从MB、GB到TB、PB，硬盘中的“摩天大楼”可以盖多高？

自上世纪80年代NAND闪存被发明以来，人们存储数据资料的方式发生了翻天覆地的变化。

冲印照片和刻录CD在现在回想起来似乎都是距离我们很遥远的事了，我们存储资料的方式已经迅速被存储卡、U盘和固态硬盘所取代。

这些设备的更新迭代速度极快，每几个月就会看到容量更大的存储设备问世，而这些便捷的存储设备使用的便是NAND闪存技术。 

NAND闪存技术是以与非门（NOT-AND）的英文缩写来命名的，这是因为它的每个独立存储单元都像是一个与非门。

基于该技术的产品处理数据的速度很快，因此被广泛地应用于我们日常生活中的各种设备中。

通过下面这篇文章，你能更好的了解NAND闪存这一革命性的技术及其最新的技术拐点——3D NAND。

传统的NAND工艺遭遇瓶颈

NAND产品是通过被称为“单元”的结构来储存信息的，这些存储单元按照行和列的形式排列。

传统上，这些单元阵列是在晶圆平面上进行加工的（这里指的是平面NAND）。过去，工程师们通过缩小存储单元面积和间距来提高存储密度。举个例子，如果将存储单元的面积和间距都缩小为过去的一半的话，同一空间大小就能容纳4倍于原有数目的存储单元。

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然而，当存储单元被缩小到一定尺寸时，进一步缩小就会遇到技术上的壁垒，而且传统的光刻用于密集图形的工艺技术成本也会变得异常昂贵。因此，想要进一步提高存储密度，人们需要创新的设计思路以及制造工艺。

NAND工艺朝新的“方向”发展

就像建筑物的建造一样，如果不能再往外扩张，我们就只能往上盖高楼了——3D NAND结构正如存储单元世界的“摩天大楼”。

由于水平方向的空间不够，3D NAND设备垂直构建了一连串的存储单元，而制造这种三维结构需要研发新型的制造工艺，这在很大程度上要依赖先进的沉积和刻蚀工艺技术。

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3D NAND的制造工艺是从多层薄膜（如氧化物/氮化物薄膜）的沉积开始，随后细长的垂直孔洞由蚀刻穿过薄膜层而形成通道。

在存储单元构建过程中还有一些关键步骤，例如对电介质薄膜的台阶式刻蚀以及对接触孔和位线的金属填充。而对于替代栅极工艺，则还需要其它一些关键步骤，比如横向的（或者水平的）金属字线填充等。

3D NAND工艺中的关键挑战

在三维空间中构建存储单元意味着在每一个关键步骤中都需要最大限度地减小水平和垂直方向的工艺误差。这意味着什么呢？让我们更深入地看看存储单元构建过程中的关键步骤吧。

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沉积多层薄膜

3D NAND工艺中的一个关键步骤是沉积多层薄膜：氧化物/氮化物(ONON)或氧化物/多晶硅 (OPOP)。每一层薄膜必须极度均匀，光滑、并且之间有好的粘附性。

而随着这些薄膜层数的不断增加，所面临的挑战也越来越大。一个步骤中即使轻微的误差也会在后续的步骤中被成倍放大，继而导致器件性能变差，成品率低。

此外，随着薄膜层数增加，薄膜应力和成本效益生产力的管理也变得越来越关键和富于挑战性。

2

垂直通道的刻蚀

垂直通道的刻蚀是3D NAND制程中最关键的步骤之一。

在平面NAND上，垂直沟道深宽比约为10:1，也就是深度约为宽度的10倍。而在3DNAND结构中，垂直沟道的深度要远大于此，深宽比大于40:1。

保持整个沟道轮廓的一致性和均匀性有很高的技术难度，因为沟道细长的结构很容易扭曲变形，进而导致邻近器件间的短路和干扰，所以严格的工艺控制十分关键。

3

字线的金属填充

字线的金属填充是替代栅极工艺中另一个关键的步骤。

为减少信号延迟，在牺牲层（比如ONON堆栈中的氮化物）被移除后，字线还需要使用导电材料如钨来进行回填。

这个步骤技术难度较大，因为字线形状十分复杂，横向沉积工艺必须完全填充细长水平的结构字线，不能在替代栅极金属中留有任何空洞。

存储单元的“摩天大楼”还能建多高？

随着3D NAND堆栈层数从今天的30至40层向60层甚至更高逐步推进，我们在上文中提到的那些工艺挑战将变得更加棘手。而这一切都是为了追求更高的存储密度。

幸运的是，先进的沉积和刻蚀设备系统在帮助芯片制造商大幅提高生产力的同时，能最大程度地减小工艺误差，从而实现3DNAND设备的大规模量产。

随着未来我们所需求的数据信息量不断增加，3D NAND等先进的存储技术将在提供高存储密度的解决方案中继续扮演重要角色。

这使得我们可能在不远的将来就能用上TB甚至PB数量级的存储设备，但我们却永远不会止步于此，不是吗？

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