一文让你看懂三星第五代V-NAND技术

转自 天极网

今年1月底，三星电子又发大招，推出采用第五代V-NAND技术的SSD产品——三星970 EVO Plus SSD。事实上，随着新一代3D NAND技术的不断成熟，速度更快的NVMe协议的SSD固态硬盘已经成为市场主流。

以前，我们见过的闪存多属于Planar NAND平面闪存，3D闪存则是立体堆叠的。打个比方，如果说普通NAND是平房，那么3D NAND则是高楼大厦。简单说，在3D NAND领域，谁堆叠的层数多，谁的产品性能就更先进。

众所周知，平面NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分，而且为进一步提高容量、降低成本，NAND的制程工艺不断进步。虽然更先进的制程工艺带来了更大的容量，但容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降。

与之相比，为提高NAND的容量、降低成本，存储厂商只需要堆叠更多的层数即可。

据悉，2bit MLC每cell单元存储2bit数据只需要一两打电子，3bit MLC(也就是TLC)的每个cell单元储存。随着制程工艺的不断革新，cell单元之间的干扰现象越来越严重。

三星的V-NAND不再追求缩小cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多cell单元，实现容量增多的目的。

传统上，SSD中使用的是浮栅极MOSFET(Floating gate MOSFET)，电子储存在栅极中，它相当于一个导体。这种晶体管的缺点是写入数据时，栅极与沟道之间会形成一次短路，这会消耗栅极中的电荷。

即每次写入数据，都要消耗一次栅极寿命。一旦栅极中的电荷没了，cell单元就相当于挂了，无法存储数据。

三星V-NAND闪存放弃浮栅极MOSFET，使用电荷攫取闪存(charge trap flash，简称CTF)设计。每个cell单元看起来更小了，但里面的电荷是储存在一个绝缘层而非之前的导体上，理论是没有消耗的。这种更小的电荷有很多优点，比如更高的可靠性、更小的体积。

据了解，使用CTF结构的V-NAND闪存被认为是一种非平面设计，绝缘体环绕沟道(channle)，控制栅极又环绕着绝缘体层。这种3D结构设计提升了储存电荷的的物理区域，提高了性能和可靠性。

相比传统的FG(Floating Gate，浮栅极)技术,三星NAND的电荷撷取闪存(charge trap flash，简称CTF)技术难度更小一点，因此这有利于加快产品量产。

目前，三星的3D V-NAND存储单元的层数(Layer)由2009年的2-layer逐渐提升至24-layer、64-layer，再到2018年的96-layer(层)。

参考资料：

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/21967038

2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/48579501

3. https://news.mydrivers.com/1/273/273419.htm

3D NAND的主要工艺流程

3D NAND绝对是芯片制程的天花板，三星，海力士，英特尔，长江存储等都有3D NAND的产线，代表了一个国家的芯片制造水平。今天，我们就来剖析一下3D NAND的主要制作流程。

1，基底准备：选择12寸特定晶向的硅片。

2，SiO2与SiNx交替镀膜，每层膜层在几十纳米左右。根据产品的不同，膜层的层数也不同。图中只是示意图，只有几层。但实际有64，128，400层等层数。

3，沉积无定形硅碳膜，这个是用来做沟道刻蚀的硬掩模。

4，硬掩模刻蚀，将硬掩模开口，以便于刻蚀堆叠的SiO2与SiNx材料

5，沟道通孔刻蚀，见文章：

《 3D NAND的沟道通孔是怎么做出来的？》

6，台阶刻蚀，见文章：

《3D NAND的台阶蚀刻（刻蚀）》

7，沉积无定形硅硬掩模，图片为侧视图

8，将硬掩模开孔

9，slit etch：将SiO2与SiNx的堆叠层刻蚀为一个个沟槽，

10，将堆叠层中的SiNx刻蚀掉，填充TiN,钨（W）等,即word line fill工艺。

11，刻蚀掉多余的钨，之后需要对沟道通孔进行填充，因此需依次沉积阻挡氧化层，Charge Trap SiN (电荷陷阱氮化硅)，Tunnel Oxide (隧道氧化物)，Poly Si (多晶硅)，Core SiO2 (硅基体)。功能区主体结构完成。

12，沉积介质层，并用CCP-RIE进行接触孔蚀刻。

13，用金属填充接触孔，并制作出连接接触孔的金属导线-Bit line，3D NAND的整个制程结束。

文中精简了比较多的重复步骤，实际工艺在数百步以上。

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