芯片世界的革新：從二維平面跨入三維空間

　　全球物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心、智能家居、便攜設(shè)備等應(yīng)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(yīng)用的正常運(yùn)行都離不開半導(dǎo)體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(huì)的數(shù)據(jù)量迅速激增，一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就相當(dāng)于人類進(jìn)入現(xiàn)代化以前所有歷史的總和，這對(duì)存儲(chǔ)器芯片的容量和存儲(chǔ)密度提出了更高要求。

　　傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片通過提高單位面積的存儲(chǔ)能力實(shí)現(xiàn)容量增長(zhǎng)，但在后摩爾時(shí)代已不可避免地面臨單元間串?dāng)_加劇和單字位成本增加等瓶頸。因此，尋求存儲(chǔ)技術(shù)階躍性的突破和創(chuàng)新，是發(fā)展下一代存儲(chǔ)器的主流思路。3D NAND是革新性的半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)，通過增加存儲(chǔ)疊層而非縮小器件二維尺寸實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)密度增長(zhǎng)，將半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展空間帶入第三維度，成為未來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器芯片容量可持續(xù)增長(zhǎng)的關(guān)鍵。

　　中國(guó)作為全球制造業(yè)基地，存儲(chǔ)器消耗量驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)存儲(chǔ)器消耗量占全球總消耗量的50%以上，但國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)產(chǎn)品卻屈指可數(shù)。我國(guó)在存儲(chǔ)器芯片領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨市場(chǎng)需求大而自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和關(guān)鍵技術(shù)缺乏的困境，開展大容量存儲(chǔ)技術(shù)的研究和相關(guān)產(chǎn)品研制迫在眉睫。2014年6月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新技術(shù)研發(fā)提升至國(guó)家戰(zhàn)略高度。在此背景下，為推動(dòng)自主存儲(chǔ)芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所與長(zhǎng)江存儲(chǔ)科技有限責(zé)任公司建立戰(zhàn)略合作，集中開展3D NAND領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的全方位攻關(guān)。

　　3DNAND芯片的物理結(jié)構(gòu)非常復(fù)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(shí)現(xiàn)則是筑起高樓大廈的高難度工程，這給半導(dǎo)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(chǔ)層形成、金屬柵形成以及雙曝光金屬線等關(guān)鍵技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)特性穩(wěn)定、良率較高的存儲(chǔ)核心結(jié)構(gòu)。

　　存儲(chǔ)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(dòng)是可靠性的主要評(píng)估特性，綜合反映了存儲(chǔ)器可以正確存取資料的使用壽命。NAND型存儲(chǔ)器的普遍壽命在10年左右。由于不可123123能在自然條件下進(jìn)行測(cè)試，研發(fā)人員采用存儲(chǔ)器加速老化的測(cè)試方法，在1-2周內(nèi)模擬數(shù)十年的過程，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的組合分析，尋找影響可靠性特性的關(guān)鍵因素。同時(shí)，研發(fā)人員還建立了三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的理論及工程模型，并應(yīng)用創(chuàng)新性的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，保證芯片各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到產(chǎn)品級(jí)別。

　　目前，由微電子所與長(zhǎng)江存儲(chǔ)聯(lián)合開展的3DNAND關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)已取得重要進(jìn)展，研發(fā)的32層存儲(chǔ)器芯片順利通過電學(xué)特性等各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期要求，系國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)3D NAND工藝器件和電路設(shè)計(jì)等一整套技術(shù)驗(yàn)證，標(biāo)志著我國(guó)3D NAND存儲(chǔ)器研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化道路邁出了關(guān)鍵一步。