3D NAND 闪存是一种通过垂直堆叠多层存储单元来突破传统平面闪存物理极限的存储器技术，当前已成为固态硬盘、移动设备等产品的核心存储介质 。
NAND闪存进化史
图片来源：Sam Sung
三星突破性的3D V-NAND存储器
2013年，三星率先量产24层3D V-NAND，开启了闪存的立体堆叠时代 。三星的新V-NAND在单芯片中实现了128吉比特（Gb）密度， 利用公司基于3D的专有垂直单元结构 电荷阱闪光（CTF）技术与垂直互连工艺 连接三维单元阵列的技术。通过应用这两者 三星的3D V-NAND技术能够提供超过两倍的 20nm级*平面NAND闪光灯的缩放。
此后，堆叠层数持续快速增加，从32层、48层、64层发展至128层、176层，并于2023年突破300层 。截至2026年，三星已量产第八代V-NAND（236层），并计划在年内量产第九代V-NAND（286层） ；铠侠与西部数据联合研发的BiCS FLASH已推出第十代332层产品 ；长江存储则实现了232层3D TLC NAND闪存量产，并通过双层堆叠实现等效294层 。未来技术路线图指向千层以上 。该技术主要形成了三星V-NAND、铠侠/西数BiCS FLASH、美光/英特尔CuA以及长江存储Xtacking、SK海力士PUC等技术路线 。相比2D NAND，3D NAND具有存储密度高、单位成本低、性能更优（如写入速度快、功耗低、可靠性高）等显著优势，已成为固态硬盘（SSD）、移动设备等产品的核心存储介质 。
2D NAND 和3D NAND 技术比较
工作原理与技术优势
3D NAND 的核心设计思想类似于从建造平房转向建造摩天大楼，在有限的硅片面积上通过增加纵向层数来大幅提升存储密度 。
工作原理：
- 通过垂直方向堆叠数十甚至数百层存储单元，在相同面积内容纳几何级增长的存储单元。
- 存储单元像"盖楼"一样垂直堆叠，容量提升依赖堆叠层数增加，不受平面工艺微缩限制。
- 采用电荷陷阱型存储单元，圆柱形垂直通道结构让浮栅有整整一圈的面积，能放下更多电子。
技术优势：
- 存储密度高：64 层 3D NAND 的位密度超过 16nm 2D NAND 的三倍。
- 单位成本低：3D-32 层工艺相比 2D-16nm 可降低约 30% 的位成本。
- 性能更优：写入速度快、功耗低、可靠性高，可擦写次数提升至 2-10 倍。
- 持续扩展：堆叠层数持续增加，技术路线清晰，未来可达 500+ 层甚至 1000 层。
3D NAND 闪存架构
制造流程
3D NAND的制造流程主要包括基底准备、堆叠层构建、通孔刻蚀、通道填充、字线填充及金属互连等关键步骤。 基底准备
3D NAND制造从选择12寸特定晶向的硅片开始，确保晶圆质量和晶体结构稳定，为后续多层堆叠提供可靠基础。
1、堆叠层构建
在晶圆上交替沉积SiO2与SiNx薄膜，每层厚度几十纳米，堆叠层数可从64层、128层到400层甚至千层不等。为了保证厚度均匀性和材料稳定性，通常采用原子层沉积（ALD）技术 。每层存储单元由浮栅或Charge Trap（CTF）晶体管组成，通过绝缘栅氧化层隔开，实现可靠的数据存储。
2、通孔刻蚀（Channel Hole Etching）
在堆叠层完成后，需要在多层材料中刻出垂直通孔，形成存储单元的通道。通孔纵横比可高达50:1或更高，刻蚀工艺需精确控制侧壁垂直度与光滑度，以避免漏电或信号干扰。这是制程中技术难度最大、直接影响芯片良率的关键环节。
3、通道填充（Channel Filling）
刻蚀完成后，通孔内部需填充多晶硅或其他导电材料，形成垂直通道。填充过程中需避免空洞和材料缺陷，同时保证通孔内部均匀覆盖，通常通过化学气相沉积（CVD）或ALD完成。
4、字线填充（Word Line Fill）
在堆叠层中刻蚀出沟槽后，将SiNx刻蚀掉，并填充TiN、钨（W）等金属形成字线。多余金属被去除后，形成完整的字线结构 。
5、功能区构建
通孔内依次沉积阻挡氧化层、Charge Trap SiN、Tunnel Oxide、多晶硅、Core SiO2，完成存储单元的主体结构 。
6、金属互连（Bit Line）
最后，通过金属填充接触孔，并制作连接接触孔的金属导线（Bit Line），完成3D NAND的整体制程 。
7、架构与工艺差异
3D NAND主要有栅极堆叠（垂直沟道）和沟道堆叠（垂直栅极）两种架构。栅极堆叠结构因电流沿垂直方向流动、易于多层扩展而成为主流商业化方案，而沟道堆叠结构在位线间距和字线长度上存在限制。此外，采用WL切割、金属栅极等工艺可优化擦除速度、降低编程电压并提高阈值电压裕度 。
3D NAND工艺流程复杂，涉及数百步工艺，核心环节包括堆叠层构建、通孔刻蚀、通道填充、字线填充及金属互连。随着层数增加和技术发展，采用Charge Trap技术、ALD沉积和高纵横比通孔刻蚀成为实现高密度、高性能3D NAND的关键。
专利技术
2023年11月，长江存储在美国加州法院起诉美光科技，指控美光侵犯其8项与3D NAND相关的美国专利 。
最后
在人工智能时代，除了支持高速并行计算用于语言模型数据训练的高带宽内存（HBM）外，还需要多种解决方案。必须有空间存储用于训练的大规模数据，并且需要高性能存储，以确保算法在推理阶段能快速运行。三星的NAND闪存在实现这些关键元素中起着核心作用。三星V-NAND预计将作为高性能存储，为提供准确且快速的AI服务做出贡献。