中國(guó)現(xiàn)役頂尖芯片：技術(shù)挑戰(zhàn)是什么？

　　1958年9月12日，杰克·基爾比(Jack S.Kilby，1923-2005)發(fā)明了人類(lèi)歷史上*塊集成電路，吹響了人類(lèi)進(jìn)入“硅時(shí)代”的角。1965年，河北半導(dǎo)體研究所在封閉的環(huán)境下，依靠自己的力量，研制成功一種采用介質(zhì)隔離的DTL型數(shù)字電路，宣告了*塊硅基數(shù)字集成電路的誕生，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)翻開(kāi)了歷史的一頁(yè)。

　　圖源：中國(guó)電子報(bào)

　　近60年來(lái)，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有，鍥而不舍，自主創(chuàng)新，研制出一批又一批的芯片，有力支撐了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全的發(fā)展。尤其是華為海思的麒麟9000芯片，更是中國(guó)芯片的登峰之作。但是,在美國(guó)禁令下，中國(guó)臺(tái)積電公司不再為華為公司代工芯片，麒麟9000芯片如今已成為絕唱。那么，目前為止，現(xiàn)役的中國(guó)*芯片是怎么樣的呢?

　　一、現(xiàn)役中國(guó)*芯片

　　根據(jù)“誰(shuí)主張，誰(shuí)舉證”的規(guī)則，本文作者給出了“現(xiàn)役中國(guó)*芯片”的判斷規(guī)則：

　　1.原則上應(yīng)該有國(guó)外對(duì)標(biāo)芯片產(chǎn)品，而不僅僅是關(guān)鍵技術(shù);

　　2.每年的全球市場(chǎng)份額不少于100億美元;

　　3.國(guó)產(chǎn)芯片的性能參數(shù)應(yīng)該接近、達(dá)到或者超過(guò)國(guó)外對(duì)標(biāo)芯片產(chǎn)品水平;

　　4.在中國(guó)大陸設(shè)計(jì)及制造，已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，并取得銷(xiāo)售額。

　　最后，能滿(mǎn)足上述4個(gè)條件的中國(guó)芯片，目前只有長(zhǎng)江存儲(chǔ)的3D NAND閃存芯片X3-9070。

　　二、NAND閃存芯片的重要市場(chǎng)地位

　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是是指通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體電路加以電氣控制，使其具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的芯片，具有標(biāo)準(zhǔn)化、強(qiáng)周期等特點(diǎn)，被稱(chēng)為芯片領(lǐng)域的“*宗的單一產(chǎn)品”， 占據(jù)了芯片總市場(chǎng)份額的約25%。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)電子等諸多領(lǐng)域。所謂的“有數(shù)據(jù)就有存儲(chǔ)”!隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，海量數(shù)據(jù)對(duì)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)可靠性提出了更高要求。尤其是，固態(tài)硬盤(pán)消耗了大量的NAND 閃存芯片。

　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器主要包括DRAM芯片、NAND 閃存芯片和NOR 閃存芯片三個(gè)相對(duì)獨(dú)立、各司其職的類(lèi)別。DRAM 和 NAND FLASH 占據(jù)*的主導(dǎo)地位。共計(jì)占據(jù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器市場(chǎng)份額的約98%。在數(shù)以萬(wàn)計(jì)的芯片種類(lèi)中，DRAM芯片是當(dāng)之無(wú)愧的“芯片狀元”。NAND閃存芯片的市場(chǎng)份額僅略低于DRAM芯片，是當(dāng)之無(wú)愧的“芯片榜眼”!據(jù)歐洲知名半導(dǎo)體分析機(jī)構(gòu)Yole發(fā)布的報(bào)告顯示，2021年，NAND閃存市場(chǎng)份額達(dá)到了近670億美元，同年，NAND閃存總?cè)萘恳策_(dá)到了5855億GB。

　　NAND閃存芯片的市場(chǎng)份額 。圖源：Yole

　　三、什么是 平面NAND閃存芯片？

　　1984年，日本東芝公司工程師藤尾增岡發(fā)明了一種電存儲(chǔ)介質(zhì)。它能在沒(méi)有電源的情況下存儲(chǔ)信息，可以將數(shù)據(jù)保存達(dá)10年以上，這就是閃存的概念。1987年，日本東芝公司研制出了全球*塊NAND閃存芯片。其工作原理是一種電壓元件,基于電子隧穿效應(yīng),將電子注入儲(chǔ)存單元中的浮動(dòng)?xùn)艠O,從而改變其電荷量,實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)和讀取。

　　2017年4月東芝存儲(chǔ)器集團(tuán)從東芝公司剝離，并于2019年10月正式更名為KIOXIA，中文名為鎧俠。當(dāng)前，鎧俠是僅次于韓國(guó)三星電子公司的NAND閃存芯片生產(chǎn)廠商。

　　NAND閃存芯片是一種非易失性技術(shù)，以字節(jié)為單位進(jìn)行編程，以“塊(block)” 為單位進(jìn)行擦除，斷電后可長(zhǎng)期保持信息,操作不需要高電壓操作,每比特的成本更低，性能更高，成為高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的理想載體，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、消費(fèi)數(shù)碼、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及數(shù)據(jù)中心。

　　具體來(lái)說(shuō)，NAND閃存可以電擦除和重新編程。在NAND中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中，并由“0”或“1”表示。一個(gè)單元可以存儲(chǔ)每個(gè)單元1個(gè)比特(0，1)以及每個(gè)單元2、3和4個(gè)比特。在所有情況下，即使在系統(tǒng)中關(guān)閉電源后，數(shù)據(jù)仍會(huì)被存儲(chǔ)。

　　多年來(lái)，該行業(yè)一直使用平面NAND技術(shù)。在平面NAND中，一系列存儲(chǔ)器單元沿著水平串串聯(lián)連接。傳統(tǒng)的閃存單元包括具有控制柵極和浮置柵極的平面晶體管結(jié)構(gòu)。通過(guò)向單元施加電壓來(lái)存儲(chǔ)電子并從浮置柵極移除電子。

　　平面NAND技術(shù)原理。圖源：Bing

　　30多年來(lái)，通過(guò)改進(jìn)工藝技術(shù)、電路設(shè)計(jì)、編程算法和光刻技術(shù)，各大廠商將平面NAND中的單元尺寸從120nm擴(kuò)展到1xnm節(jié)點(diǎn)，使容量增加了100倍。然而，當(dāng)存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)特征尺寸達(dá)到了15nm的極限，平面NAND閃存芯片走到了盡頭。具體表現(xiàn)為：溝道的摻雜濃度難以控制，隨機(jī)電報(bào)噪聲和電子注入統(tǒng)計(jì)擴(kuò)大了閾值分布，從而導(dǎo)致器件的耐久性和數(shù)據(jù)保持特性變差。

　　隨著人們對(duì)速度和存儲(chǔ)容量的要求越來(lái)越高，為了提高存儲(chǔ)密度，除了在工藝上不斷縮小單元尺寸，以提高單位面積上的集成度外，更是在平面NAND 的基礎(chǔ)上，發(fā)展了3D NAND，容量也從最初的4Mb增加到1.33Tb，實(shí)現(xiàn)了33.3萬(wàn)倍的增長(zhǎng)。

　　四、 3DNAND閃存芯片的發(fā)展

　　如上所述，平面NAND由具有存儲(chǔ)單元的水平串組成。在3D NAND中，存儲(chǔ)單元串被拉伸、折疊并以“U形”結(jié)構(gòu)垂直豎立。也就是說(shuō)，存儲(chǔ)單元是以垂直方式堆疊的，層數(shù)代表了堆疊在一起的字線(xiàn)的數(shù)量，單元密度直接隨著堆棧中層數(shù)的增加而增加，字線(xiàn)層中切割出一個(gè)垂直的柱子。當(dāng)柱子與每條字線(xiàn)相交時(shí)，就代表了一個(gè)物理單元。這個(gè)單元就是在這個(gè)相交處形成的。

　　下圖顯示了3D NAND單元陣列架構(gòu)。字符串沿垂直方向放置。字線(xiàn)(WL)具有板狀形狀并且垂直堆疊用于3D單元堆疊。在一個(gè)塊的漏極側(cè)(SGD)有多個(gè)選擇柵極。NAND串的溝道具有圓柱體形狀。通過(guò)施加電壓，電子被帶進(jìn)和帶出絕緣電荷存儲(chǔ)膜，信號(hào)被讀取。

　　3D- NAND閃存芯片。圖源：百度

　　塊是擦除操作的一個(gè)單元，3D NAND中有兩種類(lèi)型的擦除方法。分別是體擦除和GIDL擦除。體擦除中，NAND串被連接到Si襯底，并且空穴被從Si襯底提供給NAND串，獲取正體電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)擦除。在GIDL擦除中，NAND串與硅襯基去耦合，形成N+源極層。在擦除期間，通過(guò)GIDL機(jī)制在源極和漏極N+結(jié)處產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，以向NAND串提供空穴。

　　體擦除(左)和GIDL(右)擦除的原理。圖源：Electronics雜志

　　2022年9月，基于CMOS陣列下(CuA)架構(gòu)，即將 NAND 的大部分邏輯置于 NAND 存儲(chǔ)單元之下，美國(guó)美光公司推出了全球*232層NAND。美光的232層 NAND實(shí)現(xiàn)了有史以來(lái)最高的每平方毫米TLC密度：14.6Gb/mm2, 比當(dāng)今市場(chǎng)上的TLC競(jìng)品高35%到100%。232層NAND采用新的11.5mmx13.5mm封裝發(fā)貨，其封裝尺寸比美光前幾代產(chǎn)品小28%。高效利用了電路板空間，更大容量和更小封裝的結(jié)合更適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。目前，美光的232層NAND已在該公司的新加坡工廠量產(chǎn)。從產(chǎn)品化的角度來(lái)看，這意味著美光現(xiàn)在還可以通過(guò)堆疊 16 個(gè) 232層 裸片來(lái)生產(chǎn) 2TB 存儲(chǔ)芯片。

　　五、 3DNAND閃存芯片制造技術(shù)的挑戰(zhàn)

　　如何開(kāi)發(fā)出尺寸更小、速度更快、功耗更少、成本更低，同時(shí)容量更大的3D NAND，一直是存儲(chǔ)芯片制造工程師不斷面臨的復(fù)雜挑戰(zhàn)。增加堆疊層數(shù)*的困難是確保堆疊從上而下的統(tǒng)一性，這對(duì)于正確對(duì)齊所有的層和連接柱是必不可少的，具體來(lái)說(shuō)：

　　1)高縱橫比(HAR)刻蝕工藝，以實(shí)現(xiàn)微小的垂直溝道。

　　2)在存儲(chǔ)單元之間獲得足夠的驅(qū)動(dòng)電流。

　　3)CMOS陣列下邏輯芯片設(shè)計(jì)優(yōu)化。

　　4)晶圓翹曲。

　　3D NAND的架構(gòu)有兩種，一種架構(gòu)是韓國(guó)三星公司提出的單層模式，例如，三星的92層3D NAND設(shè)備將所有92層堆疊在同一芯片上。三星的128層技術(shù)在同一芯片上堆疊128層。通過(guò)將所有所需的層堆疊在一個(gè)芯片上，制造商可以減少成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。但128層已經(jīng)是單層架構(gòu)的極限了。原因是HAR蝕刻工藝步驟。一次蝕刻128層的堆疊目前是可行的，再多就不行了。

　　另一種架構(gòu)是雙層模式。例如，在96層器件中，一些器件將兩個(gè)48層結(jié)構(gòu)堆疊在彼此之上。Micron將兩個(gè)116層的結(jié)構(gòu)堆疊在一起，從而形成232層的器件。顯然，雙層模式減輕了刻蝕工藝的指標(biāo)要求，但增加了更多的步驟和成本。

　　3D NAND閃存芯片制造流程。圖源：Jim Handy, The Memory Guy

　　首先，在基底上沉積一層材料，然后在頂部沉積另一層材料。該過(guò)程重復(fù)數(shù)次，直到給定的器件具有所需的層數(shù)。每個(gè)供應(yīng)商都使用不同的一組材料來(lái)創(chuàng)建一堆層。例如，在三星的3D NAND技術(shù)中，該公司在基板上沉積氮化硅和二氧化硅的交替層。

　　理論上，供應(yīng)商可以堆疊無(wú)限數(shù)量的層。但隨著更多層的添加，難點(diǎn)在于堆疊具有精確厚度和良好均勻性的層。此外，當(dāng)沉積越來(lái)越多的層時(shí)，薄膜中的應(yīng)力會(huì)積聚起來(lái)，這可能會(huì)使晶片翹曲并扭曲圖案。后續(xù)采用雙層模式時(shí)，對(duì)準(zhǔn)會(huì)變得更加困難。

　　HAR刻蝕是最困難的環(huán)節(jié)�？涛g機(jī)必須從器件堆疊的頂部鉆到底部襯底的微小圓孔或通道。通道使單元能夠在垂直堆疊中彼此連接。在這個(gè)過(guò)程中，首先將碳基材料沉積在疊層上。這種材料變成了一個(gè)堅(jiān)硬的掩蔽層。下一步是在硬掩模的頂部形成孔的圖案�？涛g機(jī)以70:1的縱橫比在同一個(gè)芯片中刻蝕出數(shù)百萬(wàn)個(gè)微小的通道，每個(gè)通道必須平行且均勻。并且隨著蝕刻工藝深入溝道，蝕刻速率趨于降低。孔也可能出現(xiàn)特征尺寸的變化。

　　使用各種檢測(cè)工具測(cè)量單通道內(nèi)部的均勻性和輪廓也是困難的環(huán)節(jié)。更高的縱橫比結(jié)構(gòu)將帶來(lái)新的、更厚的硬掩模和更寬的間距字線(xiàn)，進(jìn)一步挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的檢測(cè)能力。更高的縱橫比溝道孔和字線(xiàn)隔離進(jìn)一步削弱了劃線(xiàn)靶和器件結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性。這些應(yīng)用的計(jì)量需要轉(zhuǎn)移到管芯內(nèi)、器件上，并與更高的長(zhǎng)寬比結(jié)構(gòu)相一致。另外，用多晶硅材料對(duì)微小的垂直溝道進(jìn)行內(nèi)襯，然后用氧化物填充溝道，也是一個(gè)難點(diǎn)。隨著垂直通道變得越來(lái)越高，層越來(lái)越多，存在溝道移動(dòng)性。多晶硅溝道的遷移率和可變性在很大程度上取決于晶粒尺寸和陷阱密度。

　　六、中國(guó)NAND閃存芯片的頑強(qiáng)崛起

　　公開(kāi)資料顯示，2016年7月，國(guó)家存儲(chǔ)器基地項(xiàng)目在武漢啟動(dòng)，該項(xiàng)目一期和二期投資達(dá)240億美元。

　　公開(kāi)資料顯示，2016年12月22日，清華紫光聯(lián)合其他公司共同出資成立長(zhǎng)江存儲(chǔ)科技控股有限責(zé)任公司(長(zhǎng)江控股)，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)江存儲(chǔ)科技有限責(zé)任公司的控制，紫光將出資197億元持有長(zhǎng)江控股51.04%股權(quán)。

　　長(zhǎng)江存儲(chǔ)科技有限責(zé)任公司，即國(guó)家存儲(chǔ)器基地，是一家專(zhuān)注于3D NAND閃存設(shè)計(jì)制造一體化的IDM集成電路企業(yè)，同時(shí)也提供3D NAND閃存晶圓及顆粒，嵌入式存儲(chǔ)芯片以及消費(fèi)級(jí)、企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤(pán)等產(chǎn)品和解決方案。

　　2017年10月，長(zhǎng)江存儲(chǔ)通過(guò)自主研發(fā)和國(guó)際合作相結(jié)合的方式，成功設(shè)計(jì)制造了中國(guó)*3D NAND閃存。打破國(guó)外半導(dǎo)體廠三星、SK海力士、美光、英特爾、東芝、西部數(shù)據(jù)等的技術(shù)壟斷。

　　2019年9月，搭載長(zhǎng)江存儲(chǔ)自主創(chuàng)新 Xtacking® 架構(gòu)的第二代TLC 3D NAND閃存正式量產(chǎn)。與其它廠商技術(shù)不同，長(zhǎng)江存儲(chǔ)首創(chuàng)的Xtacking®架構(gòu)在兩顆不同的晶圓上制造兩種電路，然后再進(jìn)行封裝連接。就像搭積木一樣，讀寫(xiě)單元和存儲(chǔ)單元可以獨(dú)立生產(chǎn)，不僅降低生產(chǎn)成本，還大大提升了閃存性能。

　　2020年4月，長(zhǎng)江存儲(chǔ)宣布第三代TLC/QLC兩款產(chǎn)品研發(fā)成功，其中X2-6070型號(hào)作為*第三代QLC閃存，擁有發(fā)布之時(shí)業(yè)界最高的I/O速度，最高的存儲(chǔ)密度和最高的單顆容量。

　　2022年8月份，長(zhǎng)江存儲(chǔ)正式發(fā)布200層+3D NAND閃存芯片產(chǎn)品X3-9070，這是基于晶棧3.0(Xtacking 3.0)架構(gòu)的第四代3D TLC NAND閃存芯片。長(zhǎng)江存儲(chǔ)首創(chuàng)的Xtacking 3.0相比上一代產(chǎn)品，X3-9070性能提升50%，功耗降低25%。另外，該架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高效的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，和同類(lèi)廠商相比大約能減少3個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間。X3-9070是中國(guó)有史以來(lái)存儲(chǔ)密度最高的閃存顆粒，2022年12月開(kāi)始進(jìn)行量產(chǎn)。

　　需要指出的是，層數(shù)是閃存的性能最關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，層數(shù)越多，單位空間存儲(chǔ)密度就越大，總存儲(chǔ)容量越容易提升。當(dāng)然，接口速度、可靠性、隨機(jī)讀取性能、能耗、每單元位數(shù)等指標(biāo)也很重要。

　　3D NAND閃存芯片的立體結(jié)構(gòu)更依賴(lài)于刻蝕機(jī)和物理沉積設(shè)備，而不是光刻機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，水浸沒(méi)式DUV光刻機(jī)是量產(chǎn)高性能3D NAND閃存芯片的必要前提。但是，3D NAND閃存芯片的量產(chǎn)并不需要EUV光刻機(jī)。祝福長(zhǎng)江存儲(chǔ)的200層+3D NAND閃存芯片產(chǎn)品X3-9070!