典型3D NAND闪存结构技术分析

几十年来，NAND 闪存一直是低成本和大密度数据存储应用的主要技术。这种非易失性存储器存在于所有主要的电子终端使用市场，例如智能手机、服务器、个人电脑、平板电脑和 USB 驱动器。在传统的计算机内存层次结构中，NAND 闪存距离中央处理器 (CPU) 最远，与静态随机存取存储器 (SRAM) 和动态 RAM (DRAM) 相比，众所周知，它相对便宜、速度慢且密度大。

 

这种存储技术的成功与其不断扩展密度和成本的能力有关——这是 NAND 闪存技术发展的主要驱动力。大约每两年，NAND 闪存行业就会显着提高位存储密度，以增加的 Gbit/mm²表示。

在这个发展过程中还引入了几项技术创新以维持这一趋势线。向三维的过渡可以说是最令人印象深刻的创新。在 3D NAND 闪存中，存储单元堆叠形成垂直串，单元由水平字线寻址。其他值得注意的创新包括增加每个单元的位数（最多四个）以及从浮栅晶体管过渡到用于存储操作的电荷陷阱单元。

图 1 – 典型 3D NAND 闪存结构的表示（BL=位线；WP=字板；BSP=底部选择板；SP=源板；TSL=顶部选择线）  

最先进的：环绕式垂直沟道；多达 300 个字线层

尽管并非所有存储器制造商都在追求，但电荷陷阱单元是当今大多数 3D NAND 结构的基础. 该存储单元类似于 MOSFET 晶体管，在晶体管的栅极氧化物（氧化物-氮化物-氧化物 (ONO) 堆栈）中插入了一小层氮化硅 (SiN)。SiN 层包含许多可以保持静电荷的电荷捕获位点。当多晶硅栅极正偏置时，来自沟道区的电子隧道穿过氧化层并被困在SinN层中。这提高了晶体管的阈值电压。Cell的状态可以通过跨源/漏节点传递电压来测量。如果电流流动，则电池处于“无俘获电子”状态（对应1）。如果未测量到电流，则cell处于“俘获电子（或 0）状态。  

由于存储窗口不足，电荷陷阱单元未能在早期的 2D NAND 平面配置中引入，存储窗口通过编程和擦除之间的阈值电压差异来衡量。但在 3D NAND 结构中，这种存储单元充分发挥了潜力，这要归功于环栅 (GAA) 垂直通道实现方法。在此 GAA 配置中，栅极堆叠完全环绕通道。这种圆柱形几何形状在隧道氧化物中产生增强的场效应。这导致更大的载流子注入到捕获层，增强了编程/擦除窗口。  

GAA 制造通常从生长氧化物/字线层堆栈开始。接下来，使用先进的干法蚀刻工具通过堆叠向下钻孔来形成圆柱形孔。然后沿着孔的侧壁沉积隧道 (O) 和捕获 (SiN) 层以及多晶硅沟道。   最近，一些主要厂商宣布推出基于 3D-NAND 的产品，这些产品最多可堆叠 300 个字线层，预计这种增加层数的趋势将在未来几年继续下去。  

进一步增加位存储密度的方法

在当前十年中，内存制造商将把传统的 GAA NAND 路线图推向极限。根据最乐观的预测，到本世纪末，层数将增加到 1,000，占 100Gbit/mm 2位存储密度。然而，相对于历史密度缩放路线图，这是几年的放缓。   增加层数会带来更高的处理复杂性和成本，挑战沉积和蚀刻工艺，并导致应力在层内积聚。为了克服这些挑战，业界正在引入一些互补的工艺“技巧”以最终获得1,000 层。这些包括将层数拆分为两个（或更多）堆叠层，进一步增加每个单元的位数，提高阵列效率，并减少 GAA 单元的 xy 间距。还有一种趋势是优化不同晶圆上的外围电路，并使用晶圆对晶圆键合技术将其连接到存储器阵列。然而，这些创新不足以控制不断增长的加工成本，因此，额外的追求z 间距缩放。Z 间距缩放涉及降低层堆叠中涉及的所有材料的高度，包括字线金属和氧化物。  

2030 年：引入 3D 沟槽单元架构

到 2030 年，在 GAA NAND 闪存微缩已经饱和之后，imec 预计将引入一种新的架构来连接电荷陷阱单元：沟槽单元架构(trench cell architecture)。通过这种架构，3D NAND 摆脱了圆形 GAA 存储单元几何结构。相反，这些单元是在沟槽的侧壁上实现的——类似于在其侧面倾斜的平面配置——在沟槽的相对壁上有两个晶体管。这种下一代 NAND 闪存单元架构不仅将提供所需的位存储密度飞跃；它也被认为可以降低成本。然而，就像在 2D 平面配置中一样，栅极不再完全包裹在沟道周围。因此，存储器制造商担心编程/擦除窗口不足。  

图 2 –（左）3D NAND GAA 和（右）沟槽器件（在 2023 IMW 上展示）的 3D 示意图。  

沟槽与 GAA 单元架构的编程和擦除行为

在 2023 年 IEEE 国际存储器研讨会 (2023 IMW) 上，imec 展示了沟槽单元与GAA 存储器单元存储器操作的实验比较。两种 NAND 闪存变体都在同一晶圆上处理，即内部开发的具有多晶硅栅极和三个字线层的 3D NAND 测试载体。代替圆柱形孔，沟槽特征（300nm 宽和 1μm长）被蚀刻到沟槽结构的字平面堆栈中。沿着沟槽的侧壁形成三个垂直平坦的多晶硅沟道（沟道宽度为 50nm - 200nm），并制造源/漏结。   如果不进行优化，沟槽cell的性能将不如 GAA cell。它们具有非理想的编程和擦除效率，这分别反映在增量步进脉冲编程 (ISPP) 和擦除 (ISPE) 曲线的斜率和起点上。这转化为更小的编程/擦除窗口。在擦除方面，ISPE 曲线还显示了擦除饱和度水平的下降。  

迈向 5V 内存窗口

存储窗口不佳可以解释为缺乏曲率引起的场效应，在 GAA 的情况下，这会增加载流子注入到俘获层中。针对这一缺点，imec团队想出了一个创新的解决方案，即缩小沟槽器件的沟道宽度。沟道宽度缩放有望扩大通道边缘周围形成的弯曲高注入区域的影响。换句话说，在沟道宽度大大减小的情况下，从几何角度来看，沟槽单元开始类似于 GAA 单元。   另一方面，擦除饱和水平的降低主要由来自栅极的寄生电子注入决定。这可以通过精心设计栅极堆叠和集成金属栅极来抑制。   Imec 通过实验表明，对于具有缩放沟道宽度（低至 30nm）的沟槽器件，结合替代的Hing k 衬里（linear）材料（例如 ZrO2 或 HfO2 而不是Al2 O3 ），可以实现更好的存储操作，一个工程隧道氧化物和金属栅极的集成。对于大多数研究条件，展示了高达 5V 的记忆窗口，2V 的改进——不影响保留和循环行为。该团队目前正致力于进一步改进编程和擦除操作。

图 3 – (a) 不同沟道宽度的沟槽；(b) 编程和擦除特性，在更小的沟道宽度下表现出改进（如 2023 IMW 所示）。  

超高位存储密度

在展示了具有良好存储特性的沟槽存储单元后，下一步是研究潜在的与行业相关的集成方案，以堆叠更多层。预计这样的工艺流程类似于 GAA 工艺流程，增加了一个额外的模块：蚀刻沟槽侧面的垂直平坦通道条纹。如果可以为这个具有挑战性的蚀刻步骤找到工艺解决方案，imec 提出了3D 沟槽工艺流程的仿真，具有 220nm 间距的沟槽，每个沟槽宽 100nm，长约 1μm。为了确保高位密度，该流程通过蚀刻 25 纳米宽的沟道条纹和 80 纳米间距来完成。  

图 4 – (a) 沟槽最终设计结构的顶视图，以及 (b) 沟槽架构的单元密度改进系数（如 2023 IMW 所示）。   从最终的设计结构来看，沟槽架构的单元密度估计是GAA 参考的三倍。预计这将随着通道间距缩放而进一步改善。基于这些结果，3D 沟槽架构可被视为未来 3D NAND 闪存的潜在突破，其位存储密度将远超 100Gb/mm²。  

编辑：黄飞