3D构造,开创大容量闪存时代

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手机、MP3、数码相机、DV、掌上电脑……你拥有几样？如果都没有，那你可太落伍了。人们越沉浸在数码生活的精彩中，对闪存的需求也就与日俱增。近几年，闪存已成为半导体市场上最强劲的增长点，与硬盘相比，闪存技术能够制造出更紧凑、更轻巧的芯片，将使移动设备变得非常轻薄。然而，存储容量较小、成本高却成为闪存的软肋。

作为全球最大闪存厂商之一，三星近日对外宣布他们开发了一种不需要增大芯片面积，却能使数据存储容量达到以前2倍的新型闪存。这种新型闪存的设计原理是使用单晶硅（一种比较活泼的非金属元素，掺入磷可制成半导体）的堆叠来制造一种3d立体结构的芯片，从而制造出基于8层硅片结构的、容量为兆兆的闪存芯片。三星电子半导体业务部总裁兼CEO黄昌圭说：“随着3D制造技术的发展，闪存时代的大门将被开启。预计到2010年，闪存将全面取代硬盘，成为迷你笔记本电脑的主流配置。它还将围绕着信息技术、生物技术、纳米技术等为新的半导体工业创造极大的机会及动力。”

制程极限催生闪存制造新工艺

同微处理器一样，随着纳米技术的飞速发展，闪存的制程工艺也在不断进步。在体积减小的同时，产能却突飞猛进，三星于2006年10月实现量产的60nm产品就比之前的70nm产品在产能方面提高了25%。然而业内人士估计，由于芯片本身的物理极限，若仍然使用现有印刷技术，这种芯片体积持续缩小的趋势只能维持到2009年。三星研发人员姜满荣预言说，当半导体工艺技术低于30nm时，存储单元的电荷将开始变弱，数据将会丢失。于是，三星的研发人员开始寻找其他的既能使用现行的制程技术，又能增加闪存容量的方法，3D工艺应运而生。

挑战一 减小堆叠占用面积

研发人员用一种高质量的单晶硅衬底作为第一层存储单元，而在这一层的基础之上，又堆叠了同样由单晶硅构成的第二层。本质上来讲，单层闪存（2D平面结构）就像一个停车场，存储单元存储的电子就像停车场里停放的汽车，而加上一层硅晶使数据容量增大就像两层的停车场能够停更多车辆一样。但利用3D堆叠工艺来增加存储容量仍然有一个亟待解决的问题，美国加州大学伯克利分校电子工程教授维沃克・苏伯拉曼尼安指出，这种方法必定使基层上被盖住的闪存无法用于存储。三星面临的挑战就是将理论上那部分被盖住的面积降至最小，就如同在停车场中减少用来支撑第二层的圆柱的占用面积一样。

挑战二 多层硅晶协调工作

三星面临的另一个挑战是，如何使两层硅晶协调工作？由于第二层硅晶的电子特性，每次只能有一个存储单元被电擦除，而第一层的存储单元却可以实现大面积的电擦除。实验数据表明，第二层存储单元擦除相同数量数据所需要的时间是第一层的32倍。姜满荣说，后来开发者们将第二层硅晶接地，以此来保证第二层存储单元同第一层在擦除数据方面的速度同步。

成本高、工艺难，新技术仍需改进

飞思卡尔半导体公司半导体先进材料与记忆体事业部经理布鲁斯・怀特也注意到3D闪存制造技术的巨大潜力，他说：“我们已经看到了这个技术的重要性，它不仅能使固态存储器的容量显著增大，而且工程师也能够将它与其他固态设备混合，制造出能够适用于不同情况的闪存。比如说，一层是闪存，而另一层是DRAM（动态随机存储器，即通常说的内存）。”

尽管三星电子此次对外公布的新型闪存还只处于雏形阶段（目前仅为32 bit），但这无疑是个令业界振奋的研究成果。“我想它代表了一个新的理念”，苏伯拉曼尼安教授说，“事实上，三星证明了他们的理念能够被运用到现实中，他们的3D堆叠闪存的确取得了非常不错的效果。”同时，苏伯拉曼尼安教授也提醒道，3D堆叠闪存技术仍需要在提高其制造的可操作性方面做更深入的研究。此外，由于堆叠工艺带来的制造程序复杂化使成本增加，导致闪存价格也会上升，“这对于闪存这种受价格影响明显的产业来说，无疑是非常致命的。”他说。