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nand flash 电压 NAND Flash浮栅晶体管的结构，工作原理及其局限性

发布时间 : 2024-10-11

作者 : 小编

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NAND Flash浮栅晶体管的结构、工作原理及其局限性

作为最为常见的存储芯片，NAND Flash已经被广泛采用，特别是在消费类电子产品当中，因此，在其存储密度不断提升的同时，成本也越来越敏感。由于Flash闪存的成本取决于其芯片面积，如果可以在同一区域存储更多数据，Flash将更具成本效益。NAND闪存主要有三种类型：Single Level Cell（SLC），Multi Level Cell（MLC）和Triple Level Cell（TLC）。顾名思义，TLC Flash在与MLC相同的区域中存储的数据更多，同理，MLC存储的数据多于SLC。另一种类型的NAND闪存称为3D NAND或V-NAND（垂直NAND），其通过在同一晶片上垂直堆叠多层存储器单元，这种类型的闪存实现了更大的密度。 浮栅晶体管 闪存将信息存储在由浮栅晶体管组成的存储单元中。为了更好地理解不同类型的NAND闪存，让我们来看看浮栅晶体管的结构、工作原理及其局限性。浮栅晶体管或浮栅MOSFET（FGMOS）非常类似于常规MOSFET，区别在于它在栅极和沟道之间具有额外的电绝缘浮栅。由于浮栅是电隔离的，所以即使在去除电压之后，到达栅极的电子也会被捕获。这就是闪存非易失性的原理所在。与具有固定阈值电压的常规MOSFET不同，FGMOS的阈值电压取决于存储在浮栅中的电荷量，电荷越多，阈值电压越高。与常规MOSFET类似，当施加到控制栅极的电压高于阈值电压时，FGMOS开始导通。因此，通过测量其阈值电压并将其与固定电压电平进行比较来识别存储在FGMOS中的信息，被称为闪存中的读操作。可以使用两种方法将电子放置在浮动栅极中：Fowler-Nordheim隧穿或热载流子注入。对于Fowler-Nordheim隧穿，在带负电的源极和带正电的控制栅极之间施加强电场。这使得来自源极的电子隧穿穿过薄氧化层并到达浮栅。隧穿所需的电压取决于隧道氧化层的厚度。利用热载流子注入，高电流通过沟道，为电子提供足够的能量以穿过氧化物层并到达浮动栅极。通过在控制栅极上施加强负电压并在源极和漏极端子上施加强正电压，使用福勒 - 诺德海姆隧道效应可以从浮栅移除电子。这将导致被捕获的电子通过薄氧化层回到隧道。在闪存中，将电子放置在浮动栅极中被认为是编程/写入操作，去除电子被认为是擦除操作。隧道工艺有一个主要缺点：它会逐渐损坏氧化层。这被称为闪存中的磨损。每次对单元进行编程或擦除时，一些电子都会卡在氧化层中，从而磨损氧化层。一旦氧化层达到不再能够在编程和擦除状态之间进行可靠性区分的点，则该单元被认为是坏的。由于读取操作不需要隧穿，因此它们不会将单元磨掉。这就是为什么闪存的寿命表示为它可以支持的编程/擦除（P / E）周期的数量。SLC闪存 在SLC闪存中，每个存储单元仅存储一位信息：逻辑0或逻辑1.单元的阈值电压与单个电压电平进行比较，如果电压高于电平，则该位被视为逻辑0。反之则为逻辑1。由于只有两个级别，因此两个级别之间的电压裕度可能非常高。这使得读取单元格更容易，更快捷。原始误码率（RBER）也很低，因为由于较大的电压余量，在读取操作期间泄漏或干扰的影响较小。低RBER还减少了给定数据块所需的ECC位数。大电压裕量的另一个优点是磨损的影响相对较小，因为微小的电荷泄漏具有相对较低的影响。每个逻辑电平的更宽分布有助于以更低的电压对单元进行编程或擦除，这进一步增加了单元的耐久性，进而增加了寿命，即P / E循环的数量。同时也有一个缺点，就是与在相同芯片区域中存储更多数据的其他类型的Flash相比，每个单元的成本更高。SLC闪存通常用于对成本不敏感且需要高可靠性和耐用性的场合，例如需要大量P / E循环次数的工业和企业应用。MLC闪存 在MLC闪存中，每个存储器单元存储两位信息，即00,01,10和11，在这种情况下，阈值电压与三个电平进行比较（总共4个电压带）。通过更多级别进行比较，读取操作需要更加精确，与SLC Flash相比，读取速度更慢。由于较低的电压余量，原始误码率（RBER）也相对较高，并且给定数据块需要更多的ECC比特。现在磨损的影响更为显着，因为与SLC闪存相比，任何电荷泄漏都会产生更大的相对影响，从而减少寿命（P / E循环次数）。由于需要仔细编程以将电荷存储在每个逻辑电平所需的紧密窗口内，因此编程操作也要慢得多。其主要优点是每比特成本更低，比SLC闪存低2~4倍。MLC闪存通常用于成本更敏感的应用，例如消费电子或游戏系统，其性能、可靠性和耐用性不是那么关键，并且所需的P / E循环次数相对较低。企业级多单元（eMLC）闪存 MLC闪存的低可靠性和耐用性使它们不适合企业应用，而低成本是一个驱动因素。为了带来更低成本的优势，闪存制造商创建了一种优化级别的MLC闪存，具有更高的可靠性和耐用性，称为eMLC。eMLC中的数据密度通常会降低，从而提供更好的电压余量以提高可靠性。较慢的擦除和编程循环通常用于减少磨损的影响并提高耐用性。还有许多其他技术可以提高eMLC的可靠性和耐用性，这些技术因制造商而异。TLC闪存 在TLC Flash中，每个存储器单元存储3位信息。现在将阈值电压与7个电平（总共8个电压带）进行比较。与SLC Flash相比，TLC的读取操作需要高度精确且速度慢。原始误码率也很高，增加了对给定数据块的更多ECC位的需求。磨损的影响也被放大，大大减少了寿命（P / E循环次数）。编程操作也较慢，因为电压需要精确以将电荷存储在每个逻辑电平所需的窗口内。 TLC的优势在于每比特的最低成本，与SLC或MLC闪存相比要低得多。TLC闪存用于高成本敏感型应用，对P / E循环的需求较少，例如消费类应用。SLC，MLC，eMLC和TLC的比较 表1给出了假设类似光刻工艺的不同类型闪存的主要参数的比较。这些值仅表示比较性能，并且就特定存储器产品而言可能不准确。

表1：每种不同类型Flash的主要参数的比较。 * ECC位数取决于制程节点; 较小的制程节点需要更多的ECC位。 3D NAND Flash 上面讨论的所有不同的闪存都是二维的，意味着存储单元仅布置在芯片的XY平面中。使用2D闪存技术，在同一晶圆中实现更高密度的唯一方法是缩小制程工艺节点。其缺点是，对于较小的节点，NAND闪存中的错误更为频繁。另外，可以使用的最小制程工艺节点存在限制。为了提高存储密度，制造商开发了3D NAND或V-NAND（垂直NAND）技术，该技术将Z平面中的存储单元堆叠在同一晶圆上。以这种方式构建有助于为相同的芯片区域实现高位密度。在3D NAND闪存中，存储器单元作为垂直串连接而不是2D NAND中的水平串。第一批3D Flash产品有24层。随着该技术的进步，已经制造出32,48,64甚至96层3D闪存。3D闪存的优势在于同一区域中的存储单元数量明显更多。这也使制造商能够使用更大的制程工艺节点来制造更可靠的闪存。 3D Flash的另一个主要技术转变是使用电荷阱Flash而不是浮栅晶体管。除了用氮化硅膜代替浮栅之外，电荷阱在结构上类似于FGMOS。注意，由于大规模制造的困难，电荷阱在市场上没有被广泛使用。由于难以制造浮栅晶体管的垂直串以及电荷阱的其他固有优点，已经采用电荷阱技术用于3D闪存。与FGMOS相比，基于电荷阱的存储器有许多优点。可以在较低电压下编程和擦除基于电荷阱的存储器，从而提高耐用性。由于捕获层（氮化物）是绝缘层，电荷不会泄漏，从而提高了可靠性。由于电荷不会从电荷阱的一侧流到另一侧，因此可以在同一阱层存储多于一位的电荷。赛普拉斯（前Spansion）在NOR闪存中有效地利用了这种功能，称为MirrorBit技术，将两位数据存储在一个类似于MLC闪存的单个存储单元中。未来的趋势 所有主要的闪存制造商都积极致力于开发不同的方法，以降低每比特闪存的成本，同时正在积极研究增加3D NAND Flash中垂直层的数量。虽然15nm似乎是目前NAND闪存中最小的成功节点，但Flash的光刻节点的缩小仍在继续。将MLC和TLC技术与3D NAND闪存相结合的方法也正在积极探索当中，许多制造商已经看到了成功的曙光。随着新技术的出现，我们可能很快就会看到存储单元可以存储一个字节的数据和垂直层，达到256层，甚至更高

浅谈3D-NAND、QLC和SCM介质技术和新产品

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NAND Flash技术的发展完全沿着技术演进、商业价值和需求匹配的车辙在不断行驶。诸如SRAM，DRAM，EEPROM等 产品和技术。在每个存储器单元存储一位的二进制数据的NAND Flash 技术被称为单级单元(SLC)。但是由于SLC在容量和价格等原因，促使MLC、eMLC及TLC这三种闪存颗粒 迅速发展起来，关于Flash颗粒介绍请参考文章“闪存技术最全面解析”。

NAND Flash在应用普及和全面替换HDD遇到最直接的一个问题还是价格，从SLC、MLC到TLC一直才寻求价格的平衡点，尽管TLC能够解决SSD容量瓶颈，却还是不能完全解决SSD价格的难题。大容量SSD仍旧昂贵，小容量SSD+大容量便宜HDD的混合存储解决方案也层出不穷，但在体验上终究没有单纯大容量SSD来得好。目前来看，TLC还是相对来说在性能和价格方面平衡不错的方案，再说随着容量的增加、技术的改善，TLC闪存的擦写次数逐渐等到优化，也并没有想象中那么容易失效。

结合实际应用发现，SSD在处理数据写入时，每次都写到新的物理地址，从而使得所有的闪存物理空间被均匀使用。假设一块600GB的SSD，其闪存介质写次数为1万次，那么该SSD可以写入的数据总量达到6PB(600GB*10000)；在实际企业级环境中的硬盘，整个生命周期的写入数据总量远小于200TB，这意味着这块600GB的SSD使用10年以上。

技术永远无法脱离实际应用，TLC颗粒在3D-NAND Flash的产品应用非常广泛，先后出现了32，64，72，96层的基于TLC的3D NAND Flash产品 ，起初这些TLC产品只要应用在消费级产品，但目前很多存储厂商已经把TLC颗粒引入企业级存储产品。下面我们看看主流3D-NAND Flash厂商(三星、东芝、WD和SK Hynix 四大厂商)的新产品和动态。

东芝(Toshiba)携手SanDisk 研发出全球首款采用堆栈 96 层制程技术的TLC 3D NAND Flash 产品，且已完成产品试作。该款堆栈 96 层的 3D NAND试制品单颗芯片容量为 256Gb(32GB)，预计于 2017 年下半年送样、2018 年开始进行量产，主要用来抢攻数据中心用 SSD和PC桌面SSD等市场。

三星在 3D NAND Flash一直处于领先地位，在去年就发布64 层 3D NAND 。但前不久SK Hynix 推出第四代 72 层的 3D NAND 进入量产，主要用于行动设备，并已交货给客户。韩国对3D NAND Flash技术和市场的控制力是不容忽视的。

Intel发布了新一代SATA SSD 545s产品 ，采用64层堆叠闪存的SSD取代去年的SSD 540s，当时Intel自己的3D堆叠闪存技术还不成熟，所以采用了SK海力士的16nm TLC和慧荣主控SM2258。SSD 545s采用的是Intel第二代3D TLC闪存颗粒(Intel的第一代3D闪存是32层堆叠)，64层堆叠设计，具有浮动栅极存储单元，单颗容量256Gb(32GB)。SSD 545s的主控采用了升级版慧荣主控SM2259，加入了对端到端数据保护和ECC的支持(主控SRAM和外部DRAM均有)，同时搭配Intel定制固件 。支持每天0.3次全盘写入，终生写入量288TB。

为了延长SSD磨损寿命，多数厂商提供容量超配 。例如一块100GB容量的SSD，其内部的闪存颗粒的物理容量是大于100GB，企业级SSD一般可以达到128G或者更多，超出的那部分就被称为冗余。或者采用较好的部件，如更好的颗粒、更好的控制芯片 ，提供强力的LDPC纠错算法等 ，但是SSD寿命并非单纯取决于闪存的类型，而是多个因素综合作用的结果。

闪存介质中，保存数据的基本单元被称为Cell。每个Cell通过注入、释放电子来记录不同的数据。电子在Cell中进出，会对Cell产生磨损；随着磨损程度的增加 ，Cell中的电子出现逃逸的概率会不断增加，进而导致Cell所保存的数据出现跳变。例如某个Cell最开始保存的二进制数据是10，一段时间后再读取该Cell，二进制数据可能就变成了11。因为闪存中保存的数据有一定的概率出现跳变，因此需要配合ECC算法(Error Correcting Code)来使用，SSD内部需要有ECC引擎进行数据检错和纠错 。

写入SSD颗粒数据时，ECC引擎基于原始数据计算出冗余数据，并将原始数据和冗余数据同时保存 。从SSD读取数据时，原始数据和冗余数据一并被读出，并通过ECC引擎检查错误并纠正错误，最终得到正确的原始数据。

闪存所保存的数据出现跳变的数量，随着擦写次数的增加而增加 。当擦写次数达到一定的阈值后，闪存中保存的数据出现跳变的数量会增大到ECC引擎无法纠正的程度，进而导致数据无法被读出。这个阈值就是闪存的最大擦写次数 。

在SSD领域，当前标准的ECC算法是BCH算法(以三位作者的名字首字母命名)，可以满足绝大多数SSD的纠错需求。大多数产品中，闪存介质所宣称的最大擦写次数，就是基于BCH算法来给出 的，但是BCH算法的纠错数据位比较有限，所以目前纠错能力更强的算法也被应用，如LDPC(Low Density Parity Check Code) 是一个纠错能力很强的算法，可以纠正更多的数据跳变。

SLC、MLC及TLC这三种闪存芯片，大家都很清楚，但接下来QLC闪存芯片要开启它的逆袭之路，而东芝和西数已经率先做出表率 ，目前主要针对智能型手机(如iPhone等)、平板计算机和记忆卡市场。

东芝今后也计划推出采用堆栈 96 层制程技术的 512Gb(64GB)3D NAND 产品以及采用全球首见的QLC(Quad-Level Cell)技术的 3D NAND 产品 。该款QLC试作品为采用堆栈 64 层制程技术，实现业界最大容量的 768Gb(96GB)产品，已经提供给 SSD 厂、控制器厂进行研发使用。

西数全球首发了96层堆栈的3D NAND闪存，其使用的是新一代BiCS 4技术(预计下半年出样，2018年开始量产)，除了TLC类型外，其还会支持QLC ，这个意义是重大的。西数已经用实际行动表明会支持QLC，而接下来三星、Intel、SK Hynix等厂商也势必会跟进(目前还没有正式公布QLC的进展)，为何厂商会跟进可靠性、寿命比TLC还差的QLC 。

目前来看，QLC闪存单位存储密度是TLC的2倍，单颗芯片可达到256GB甚至512GB。但是QLC闪存的电压更难控制，写入速度更低，可靠、稳定性及寿命比TLC更差。个人觉得主要的原因是成本和闪存对寿命SSD的不断优化，随着SSD控制对QLC技术优化，也有理由相信QLC跟TLC走同样的路，也有可能被用在企业产品 。

从长远来看，能不能将SSD的价格拉下来，我个人对QLC是寄予厚望的，但具体时间目前却无法预知，从TLC到QLC的技术过度 需要时间，需要双倍的精度才能确保足够高的稳定性、寿命和性能。如果参考TLC的历程，价格优势更难在短期内体现出来，QLC大批量上市并且明显带动降价节奏的时间也是我所期待的。

对于存储介质的未来除了NAND Flash外，还要有很多技术值得期待。 SCM( Storage -Class-Memory)产品已经出现在大众视野 ，如美光、英特尔自2016年开始量产的3D-Xpoint ，威腾、东芝合作开发的3D-ReRAM 。SCM的读写速度是3D-NAND的千倍，但在产品测试结果显示只有几十倍，这也说明SCM在读写性能上还有较大的提升空间值得期待。然而3D-NAND+类DRAM混合型的4D-NAND集前端高速度DRAM和后端低价大容量的3D-NAND于一身，也将会在容量和性能中找到一个很好的折中点。

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