 深邃宽比刻蚀，即从器材顶部向衬底刻蚀细小的沟槽或通道。为了阐明这一进程的杂乱程度，以某类 3D NAND 芯片为例，同一芯片中存在 250 万个细小通孔，且每个通孔都有必要坚持平行且均匀。现在的深邃宽比刻蚀东西能够满意 32 层和 48 层器材的需求，关于这些芯片，深宽比范围在 30:1 至 40:1 之间。这种刻蚀进程极为杂乱，要在很多刻蚀进程中坚持高度的统计学一致性，对存储设备的功能有着极为苛刻的要求。而关于 64 层及以上的芯片，以现在的刻蚀才能而言，难度过高，现有的刻蚀和硬掩模技能未必适用于 60:1 或 70:1 这样的深邃宽比。

因而，NAND 供货商现在一起推动两条技能开展途径。榜首条途径是等候下一代深邃宽比刻蚀东西以及其他相关技能的面世。一旦刻蚀机准时研制完结，现有的 3D NAND 技能将依照如下次序完结扩展：从现有的 32 层和 48 层，逐渐开展到 64 层，从而迈向 96 层，终究到达 128 层。而在第二条途径中，NAND 制造商致力于开发下一代串堆叠技能。所谓串堆叠技能，简言之，便是把多个 3D NAND 闪存器材进行堆叠，而且每个器材之间或许会用绝缘层加以阻隔。例如，制造商方案开发 48 层的 3D NAND 闪存器材，这一进程需求历经前文所提及的各类工艺流程，比如替换层堆积、刻蚀等操作。供货商会选用相同的流程制造出别的的 48 层 NAND 芯片，之后将它们堆叠在一起。需求留意的是，该工艺并不局限于 48 层芯片。假使相关技能老练，制造商甚至能够对 64 层、96 层甚至 128 层的芯片进行堆叠。从理论层面考量，通常会优先选用 32 层和 48 层芯片来施行串堆叠，原因在于相较于 96 层或 128 层芯片，单个 32 层或 48 层器材所接受的应力相对较小。

但是，终究带有串堆叠的 3D NAND 技能或许会在堆叠层数到达 300 层左右时遭受瓶颈。跟着堆叠层数的添加，因堆叠进程中发生的缺点而导致的良品率丢失会继续攀升，这无疑将成为约束技能开展的一大要素。此外，一切堆叠的薄膜资料都会遭到应力方面的限制。能够确认的是，字符串堆叠技能现在仍存在许多不知道要素以及应战。即使不考虑字符串堆叠技能，整个职业在 3D NAND 技能领域仍旧面对着一些难题。不管处于何种景象，业界都有必要继续深入研究并完善 3D NAND 的各个工艺进程。不然，该项技能的本钱仍将居高不下。

3) 金属堆积。

在完结栅极的制造后，接下来的通孔构成工艺相同充溢应战。此环节需求凭借金属堆积进程，使用金属导体对 3D NAND 闪存器材进行回填操作。

通常状况下，会选用钨作为回填通孔孔洞的资料。这一堆积进程极具难度，由于它归于非视野堆积方法。假使没有合理规划工艺流程，在堆积进程中极有或许过错地镀出金属钨的前体金属。这些前体金属在进入触摸柱孔洞时，或许会马上掉落，从而导致触摸柱呈现空地。

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