SK hynix 如何应对 3D NAND 微缩？

发布时间：2026-08-11来源：半导体盒

来源：SK hynix。

作为全栈人工智能存储创造者，SK hynix 提供了面向人工智能系统优化的人工智能存储解决方案组合，包括 HBM、AI-DRAM 和 AI-NAND flash。本文主要介绍 SK hynix 以新型电荷陷阱隔离技术降低单元干扰，推动高层 3D NAND 走向量产。

标题：A Highly Scalable Isolated Charge Trap Nitride Layer Implemented in a 176-layer 3D NAND Flash with Superior Threshold Voltage Distribution and Charge Retention

发表于： 2025 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)

作者：Sangwan Jin，SK hynix 材料开发技术负责人

传统上，3D NAND 的容量是通过在垂直方向堆叠更多存储单元来提升的。但随着堆叠高度持续增加，成本和工艺复杂度也随之上升。因此，行业开始转向另一种提升容量的方法：通过缩小存储单元尺寸，在相同整体高度内放入更多存储单元。换句话说，就是在保持总堆叠高度不变的同时，缩小层间距并增加层数。然而，随着存储单元变小，垂直相邻单元之间的间距也会变窄，电学干扰会变得更加严重。SK hynix 对这一新挑战的回应，就是电荷陷阱氮化物隔离技术（charge trap nitride isolation，CTI）。

存储单元：半导体器件中用于存储数据的最小单位。研究背景：理解NAND的缩放极限

首先回顾一些基础知识：NAND存储单元通常使用不同制造方法进行垂直堆叠，而 SK hynix 采用的是基于 CTN 的结构。

电荷陷阱氮化物 (Charge trap nitride，CTN)：一种将电子，也就是数据，存储在绝缘氮化物层中的技术。与将电荷存储在导体中的浮栅技术相比，电荷陷阱氮化物可以缩小存储单元面积，同时提升读取和写入性能。

图 1：NAND 存储单元形成工艺

NAND 存储单元是如何制造的？

如图 1 所示，氮化硅和氧化硅薄膜会在晶圆上反复堆叠，这一过程类似于精确叠放厚度只有几十纳米的纸张。接下来，通过堆叠结构刻蚀出一个深垂直沟道孔。随后，在孔的内壁依次覆盖阻挡氧化层、用于存储电子的电荷陷阱氮化物层、隧穿氧化层和多晶硅。这个过程形成存储单元。3D NAND 就是通过垂直堆叠这些存储单元构建的，其层数从 100 层扩展到 200 层、300 层以及更高。

电子：带负电的粒子。在 NAND 中，存储单元会根据所存储电子数量的不同，区分 0 和 1。

图 2：传统电荷陷阱氮化物隔离实现工艺

当存储单元被缩小时会发生什么？

缩小存储单元尺寸并缩窄垂直相邻单元之间的距离，可以实现更高密度和更大容量，但也会增加单元间干扰。当一个存储单元中存储的电子所产生的电场影响相邻单元时，就会发生这种干扰，从而导致阈值电压偏移，并引发由电子迁移造成的错误。

阈值电压是使电流能够流过存储单元所需的最低电压。存储单元中存储的电子越多，阈值电压越高；存储电子越少，阈值电压越低。在读取数据时，NAND 会通过识别阈值电压水平，判断其中存储的是哪一种数据状态。如果阈值电压发生偏移，就可能出现数据读取错误。随着存储单元间距缩窄，单元间干扰会更加严重，存储的电子也可能泄漏到相邻单元中，进而破坏已存储数据。

CTI 正是为解决这一限制而开发。如图 2 所示，传统电荷陷阱氮化物隔离方法通过刻蚀氮化硅层，并使用氧化硅作为隔离屏障，对存储电子的电荷陷阱氮化物进行隔离。在传统结构中，电荷陷阱氮化物形成为连续层。CTI 则通过隔离结构，将上方和下方的电荷陷阱氮化物区域进行物理分离。因此，即使存储单元间距缩小，该技术也能够维持工作可靠性，并改善电荷保持能力。正因这些优势，CTI 在过去十多年中一直受到积极讨论。

研究突破：用 176 层 CTI 突破 NAND 缩放极限

尽管 CTI 已被研究多年，但由于技术限制，它一直未被用于量产。在传统 CTI 中，需要先刻蚀氮化硅层形成凹穴，然后再将电荷陷阱氮化物材料沉积到其中。然而，这一刻蚀工艺会导致沟道孔变宽。

图 3：沟道孔直径导致的沟道孔数量差异

由于 NAND 中每一个垂直刻蚀的沟道孔都包含数百个存储单元，因此沟道孔直径的任何增加，都会减少相同面积内可容纳的沟道孔数量，从而降低集成密度。另一个挑战是控制整片晶圆上的刻蚀均匀性，因为刻蚀深度的变化会导致凹穴尺寸不一致。因此，传统 CTI 很难在商业产品中实施，大多停留在研究环境中用于证明技术有效性。

图 4：新的电荷陷阱氮化物隔离实现工艺

SK hynix 的新型 CTI 有何不同？

SK hynix 的新型 CTI，是通过沉积氧化物屏障，然后用电荷陷阱氮化物材料填充该空间来形成凹穴。由于这种方法不刻蚀氮化硅层，因此不会扩大沟道孔。这使得在不牺牲NAND集成密度的情况下实现电荷陷阱氮化物隔离结构成为可能。与刻蚀相比，沉积工艺在确保沟道孔上部和下部区域之间的均匀性方面也具有优势。在这项研究中，SK hynix 在完整 176 层堆叠结构中实现了均匀的特性分布，解决了传统电荷陷阱氮化物隔离工艺中的不均匀问题，并证明了其可制造性。

图 5：传统电荷陷阱氮化物隔离工艺与 SK hynix 新工艺对比

新型 CTI 有哪些优势？

这项研究的关键成果在于，它让 CTI 的商业部署成为现实。以往相关研究大多局限于约 10 层的测试结构，但 SK hynix 现在首次在业界成功将电荷陷阱氮化物隔离结构应用于生产规模的 176 层NAND器件。与传统结构相比，这项创新将单元间干扰降低超过 30%，并将电荷保持能力提升超过 45%。

因此，阈值电压分布变得更加均匀，提高了数据读取可靠性；同时，电子迁移减少，也显著增强了长期耐久性。这还使公司能够在不担心阈值电压畸变或电子迁移错误的情况下，将单个存储单元尺寸缩小超过 10%，从而提升NAND密度。由于这些优势，SK hynix 认为该技术是突破 NAND 垂直缩放极限的关键使能技术。

核心概念：电荷陷阱氮化物隔离技术解释

用于存储电子的电荷陷阱氮化物层形成的是连续结构，而不是在相邻存储单元之间被完全隔离。可以把它想象成一张没有隔板的长桌。每一个存储单元就是一个指定座位，数据则是放在这个座位上的一本书。没有隔板时，书很容易滑到相邻座位上，让人难以判断某本书究竟属于一个座位，还是另一个座位。随着座位被排得更近，书本更容易混在一起，甚至相邻座位上的轻微移动也可能造成干扰。

电荷陷阱氮化物隔离技术通过清晰分隔这些座位来解决这一问题。SK hynix 开发出一种方法，可以在保持原有长桌整体结构的同时增加隔板。这样一来，即使座位彼此更靠近，也能防止书本混杂，并最大限度减少来自相邻座位的干扰。