一位工程师在显微镜下对着晶圆片发愁，化学机械抛光后的表面出现了难看的凹陷，旁边的资深导师指了指设计图上的虚拟区域说：“给它加点‘配角’，主角的戏才能演得稳当。”
这位导师口中的“配角”，正是我们今天要深入探讨的3D NAND虚拟层。你可能从没直接见过它，但正是这个看似不起眼的设计，保障了你手机里每一张照片、每一份文件的安全存储。
走进3D NAND的世界，你会惊讶地发现，这些垂直堆叠的存储单元并非全部用于实际数据存储。在这些功能性存储单元周围，存在着一系列特殊的“虚拟单元”。
它们不参与实际数据存储，却在制造过程中扮演着至关重要的角色。
早在2003年，三星的专利中就描述了在NAND闪存器件中设置虚拟区域形成虚拟图案的设计-1。当时的工程师发现，在化学机械抛光过程中，宽大的隔离层区域会在中心产生凹陷现象，这种凹陷会导致后续工艺中形成阶梯覆盖问题。
当芯片上存在宽度较大的区域时，表面均匀性会变得难以控制。虚拟层的引入就像是为芯片表面添加了“支撑柱”，确保整个晶圆在复杂制造过程中保持平整。没有这些虚拟结构，芯片的制造良率将大幅下降，成本也会急剧攀升。
虚拟层在3D NAND芯片中承担着多重任务，它们的存在解决了制造工艺、性能优化和可靠性保障三大核心难题。
在制造工艺方面，长江存储的技术显示，在3D-NAND制造过程中，直接在堆叠结构上形成栅线标记会有剥离风险-2。而通过虚拟层的合理布局，可以在不损害实际存储单元的前提下完成精准对齐。
在性能优化上，SanDisk的研究指出，虚拟NAND串可以被用来实现更快的位线预充电-4。这些虚拟块可以分散在整个阵列中，均匀分布放电电流，从而加速读写操作。
随着3D NAND层数不断增加，超过300层的堆叠已经成为现实-8。在这种高密度结构中，虚拟层的平衡作用变得尤为关键。
当3D NAND的堆叠层数越来越高，新的可靠性挑战也随之出现。特别是在多平台架构中，两个平台连接区域的虚拟字线会引入异常可靠性问题-3。
研究表明，经过多次擦除循环应力后，连接区域虚拟字线的阈值电压会增加，最终对相邻数据字线造成额外干扰。这种干扰源于通过FN隧穿反向注入的电子。
幸运的是，工程师们已经找到了应对方案。2023年的一项研究提出了一种新颖的虚拟单元编程方案，可以增强3D NAND存储器的保留特性-3。
该方案通过在编程目标单元之前先编程虚拟单元，诱导形成浮动通道并降低通道电位。这样可以使隧道氧化层和电荷捕获层中的电场得到缓解，有效减少垂直和横向电荷损失机制。
除了电气特性上的优化，3D NAND虚拟层在物理结构上也发挥着意想不到的作用。SanDisk的一项专利描述了一种具有虚拟存储器孔的三维NAND器件-9。
这些虚拟开口垂直于基板的主要表面延伸，并填充有与存储器开口材料不同的虚拟通道材料。关键在于，这种虚拟通道材料具有比存储器开口材料更高的杨氏模量。
当控制栅电极对基板施加压应力或拉应力时，这些高杨氏模量的虚拟结构可以有效抵消基板的翘曲，保持芯片的整体平整度。
随着3D NAND堆叠层数超过300层-8，这种应力平衡功能变得尤为重要。没有虚拟层的支撑，如此多层堆叠将面临严重的结构稳定性问题，可能导致芯片在制造或使用过程中发生损坏。
随着3D NAND技术向更高堆叠层数发展，未来可能会出现完全不需要虚拟层的设计。三星的研究人员已经提出一种新颖的单元阵列结构，通过将公共源线划分为多个源线，允许移除传统单元阵列中阻碍比特密度增加的虚拟单元区域-10。
移除虚拟单元后，九单元和二十四单元结构的比特密度可分别增加8%和15%。但即使在这样的设计中，虚拟层的核心理念——通过结构性优化提升整体性能——仍将以新的形式延续。
下面是几位网友对3D NAND虚拟层技术提出的疑问：
网友甲问：虚拟层占据了芯片空间但不存储数据，这是不是一种“浪费”？未来有没有可能完全消除虚拟层？
这是个很实际的问题。确实，虚拟层占据了宝贵的芯片面积却不直接贡献存储容量，从单纯的空间利用角度看似乎不经济。但正如建筑中的承重墙，它们的存在是为了让整个结构更稳固。
从技术发展趋势看，完全消除虚拟层是一个复杂课题。目前已有研究提出新的阵列结构，通过将公共源线划分为多个源线，理论上可以移除部分虚拟单元区域-10。
这种设计能使九单元和二十四单元结构的比特密度分别增加8%和15%。但需要注意的是，虚拟层的功能需要找到替代方案，例如通过更精细的制造工艺控制或新材料应用来保持芯片的稳定性和性能。
网友乙问：虚拟层在3D NAND超过300层的堆叠中扮演什么特殊角色？
当3D NAND堆叠层数超过300层-8，虚拟层的作用变得更加关键。在高堆叠结构中，虚拟层首先承担了物理支撑的重任，防止多层结构在制造过程中发生变形或坍塌。
同时，随着字线电阻因堆叠间距减小而增加-8，虚拟层有助于优化电流分布，确保信号在整个堆叠中的一致性。
在多平台架构中，平台连接区域的虚拟字线需要特别设计，以避免异常可靠性问题-3。这些区域经过多次擦除循环后可能出现阈值电压漂移，干扰相邻数据字线，而精心设计的虚拟层可以减轻这种干扰。
网友丙问：虚拟层对普通用户的日常使用有哪些实际影响？我们能在设备参数中看到它的存在吗？
虚拟层对普通用户的影响是间接但切实存在的。它不会像存储容量那样直接显示在设备参数中，但通过提升芯片的可靠性和耐久性，直接关系到你设备中数据的安全性和寿命。
由于虚拟层的优化作用，3D NAND芯片能够实现更快的写入速度。SanDisk的专利显示，通过虚拟NAND串可以提供额外的位线预充电路径-4，这一设计已被应用于超过300层的3D NAND产品中，帮助实现194MB/s的写入吞吐量-8。
虚拟层还有助于提高数据保存期限。新颖的虚拟单元编程方案能够显著改善3D NAND的保留特性-3，减少数据随时间流逝而损坏的风险。当你多年后仍能完整读取设备中的照片和文件时，其中就有虚拟层的一份功劳。
下次当你看到存储芯片的技术规格时，虽然不会直接找到“虚拟层”这一项，但它的贡献已经融入了每一个性能参数和可靠性指标中，默默守护着你的每一比特数据。
