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nand flash preprogram 「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

发布时间 : 2025-01-19

作者 : 小编

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「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

[收藏] Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

原创： Hardy 架构师技术联盟 5天前

Wafer即晶圆，是半导体组件“晶片”或“芯片”的基材，从沙子里面高温拉伸生长出来的高纯度硅晶体柱(Crystal Ingot)上切下来的圆形薄片称为“晶圆”。采用精密“光罩”通过感光制程得到所需的“光阻”，再对硅材进行精密的蚀刻凹槽，继续以金属真空蒸着制程，于是在各自独立的“晶粒”(Die)上完成其各种微型组件及微细线路。对晶圆背面则还需另行蒸着上黄金层，以做为晶粒固着(Die Attach) 于脚架上的用途。

以上流程称为Wafer Fabrication。早期在小集成电路时代，每一个6吋的晶圆上制作数以千计的晶粒，现在次微米线宽的大型VLSI，每一个8吋的晶圆上也只能完成一两百个大型芯片。我们NAND Flash的Wafer，目前主要采用8寸和12寸晶圆，一片晶圆上也只能做出一两百颗NAND Flash芯片来。

NAND Flash Wafer

Wafer的制造虽动辄投资数百亿，但却是所有电子工业的基础。晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.99%以上。晶圆制造厂再将此多晶硅融解，再在融液里种入籽晶，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成，此过程称为“长晶”。硅晶棒再经过切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，封装后，即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片，这就是“晶圆”。

下图是NAND Flash生产简要流程:

Die 就是芯片未封装前的晶粒,是从硅晶圆(Wafer)上用激光切割而成的小片(Die)。每一个Die就是一个独立的功能芯片，它无数个晶体管电路组成，但最终将被作为一个单位而被封装起来成为我们常见的闪存颗粒，CPU等常见芯片。

什么是ink Die

在晶圆制造过程中，会对Wafer中的每个Die进行严格测试，通过测试的Die，就是Good Die，未通过测试的即为Ink Die。这个测试过程完成后，会出一张Mapping图，在Mapping里面会用颜色标记出不良的Die，故称Ink Die。

Flash芯片封装分类

目前NAND Flash封装方式多采取TSOP、FBGA与LGA等方式，由于受到终端电子产品转向轻薄短小的趋势影响，因而缩小体积与低成本的封装方式成为NAND Flash封装发展的主流趋势。

TSOP: (Thin smaller outline package )封装技术，为目前最广泛使用于NAND Flash的封装技术，首先先在芯片的周围做出引脚，采用SMT技术（表面安装技术）直接附着在PCB板的表面。TSOP封装时，寄生参数减小，因而适合高频的相关应用，操作方便，可靠性与成品率高，同时具有价格便宜等优点，因此于目前得到了极为广泛的应用。

BGA: (Ball Grid Array也称为锡球数组封装或锡脚封装体 )封装方式，主要应用于计算机的内存、主机板芯片组等大规模集成电路的封装领域，FBGA 封装技术的特点在于虽然导线数增多，但导线间距并不小，因而提升了组装良率，虽然功率增加，但FBGA能够大幅改善电热性能，使重量减少，信号传输顺利，提升了可靠性。

采用FBGA新技术封装的内存，可以使所有计算机中的内存在体积不变的情况下容量提升数倍，与TSOP相比，具有更小的体积与更好的散热性能，FBGA封装技术使每平方英寸的储存量有很大的提升，体积却只有TSOP封装的三分之一，与传统TSOP封装模式相比，FBGA封装方式有加快传输速度并提供有效的散热途径，FBGA封装除了具备极佳的电气性能与散热效果外，也提供内存极佳的稳定性与更多未来应用的扩充性。

LGA: (Land Grid Array ) 触点陈列封装，亦即在底面制作有数组状态坦电极触点的封装，装配时插入插座即可，现有227 触点(1.27mm中心距)和447 触点(2.54mm 中心距)的陶瓷LGA，应用于高速逻辑 LSI 电路，由于引线的阻电抗小，对高速LSI 相当适用的，但由于插座制作复杂，成本较高，普及率较低，但未来需求可望逐渐增加。

Flash芯片封装叠Die(Stack Die)

由于NAND Flash单颗Die的容量有限，为了实现更高的容量，需要在一个封装片内堆叠几个Die。在Wire Bond的时候，用金线互连。

目前单颗Die的容量最高的为Micron公司的MLC 4GB，目前最先进的堆叠技术可以叠8层，因此理论上MLC单颗封装片可以做到32GB。Micron公司计划在09年Q4推出此容量的封装片。

Flash芯片TSOP封装和BGA封装的内部结构

TSOP封装只需要一个引脚框架，把NAND FLASH Die的Pad打线(Wire Bond)连接到引进框架上面即可。封装技术简单，成本低。但其打线方式只能从两边打线，因此stack die就比较困难。

BGA封装与TSOP封装不同在于其采用了Substrate，用电路板来对引脚走线，因此可以进行四面打线，这样在进行叠die的时候，就变得更加容易操作。但成本会比TSOP要高。

Flash芯片封装的尺寸，一些封装方式尺寸比较:

NAND Flash出货有两种产品样式:

一种是Wafer，即晶圆出货，这种产品样式一般客户采购回去需要再测试和COB封装等，这种客户多为闪存卡大客户。

一种是封装片出货，NAND Flash目前最普遍采用的是48TSOP1的封装方式，现货市场均为TSOP的封装片。

NAND Flash按工艺可分为SLC与MLC

SLC英文全称(Single Level Cell)即单层式单元储存。SLC技术特点是在浮置闸极与源极之中的氧化薄膜更薄，在写入数据时通过对浮置闸极的电荷加电压，然后透过源极，即可将所储存的电荷消除，通过这样的方式，便可储存1个信息单元，这种技术能提供快速的程序编程与读取，不过此技术受限于Silicon efficiency的问题，必须要用较先进的流程强化技术，才能向上提升SLC制程技术。

MLC英文全称(Multi Level Cell)即多层式单元储存。Intel在1997年9月最先开发成功MLC，其作用是将两个单位的信息存入一个Floating Gate(闪存存储单元中存放电荷的部分)，然后利用不同电位(Level)的电荷，通过内存储存的电压控制精准读写。MLC通过使用大量的电压等级，每一个单元储存两位数据，数据密度比较大。SLC架构是0和1两个值，而MLC架构可以一次储存4个以上的值。因此，MLC架构可以有比较高的储存密度。

TLC英文全称(Triple Level Cell)即一个单元可以存储单元可以存储3bit，因此需要8个等级的电位进行编码解码才能实现。其实TLC是属于MLC的一种。

SLC和MLC的基本特性表

Flash坏块的形成

NAND Flash的存储原理是，在写入(Program)的时候利用F-N隧道效应(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮栅充电，即注入电荷；在擦除(Erase)的时候也是是利用F-N隧道效应(Tunnel Release隧道释放)将浮栅上的电荷释放。

隧道注入和隧道释放的产生都需要十几伏的瞬间高电压条件，这对浮栅上下的氧化层会造成一定损伤，因此这样重复的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。达到读写寿命极限的时候存储单元就会出现失效，然后就会造成数据块擦除失效，以及写入失效，于是就会被标记起来，作为坏块，并将这个标记信息存放在Spare Area里面，后续操作这个Block时，需要Check一下这个信息。

Flash固有坏块

由于制造工艺的原因，通常普通的NAND FLASH从出厂开始就有坏块了，一般在2‰以下。一般芯片原厂都会在出厂时都会将坏块第一个page的spare area的第6个byte标记为不等于0xff的值。

NAND Flash的存储单元是有使用寿命的

NAND Flash的存储原理是，在写入(Program)的时候利用F-N隧道效应(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮栅充电，即注入电荷；在擦除(Erase)的时候也是是利用F-N隧道效应(Tunnel Release隧道释放)将浮栅上的电荷释放。隧道注入和隧道释放的产生都需要20V左右瞬间高电压条件，这对浮栅上下的氧化层会造成一定损伤，因此这样重复的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。

三星估算的SSD硬盘的寿命

如果每天对SSD写入4.8GB的数据，假设SSD总容量为16GB，那么，你至少需要3.34天才能对整个SSD的每个单元擦写一次；如果此SSD为擦写次数为100K的SLC单元，那么，你至少需要3.34×100K天才能使这个SSD完全失效；3.34×100K天＝913年，因此16G的SSD可以使用913年 。那么，如果是MLC的话，也至少可以使用91.3年。

晶圆制程工艺发展历史

芯片制程工艺是指晶圆内部晶体管之间的连线间距。按技术述语来说，也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度。

主流厂商的晶圆制程工艺以及下一代制程工艺的情况，如下表。

芯片制造工艺在1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米、75纳米、65纳米一直发展到目前最新的34纳米。

一步步印证了摩尔定律的神奇。以90纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽度为90纳米。我们知道，1微米相当于1/60头发丝大小，经过计算我们可以算出，0.045微米(45纳米)相当于1/1333头发丝大小。可别小看这1/1333头发丝大小，这微小的连线宽度决定了芯片的实际性能，芯片生产厂商为此不遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。采用34纳米制造工艺之后，与65纳米工艺相比，绝对不是简单地令连线宽度减少了31纳米，而是芯片制造工艺上的一个质的飞跃。

目前最先实现34nm工艺的是Intel和Micron联合投资的IM，此技术被最先应用在了NAND FLASH上面，可见NAND FLASH的制程工艺跳跃是所有IC中最快的。

晶圆技术的发展都是受生产力驱动，必须向更小的制程间距和更大的晶圆尺寸发展。制程从2.0um、0.5um、0.18um、90nm一直到目前的34nm，晶圆尺寸从最初的5英寸发展到目前的12英寸，每次更迭都是一次巨大的技术跳跃，凝聚了人类科技的结晶，也一次次印证了摩尔定律的神奇。

晶圆尺寸的大约每9年切换一次。而晶圆制程由最初的几年更迭一次，到目前的基本上每年都能更迭一次。

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Flash闪存原理、区别与分类

Flash（即闪存）是不需要Vpp电压信号的EEPROM，属于非易失性存储器（NVM）。Flash的类型主要分两种，nand flash和nor flash，这种分类方式是根据存储单元在矩阵中的排列方式来分类的。

基本原理：

Floating Gate

Flash存储单元基于浮栅(Floating Gate, FG)技术。MOS晶体管由两个重叠栅极CG（Control Gate）和FG（Floating Gate）构成。FG被隔离孤立在中间，像是浮在空中的小岛，这也就是“浮栅”名字的由来。 FG被氧化物包围，在无外力作用下，电子能在其中长期保留。从浮栅中注入和去除电子的操作分别称为编程（program）和擦除（erase）。这些操作修改了存储单元的阈值电压Vth，存储单元是一种特殊类型的MOS晶体管。在CG端上施加一个固定的电压，就可以区分两个存储级别:当栅极电压高于电池的Vth时，电池是开的(“1”)，否则是关的(“0”)。

NOR Flash 和NAND Flash主要区别：

1，物理结构：

NOR Flash采用并行阵列架构，其中每个cell都可以通过触点直接访问，这也是NOR闪存具有卓越随机性能的原因。

NOR Flash结构

NAND Flash采用串行结构，存储单元以32个或64个为一组进行串联，如图所示。两个选择晶体管被放置在行边缘，以确保与源线(通过Msl)和位线(通过Mdl)的连接。每个NAND行与另一个行共享位行联系。控制门通过字线(wordlines, WLs)连接。

NAND Flash结构

2，存储单元面积、单位成本、读取速度、功耗

由于在物理结构上的差异，导致了两种Flash在面积、单位成本、读取速度及功耗的差异：

NOR Flash：存储单元面积大、单位成本高、读取快、功耗高；

NAND Flash：存储单元面积小、单位成本低、读取慢、功耗低；

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8MB以上的产品当中,这也说明NOR主要应用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储。

3，接口及使用

NOR Flash接口类似SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。由于NOR flash接口非常直接地使用基于NOR闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。

NAND Flash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚分时用来传送控制、地址和数据信息。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序或者硬件控制器支持，才能继续执行其他操作。所以使用上并不如NOR Flash方便容易。

4，位交换

位交换也叫位反转（Bit twiddling/bit flip），即存储值由0变1或者由1变0。所有flash器件都受位交换现象的困扰。所以就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候,同时使用EDC/ECC算法。这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然,如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

NOR flash由于物理结构的不同，很小概率出现位反转现象，故无纠错系统。

5，坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的，需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。NOR Flash则几乎无坏块或者很少，所以没有坏块处理模块。

Flash器件：

目前的flash存储器都符合PCMCIA标准，可以方便的用于各种设备上。当前有两种类型的卡：一种为Flash存储器卡，此种卡只有Flash Memory芯片组成的存储体，在使用时还需专门的软件进行管理。另一种称为Flash驱动卡，此种卡中除Flash芯片外还有由微处理器和其他逻辑电路组成的控制电路。

1，Flash存储器卡 ：

Flash存储器卡也称为闪存卡（FlashCard），是利用闪存（FlashMemory）技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质，所以样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有SmartMedia（SM卡）、CompactFlash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、SecureDigital（SD卡）、MemoryStick（记忆棒）、XD-PictureCard（XD卡）和微硬盘（MICRODRIVE）这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。

CF卡

CF卡(Compact Flash)是1994年由SanDisk最先推出的一种闪存卡，它革命性的使用了闪存技术，对所保存的数据来说，CF卡比传统的磁盘驱动器安全性和保护性都更高。路由器、交换器等大多数的网络及电信设备及数码相机仍以CF卡为主要的外部储存装置。

SM卡

SM卡(Smart Media)是由东芝公司在1995年11月退出的Flash Memory存储卡，三星公司在1996年购买了生产和销售许可，这两家公司成为主要的SM卡厂商。SmartMedia卡是市场上常见的微存储卡(但是最大容量只有128MB),一度在MP3播放器上非常的流行。SmartMedia卡被视为软磁盘的替代者，曾是数码相机普遍支持的存储格式，如今已是没落消亡之势。这一格式相比其他而言最大的好处是通过一个名为FlashPath的转换器，可以在标准的3.5英寸软盘驱动器内使用任何容量的SM卡。

MMC卡

MMC卡(MultiMedia Card)卡由西门子公司和首推CF的SanDisk公司于1997年联合推出，号称是目前世界上最小的Flash Memory存储卡。近年MMC卡技术已差不多完全被SD卡所代替，但由于MMC卡仍可被兼容SD卡的设备所读取，因此仍有其作用。

MS卡

MS卡(Memory Stick)通常称为记忆棒，是Sony公司研发并于1998年10月推出市场的，采用了Sony自己的外型、协议、物理格式和版权保护的一种闪存卡。MS卡的规格和同一时间上市的MMC很相似。

SD卡

SD卡(Security Digital Memory Card,译成安全数码卡) 由松下、东芝和SanDisk联合推出，1999年8月才首次发布，大小如一张邮票。SD读卡器对计算机来说类似一个USB的软驱的作用，插上SD卡后的读卡器跟U盘功能是一样的，大小也和普通U盘类似。读卡器与电脑主机之间的连接都是采用USB接口，这种产品是配合数码相机而产生的。有外接式和内置式两种，不少新的个人电脑都已经内置了多功能的读卡器。

TF（MicroSD）卡

TF卡(TransFlash)由SanDisk(闪迪)公司发明创立，是一种主要用于手机的极细小的快闪存储器卡，2004年重命名为MicroSD(顾名思义，就是小SD卡)。几乎只有一片指甲盖的大小，主流台式机、笔记本上均设有直接插槽，通过SD式读卡器连接后可以读写数据。

xD卡

xD卡(eXtreme Digital-Picture Card)是一种专门于数码相机的闪存存储卡，由富士胶卷与奥林巴斯联合于2002年7月发布，用于取代SM卡(SmartMedia Card)。

miniSD卡

miniSD是闪迪2003年发布的极细小型规格标准SD卡，特别设计于移动电话上，并随卡附上minSD转接器，令它能够兼容所有配置了标准SD卡插槽的设备中。

微硬盘MD

微硬盘MD(Microdrive)最早是由IBM公司开发并于1999年上市的一款体积非常微小的硬盘式数据存储设备，用来对抗市面上主流的闪存产品。IBM将旗下硬盘部门卖给了日立(Hitachi)公司，因此自2003年起MicroDrive的技术与专利是由日立公司拥有。微型硬盘具有记忆容量大、读写速率高有点，缺点是较为耗电、容易发热、使用寿限较短和抗震性能差。

2，Flash驱动卡

eMMC卡

eMMC ( Embedded Multi Media Card) 采用统一的MMC标准接口，把高密度NAND Flash以及MMC Controller封装在一颗BGA芯片中。针对Flash的特性，产品内部已经包含了Flash管理技术，包括错误探测和纠正，flash平均擦写，坏块管理，掉电保护等技术。用户无需担心产品内部flash晶圆制程和工艺的变化，同时eMMC单颗芯片为主板内部节省更多的空间。

UFS卡

UFS (Universal Flash Storage，通用闪存存储)，UFS是一种高性能接口协议，也代表使用该协议的存储设备，设计用于需要最小化功耗的应用，包括智能手机和平板电脑等移动系统以及汽车应用，其高速串行接口和优化协议可显着提高吞吐量和系统性能。

U盘

U盘(USB flash disk)，据谐音也称“优盘”。U盘是闪存的一种，故有时也称作闪盘。U盘与硬盘的最大不同是，它不需物理驱动器，即插即用，且其存储容量远超过软盘，极便于携带。U盘集磁盘存储技术、闪存技术及通用串行总线技术于一体。相较于其他可携式存储设备，闪存U盘有许多优点：占空间小，通常操作速度较快(USB1.1、2.0、3.0标准)，能存储较多数据，并且性能较可靠(由于没有机械设备)，在读写时断开而不会损坏硬件(软盘在读写时断开马上损坏)，只会丢失数据。这类的磁盘使用USB大量存储设备标准，操作系统如 Linux、 Mac OS X、Unix与 Windows中皆有内置支持。

SSD固态硬盘

SSD（Solid State Drives ，即为固态硬盘），一般由存储单元（Flash或DRAM）和控制单元组成，固态硬盘是目前最主流的一种硬盘，而且在可预见的未来当中，短时间内很难会被其他硬盘替代。SSD读写速度快、防震抗摔性、低功耗、工作温度范围大、轻便。

flash存储器的种类很多，在生活中的应用也越来越广泛，但是价格依然处于昂贵的阶段，而这也限制了flash存储器的使用，希望flash存储器能够摆脱价格昂贵的缺点，真正完全地进入人们的生活。

后记：

关于半导体存储基础及分类请参考：

《半导体存储发展与分类》

https://www.toutiao.com/article/7166887627948589605/?channel=&source=search_tab

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