1958年9月12日，杰克·基爾比(Jack S.Kilby，1923-2005)發明了人類歷史上*塊集成電路，吹響了人類進入“硅時代”的角。1965年，河北半導體研究所在封閉的環境下，依靠自己的力量，研制成功一種采用介質隔離的DTL型數字電路，宣告了*塊硅基數字集成電路的誕生，中國集成電路產業翻開了歷史的一頁。

　　圖源：中國電子報

　　近60年來，我國集成電路產業從無到有，鍥而不舍，自主創新，研制出一批又一批的芯片，有力支撐了我國國民經濟和國家安全的發展。尤其是華為海思的麒麟9000芯片，更是中國芯片的登峰之作。但是,在美國禁令下，中國臺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，現役的中國*芯片是怎么樣的呢?

　　一、現役中國*芯片

　　根據“誰主張，誰舉證”的規則，本文作者給出了“現役中國*芯片”的判斷規則：

　　1.原則上應該有國外對標芯片產品，而不僅僅是關鍵技術;

　　2.每年的全球市場份額不少于100億美元;

　　3.國產芯片的性能參數應該接近、達到或者超過國外對標芯片產品水平;

　　4.在中國大陸設計及制造，已經進入市場，并取得銷售額。

　　最后，能滿足上述4個條件的中國芯片，目前只有長江存儲的3D NAND閃存芯片X3-9070。

　　二、NAND閃存芯片的重要市場地位

　　半導體存儲器是是指通過對半導體電路加以電氣控制，使其具備數據存儲功能的芯片，具有標準化、強周期等特點，被稱為芯片領域的“*宗的單一產品”， 占據了芯片總市場份額的約25%。半導體存儲器廣泛應用于計算機、數據中心、網絡通信、消費電子、汽車電子、工業電子等諸多領域。所謂的“有數據就有存儲”!隨著物聯網、大數據、人工智能的快速發展，海量數據對半導體存儲器的存儲密度和數據可靠性提出了更高要求。尤其是，固態硬盤消耗了大量的NAND 閃存芯片。

　　半導體存儲器主要包括DRAM芯片、NAND 閃存芯片和NOR 閃存芯片三個相對獨立、各司其職的類別。DRAM 和 NAND FLASH 占據*的主導地位。共計占據半導體存儲器市場份額的約98%。在數以萬計的芯片種類中，DRAM芯片是當之無愧的“芯片狀元”。NAND閃存芯片的市場份額僅略低于DRAM芯片，是當之無愧的“芯片榜眼”!據歐洲知名半導體分析機構Yole發布的報告顯示，2021年，NAND閃存市場份額達到了近670億美元，同年，NAND閃存總容量也達到了5855億GB。

　　NAND閃存芯片的市場份額 。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明了一種電存儲介質。它能在沒有電源的情況下存儲信息，可以將數據保存達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,將電子注入儲存單元中的浮動柵極,從而改變其電荷量,實現信息存儲和讀取。

　　2017年4月東芝存儲器集團從東芝公司剝離，并于2019年10月正式更名為KIOXIA，中文名為鎧俠。當前，鎧俠是僅次于韓國三星電子公司的NAND閃存芯片生產廠商。

　　NAND閃存芯片是一種非易失性技術，以字節為單位進行編程，以“塊(block)” 為單位進行擦除，斷電后可長期保持信息,操作不需要高電壓操作,每比特的成本更低，性能更高，成為高密度數據存儲的理想載體，廣泛應用于移動通信、消費數碼、計算機、服務器及數據中心。

　　具體來說，NAND閃存可以電擦除和重新編程。在NAND中，數據存儲在存儲單元中，并由“0”或“1”表示。一個單元可以存儲每個單元1個比特(0，1)以及每個單元2、3和4個比特。在所有情況下，即使在系統中關閉電源后，數據仍會被存儲。

　　多年來，該行業一直使用平面NAND技術。在平面NAND中，一系列存儲器單元沿著水平串串聯連接。傳統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構。通過向單元施加電壓來存儲電子并從浮置柵極移除電子。

　　平面NAND技術原理。圖源：Bing

　　30多年來，通過改進工藝技術、電路設計、編程算法和光刻技術，各大廠商將平面NAND中的單元尺寸從120nm擴展到1xnm節點，使容量增加了100倍。然而，當存儲單元結構特征尺寸達到了15nm的極限，平面NAND閃存芯片走到了盡頭。具體表現為：溝道的摻雜濃度難以控制，隨機電報噪聲和電子注入統計擴大了閾值分布，從而導致器件的耐久性和數據保持特性變差。

　　隨著人們對速度和存儲容量的要求越來越高，為了提高存儲密度，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 的基礎上，發展了3D NAND，容量也從最初的4Mb增加到1.33Tb，實現了33.3萬倍的增長。

　　四、 3DNAND閃存芯片的發展

　　如上所述，平面NAND由具有存儲單元的水平串組成。在3D NAND中，存儲單元串被拉伸、折疊并以“U形”結構垂直豎立。也就是說，存儲單元是以垂直方式堆疊的，層數代表了堆疊在一起的字線的數量，單元密度直接隨著堆棧中層數的增加而增加，字線層中切割出一個垂直的柱子。當柱子與每條字線相交時，就代表了一個物理單元。這個單元就是在這個相交處形成的。

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

　　3D- NAND閃存芯片。圖源：百度

　　塊是擦除操作的一個單元，3D NAND中有兩種類型的擦除方法。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，實現擦除。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GIDL機制在源極和漏極N+結處產生電子-空穴對，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，即將 NAND 的大部分邏輯置于 NAND 存儲單元之下，美國美光公司推出了全球*232層NAND。美光的232層 NAND實現了有史以來最高的每平方毫米TLC密度：14.6Gb/mm2, 比當今市場上的TLC競品高35%到100%。232層NAND采用新的11.5mmx13.5mm封裝發貨，其封裝尺寸比美光前幾代產品小28%。高效利用了電路板空間，更大容量和更小封裝的結合更適用于各種應用場景。目前，美光的232層NAND已在該公司的新加坡工廠量產。從產品化的角度來看，這意味著美光現在還可以通過堆疊 16 個 232層 裸片來生產 2TB 存儲芯片。

　　五、 3DNAND閃存芯片制造技術的挑戰

　　如何開發出尺寸更小、速度更快、功耗更少、成本更低，同時容量更大的3D NAND，一直是存儲芯片制造工程師不斷面臨的復雜挑戰。增加堆疊層數*的困難是確保堆疊從上而下的統一性，這對于正確對齊所有的層和連接柱是必不可少的，具體來說：

　　1)高縱橫比(HAR)刻蝕工藝，以實現微小的垂直溝道。

　　2)在存儲單元之間獲得足夠的驅動電流。

　　3)CMOS陣列下邏輯芯片設計優化。

　　4)晶圓翹曲。

　　3D NAND的架構有兩種，一種架構是韓國三星公司提出的單層模式，例如，三星的92層3D NAND設備將所有92層堆疊在同一芯片上。三星的128層技術在同一芯片上堆疊128層。通過將所有所需的層堆疊在一個芯片上，制造商可以減少成本和開發時間。但128層已經是單層架構的極限了。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。

　　另一種架構是雙層模式。例如，在96層器件中，一些器件將兩個48層結構堆疊在彼此之上。Micron將兩個116層的結構堆疊在一起，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。該過程重復數次，直到給定的器件具有所需的層數。每個供應商都使用不同的一組材料來創建一堆層。例如，在三星的3D NAND技術中，該公司在基板上沉積氮化硅和二氧化硅的交替層。

　　理論上，供應商可以堆疊無限數量的層。但隨著更多層的添加，難點在于堆疊具有精確厚度和良好均勻性的層。此外，當沉積越來越多的層時，薄膜中的應力會積聚起來，這可能會使晶片翹曲并扭曲圖案。后續采用雙層模式時，對準會變得更加困難。

　　HAR刻蝕是最困難的環節。刻蝕機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。在這個過程中，首先將碳基材料沉積在疊層上。這種材料變成了一個堅硬的掩蔽層。下一步是在硬掩模的頂部形成孔的圖案。刻蝕機以70:1的縱橫比在同一個芯片中刻蝕出數百萬個微小的通道，每個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。孔也可能出現特征尺寸的變化。

　　使用各種檢測工具測量單通道內部的均勻性和輪廓也是困難的環節。更高的縱橫比結構將帶來新的、更厚的硬掩模和更寬的間距字線，進一步挑戰傳統的檢測能力。更高的縱橫比溝道孔和字線隔離進一步削弱了劃線靶和器件結構之間的相關性。這些應用的計量需要轉移到管芯內、器件上，并與更高的長寬比結構相一致。另外，用多晶硅材料對微小的垂直溝道進行內襯，然后用氧化物填充溝道，也是一個難點。隨著垂直通道變得越來越高，層越來越多，存在溝道移動性。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NAND閃存芯片的頑強崛起

　　公開資料顯示，2016年7月，國家存儲器基地項目在武漢啟動，該項目一期和二期投資達240億美元。

　　公開資料顯示，2016年12月22日，清華紫光聯合其他公司共同出資成立長江存儲科技控股有限責任公司(長江控股)，實現對長江存儲科技有限責任公司的控制，紫光將出資197億元持有長江控股51.04%股權。

　　長江存儲科技有限責任公司，即國家存儲器基地，是一家專注于3D NAND閃存設計制造一體化的IDM集成電路企業，同時也提供3D NAND閃存晶圓及顆粒，嵌入式存儲芯片以及消費級、企業級固態硬盤等產品和解決方案。

　　2017年10月，長江存儲通過自主研發和國際合作相結合的方式，成功設計制造了中國*3D NAND閃存。打破國外半導體廠三星、SK海力士、美光、英特爾、東芝、西部數據等的技術壟斷。

　　2019年9月，搭載長江存儲自主創新 Xtacking® 架構的第二代TLC 3D NAND閃存正式量產。與其它廠商技術不同，長江存儲首創的Xtacking®架構在兩顆不同的晶圓上制造兩種電路，然后再進行封裝連接。就像搭積木一樣，讀寫單元和存儲單元可以獨立生產，不僅降低生產成本，還大大提升了閃存性能。

　　2020年4月，長江存儲宣布第三代TLC/QLC兩款產品研發成功，其中X2-6070型號作為*第三代QLC閃存，擁有發布之時業界最高的I/O速度，最高的存儲密度和最高的單顆容量。

　　2022年8月份，長江存儲正式發布200層+3D NAND閃存芯片產品X3-9070，這是基于晶棧3.0(Xtacking 3.0)架構的第四代3D TLC NAND閃存芯片。長江存儲首創的Xtacking 3.0相比上一代產品，X3-9070性能提升50%，功耗降低25%。另外，該架構可以實現高效的產品開發效率，和同類廠商相比大約能減少3個月的開發時間。X3-9070是中國有史以來存儲密度最高的閃存顆粒，2022年12月開始進行量產。

　　需要指出的是，層數是閃存的性能最關鍵技術指標，層數越多，單位空間存儲密度就越大，總存儲容量越容易提升。當然，接口速度、可靠性、隨機讀取性能、能耗、每單元位數等指標也很重要。

　　3D NAND閃存芯片的立體結構更依賴于刻蝕機和物理沉積設備，而不是光刻機來實現。當然，水浸沒式DUV光刻機是量產高性能3D NAND閃存芯片的必要前提。但是，3D NAND閃存芯片的量產并不需要EUV光刻機。祝福長江存儲的200層+3D NAND閃存芯片產品X3-9070!