蚀刻工艺相对落后 3D NAND层或迈向“串堆叠”时代

美光NAND晶圆

在增加3D NAND层时，最大的难题就是要克服芯片生产流程中对长宽比的限制，否则层数将始终无法取得突破。串堆叠技术则能够帮助我们有效解决这一长宽比难题。

三星公司已经开始发布48层3D NAND，也就是其第三代产品；其相当于把48块平面（2D）NAND晶片彼此进行堆叠。美光公司及其合作伙伴英特尔则掌握着32层3D NAND。西部数据/SanDisk与东芝则同SK海力士一样，都拥有着48层芯片样品。

3D代工流程不仅涉及对2D NAND的水平层叠，同时还需要蚀刻数据通孔--即各层间的垂直传输通道--而这又是另一项挑战。一旦层数超过64层，现有蚀刻设备将很难保质保量地完成通道加工任务。

根据Semiconductor Engineering网站的说法，3D芯片以基片为设计起点，在此之上使用汽相淀积工艺任选沉积的化合物作为NAND单元组件。这些沉积层形成字线，后者接入单元中的各行，而位线则在金属层中横向跨越以上沉积层。

位线与字线间呈九十度垂直关系，同样接入一列或者一串单元。其中字线与位线的交叉点被定义为单元地址。在3D NAND晶片中，亦有多条垂直串贯穿各层，用于连接各层上的不同位线。一块三星3D NAND芯片可包含最高250万个这样的通道，其制造难度可想而知。

在该层沉积完成后，掩模即被放置在其上，而后是进行通孔蚀刻。接下来，继续利用蚀刻工艺在各底层与基片之间切割信道。多余的材料被移除，这样通孔即制作完成。各通孔必须实现精确定位且尺寸要求均匀，通孔绝不可扭曲、粗细不均或者开过头，否则会破坏芯片本身。

由Lam Research发布的3D NAND蚀刻工艺示意图。

在长宽比方面（即垂直高度与通道宽度间的比值），当前蚀刻技术可达到30：1到40：1之间，适用于32层与48层芯片设计。而即将推出的64层芯片则需要将这一比值调整至60：1到70：1之间，这意味着对应的制程工艺还不存在。

展望未来，3D NAND还将迎来96层乃至128层结构，其将需要更为夸张的长宽比水平--可能在110：1到120：1之间。

NAND代工方需要等待相关蚀刻机技术的开发，或者直接堆叠现有3D晶片实现容量提升，例如将两块64层晶片叠加为128层，或者将两块48层晶片叠加为96层。两块晶片之间依靠一个金属层与位串连接线进行对接，从而实现所谓"串堆叠"机制。从理论层面讲，大家也可以将更多3D晶片进行堆叠。

这是一种潜在的可行方式，意味着我们有机会迎来64层、96层以及128层3D NAND芯片，从而继续保证3D NAND芯片拥有理想的存储容量增长速度。