全球物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心、智能家居、便攜設備等應用的發(fā)展不斷豐富著我們的物質(zhì)生活和精神生活，這些應用的正常運行都離不開半導體數(shù)據(jù)存儲芯片——僅一片指甲蓋面積大小的芯片區(qū)域就可以存放約300套《大英百科全書》文字內(nèi)容的高科技產(chǎn)品。近年來，人類社會的數(shù)據(jù)量迅速激增，一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就相當于人類進入現(xiàn)代化以前所有歷史的總和，這對存儲器芯片的容量和存儲密度提出了更高要求。
傳統(tǒng)半導體存儲器芯片通過提高單位面積的存儲能力實現(xiàn)容量增長，但在后摩爾時代已不可避免地面臨單元間串擾加劇和單字位成本增加等瓶頸。因此，尋求存儲技術階躍性的突破和創(chuàng)新，是發(fā)展下一代存儲器的主流思路。3D NAND是革新性的半導體存儲技術，通過增加存儲疊層而非縮小器件二維尺寸實現(xiàn)存儲密度增長，將半導體存儲器的發(fā)展空間帶入第三維度，成為未來實現(xiàn)存儲器芯片容量可持續(xù)增長的關鍵。
中國作為全球制造業(yè)基地，存儲器消耗量驚人。據(jù)統(tǒng)計，中國存儲器消耗量占全球總消耗量的50%以上，但國產(chǎn)存儲產(chǎn)品卻屈指可數(shù)。我國在存儲器芯片領域長期面臨市場需求大而自主知識產(chǎn)權和關鍵技術缺乏的困境，開展大容量存儲技術的研究和相關產(chǎn)品研制迫在眉睫。2014年6月，國務院印發(fā)《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》，將半導體產(chǎn)業(yè)新技術研發(fā)提升至國家戰(zhàn)略高度。在此背景下，為推動自主存儲芯片技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國科學院微電子研究所與長江存儲科技有限責任公司建立戰(zhàn)略合作，集中開展3D NAND領域關鍵技術的全方位攻關。
▲常規(guī)2D NAND與新興3D NAND空間結(jié)構(gòu)對比圖，圖片源自網(wǎng)絡
3DNAND芯片的物理結(jié)構(gòu)非常復雜，如果說傳統(tǒng)芯片的工藝制作過程如同在硅基材料的微觀世界里蓋平房，那么3D NAND多層堆疊結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)則是筑起高樓大廈的高難度工程，這給半導體工藝制造帶來了全新挑戰(zhàn)，需要在工藝流程上解決高深寬比刻蝕、高選擇比刻蝕、疊層薄膜沉積、存儲層形成、金屬柵形成以及雙曝光金屬線等關鍵技術，才能實現(xiàn)特性穩(wěn)定、良率較高的存儲核心結(jié)構(gòu)。
▲3DNAND多層堆疊結(jié)構(gòu)TEM照片，圖片源自長江存儲
存儲器的可靠性是影響產(chǎn)品品質(zhì)的重要一環(huán)，數(shù)據(jù)耐久性、數(shù)據(jù)保持特性、耦合和擾動是可靠性的主要評估特性，綜合反映了存儲器可以正確存取資料的使用壽命。NAND型存儲器的普遍壽命在10年左右。由于不可能在自然條件下進行測試，研發(fā)人員采用存儲器加速老化的測試方法，在1-2周內(nèi)模擬數(shù)十年的過程，通過大量實驗數(shù)據(jù)的組合分析，尋找影響可靠性特性的關鍵因素。同時，研發(fā)人員還建立了三維存儲結(jié)構(gòu)的理論及工程模型，并應用創(chuàng)新性的電路設計技術，保證芯片各項指標達到產(chǎn)品級別。
目前，由微電子所與長江存儲聯(lián)合開展的3DNAND關鍵技術攻關已取得重要進展，研發(fā)的32層存儲器芯片順利通過電學特性等各項指標測試，達到了預期要求，系國內(nèi)首次實現(xiàn)3D NAND工藝器件和電路設計等一整套技術驗證，標志著我國3D NAND存儲器研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化道路邁出了關鍵一步。
01月07日 18:14
