在同一个硅片上，存储单元从平房搬进了摩天大楼，一场静悄悄的技术革命正在改变我们保存数字记忆的方式。
层数正在成为新的竞技场，从2021年的128层发展到如今超过300层的堆叠-3。主要制造商已经规划了下一代产品，包括232层、238层，甚至未来可能达到4xx层或8xx层-5。
这张图形象地展示了2D NAND与3D NAND之间的差异-7。
在电子设备快速发展的年代，传统存储技术遇到了物理极限。平面结构的2D NAND闪存像是一块有限土地上的平房社区-7。
随着需求的不断增加，人们试图在同样大小的地块上建造更多房屋，但很快就碰到了无法突破的限制。存储单元间的串扰问题日益严重，产品可靠性面临严峻挑战-2。
大约十年前，半导体行业经历了一次关键转型——从二维NAND过渡到三维NAND。这次转变是为了克服传统存储器尺寸缩减的限制-3。
三维存储芯片技术的出现开启了一个新时代-1。它将存储单元像多层建筑一样垂直堆叠起来，实现了存储密度的革命性提升-2。
从平面到立体的转变，不仅仅是技术路径的改变，更是对整个制造业的重塑。制造工艺从以光刻为主导的平面缩微技术，转向以刻蚀为核心的三维集成技术-2。
早期3D NAND面临诸多技术挑战，其中最重要的转变之一是从浮栅晶体管向电荷陷阱单元的演进-3。浮栅技术将电荷存储在导体中，而电荷陷阱单元则将电荷存储在绝缘体中-3。
这项改变降低了存储单元之间的静电耦合，从而提高了读写性能。电荷陷阱单元的制造尺寸比浮栅晶体管更小，为更高的存储密度铺平了道路-3。
随着人工智能与大数据时代的到来，3D NAND闪存技术在存储密度、容量、成本和可靠性等方面面临着全新的要求与挑战-2。
要理解3D NAND的生产过程，可以想象制作一种特殊的“通心粉沟道”。制造者首先将导体和绝缘层交替堆叠，然后使用先进的干法刻蚀工具向下钻孔，形成圆柱形孔-3。
在孔的侧壁上，制造者会交替沉积氧化硅和氮化硅层，而多晶硅晶体管沟道则位于所有层的中心-3。这种结构因其外观被称为“通心粉沟道”。
与2D NAND相比，3D NAND的优势不言而喻。它提供更高的存储密度、更低的功耗、更好的耐用性、更快的读写速度以及更低的每比特成本-8。
在全球半导体产业竞争日益激烈的背景下，长江存储开发了以晶栈（Xtacking）为代表的创新架构，逐步突破并引领全球3D NAND闪存技术的创新性发展-2。
各家存储芯片制造商采用了不同的架构路径。三星最早推出了V-NAND闪存，其中的“V”代表垂直-5。这家公司从仅有24层的产品开始，目前已发展到第八代，拥有200多层堆叠-5。
美光则采用了CMOS下置阵列（CuA）技术，在芯片的外围逻辑上构建3D NAND阵列-5。这种方法为容量增长、密度、性能和成本改进提供了一种扩展途径-5。
铠侠和西部数据联合开发了名为BiCS Flash的3D NAND-5。这项技术的核心在于“批处理”概念：先堆叠板状电极，然后在它们之间开孔并连接电极，一次性形成所有层的存储单元-5。
值得一提的是，英特尔已经退出了3D NAND市场，将业务以90亿美元的价格出售给了SK海力士-5。SK海力士也发展了自己的4D PUC技术，增加了技术路线的多样性-5。
随着3D NAND技术不断突破物理极限，半导体行业正在转向多种新技术，以更紧密地排列存储单元——不仅是横向，还有纵向-3。天下没有免费的午餐，鱼和熊掌不可兼得-8。
随着层数的增加，存储单元被挤压得更近，这带来了物理挑战：单元间干扰和横向电荷迁移-3。当字线层厚度减小时，栅极对沟道的控制能力逐渐减弱，促进了不同单元之间的静电耦合-3。
除了单元间的相互干扰外，存储单元在垂直方向上的缩小还会导致横向电荷迁移：存储单元内部捕获的电荷往往会从垂直的SiN层中迁移出来，影响数据保持-3。
制造商正在尝试各种技术来应对这些挑战。比如在相邻字线之间集成气隙，这些气隙的介电常数低于栅极间介质，可以降低存储单元之间的静电耦合-3。
未来几年，存储器行业计划将基于GAA的3D NAND闪存路线图推向其极限。到2030年，堆叠层数预计将增加到1000层，相当于约100 Gbit/mm²的存储容量-3。
挑战在于如何在30微米厚的堆叠层中保持字线直径基本一致。在如此小的空间内保持所有部件的均匀性，会不断增加工艺的复杂性和成本-3。
为了控制不断上涨的制造成本，研究机构也在积极探索垂直或“z间距”缩放技术，以减小氧化层和字线层的厚度-3。这样一来，就能以可控的成本堆叠更多存储层。
另一种提升存储容量的方法是层叠技术，即将闪存器件彼此堆叠，以增加总层数。在3D NAND闪存中，存储单元串联形成一条链，这是通过交替堆叠绝缘层和导体层并在其上钻孔来实现的-3。
当我们站在数据爆炸时代的十字路口，每部智能手机里的照片，每个数据中心里的记录，都在呼唤着更高效、更可靠的存储方式。3D NAND技术正如一场静悄悄的建筑革命，在微观世界里建造着数据的摩天大楼。
随着长江存储等中国厂商的崛起，全球3D NAND技术版图正在重新划分-2。存储芯片制造商们正在竞赛，堆叠层数已从几年前的128层增加到如今超过300层-3。
无论技术如何演进，这场立体化存储革命的目标始终如一：在更小的空间里，保存人类更多的数字记忆。
