三星电子存储芯片事业部闪存开发部负责人看着首批3D垂直堆叠型结构NAND闪存芯片下线，这项突破半导体微细化技术极限的创新，正开启闪存芯片的3D时代-8。
从智能手机到数据中心，从个人电脑到自动驾驶系统，我们每天都在产生和消耗海量数据。
但你是否想过，这些数据都存放在哪里？背后的存储技术正在经历一场静悄悄的革命——这就是3D V-NAND颗粒的故事，一场在纳米尺度上建造摩天大楼的竞赛。
当2D NAND闪存技术走到尽头，半导体行业站在了十字路口。平面闪存像极了城市里的平房，只能在有限的土地面积上扩展。
随着人们存储需求的爆炸式增长，受到有限宽度和长度尺寸内容纳存储器单元的限制，2D NAND容量已达到其开发的极限-5。
问题在于物理规律。当晶体管尺寸不断微缩，NAND闪存的存储密度看似持续提高，但实际上，当密度提高至一定程度，NAND闪存中存储的电荷数量就会受限。
更糟糕的是，对于存储阵列来说，耦合效应和干扰也越来越严重-6。
我记得2013年左右，市场上主流SSD还在使用20纳米级制程的2D NAND。那时候买个256GB的固态硬盘算是相当奢侈了。但技术人员心里清楚，这条路快走到头了。
当存储单元间的间隔大幅缩小到10纳米级时，电子外漏导致的电子干扰现象越来越严重，可以说NAND闪存的微细化技术已达到物理极限-8。
2013年，三星电子宣布开始量产3D垂直堆叠型结构NAND闪存芯片，规格达到128Gb，为当时业界最大容量-8。这标志着3D V-NAND颗粒正式登上历史舞台。
什么是3D NAND？简单来说，就是把原来平房式的存储单元改建成摩天大楼。如果2D NAND闪存是平房，那3D NAND就是高楼大厦-9。
这种技术突破的核心思路很有意思——既然在平面上扩展遇到了物理极限，那就往立体空间发展。
就像城市土地有限时，建筑师会选择建造高楼而不是继续摊大饼一样，闪存设计师们开始将存储单元像盖摩天大楼一样垂直堆叠-8。
这种3D V-NAND颗粒采用垂直堆叠的方式，实现在更小的空间和面积完成更大的存储容量-6。最初的三星第一代V-NAND只有24层，但已经突破了平面技术的瓶颈-6。
3D V-NAND的技术核心有两个关键创新：电荷捕获型结构（CTF）和垂直堆叠工艺。
与传统浮栅结构将电荷储存于导体不同，CTF技术通过把电荷存储在具有高稳定性的绝缘体中，大幅减少了干扰现象-8。
这样做有什么好处？新产品的写入速度提高了2倍，作为存储单元寿命衡量标准的可擦写次数随产品种类不同也提高2倍到10倍不等-8。
垂直堆叠工艺的实现更加精妙。三星开发了从高层向低层穿孔以连接电极的蚀刻技术，以及将存储单元垂直围绕在各层板面上的门极结构技术等一系列突破性工艺-8。
一个3D V-NAND颗粒的存储单元包含多个精密组件：W/TiN（钨/氮化钛）栅极、AlO（氧化铝）和阻挡氧化层、氮化硅捕获层以及位于中心的多晶硅通道-1。
自从NAND闪存进入3D时代，芯片的层数比拼一直是各大厂商竞争的重点，堆栈层数犹如摩天大楼一样越来越高-6。
这场竞赛的激烈程度令人咋舌。从最初的24层、32层，一路堆到了128层、176层，甚至200+层-6。
美光宣布其232层NAND闪存芯片实现量产，成为全球首款突破200层大关的固态存储芯片-6。紧接着，SK海力士宣布成功研发了全球首款业界最高层数的238层4D NAND闪存-6。
国内厂商也在迎头赶上。长江存储跳过了96层，直接在2020年4月发布了128层3D NAND闪存-6。前不久，据供应链消息称，长江存储推出了堆叠层数达232层的闪存芯片-6。
各家的技术路线不尽相同。三星的V-NAND、铠侠的BiCS、英特尔的3D XPoint以及长江存储的Xtacking架构，各有特色-6。
提高存储密度不只是堆层数那么简单，制造商们实际上在多条战线上同时作战。除了增加垂直堆叠的层数外，还有两种主要方法。
第一种是缩小每对存储层的厚度，这样可以在相同的堆叠高度上允许更多的层-1。但这会带来新的挑战——在替换栅极工艺中去除氮化硅并用金属填充空间变得越来越困难-1。
第二种方法是增加每个单元存储的比特数。从SLC（1比特/单元）到MLC（2比特/单元），再到如今主流的TLC（3比特/单元）和QLC（4比特/单元）-9。
但这种提升是有代价的。以QLC为例，它的可擦写次数从SLC的10万次降到只有1000次左右-9。
随着3D V-NAND技术不断突破物理极限，半导体行业正转向多种新技术，以更紧密地排列存储单元——不仅是横向，还有纵向-7。
未来几年，存储器行业将把基于全环栅（GAA）的3D NAND闪存路线图推向其最终极限-7。预计到2030年，堆叠层数可能达到1000层，相当于约100 Gbit/mm²的存储容量-7。
但挑战也随之而来。在30微米厚的堆叠层中保持所有部件的均匀性，会不断增加工艺的复杂性和成本-7。
随着堆叠高度的增加，深宽比也随之提高。应用材料公司推出了比传统硬掩模更具选择性和低应力的硬掩模薄膜，从而使硬掩模变得更薄，以应对这一挑战-1。
说了这么多技术细节，3D V-NAND颗粒到底如何影响我们的日常生活？最直接的感受就是存储设备容量越来越大，价格越来越亲民。
想想看，现在1TB的SSD已经相当普及，而几年前同样的价格可能只能买到256GB的产品。这就是3D V-NAND技术带来的红利。
在数据中心和云服务领域，3D NAND产品已经成为主流-3。它们不仅提供更高的存储密度，还能提供更快的速度，满足企业业务对高性能的要求-5。
但有意思的是，在一些特定应用中，2D NAND仍然不可替代。例如医疗设备、机器人、航空航天等领域，由于需要更高的可靠性和在极端温度下的稳定操作，仍然需要2D NAND产品-3。
当美光的232层NAND闪存芯片开始量产，SK海力士的238层4D NAND闪存送样测试，三星正在准备200多层的第8代V-NAND内存-6。
这场在纳米尺度上的摩天大楼竞赛远未结束，闪存芯片的堆叠层数，正朝着500层、800层甚至1000层的目标稳步推进-6-7。
