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nand flash工艺制程「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

发布时间 : 2024-11-24

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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全球SSD市场规模增长41%，「扬贺扬」推出NAND Flash和NOR Flash闪存芯片潮科技·芯创业

编辑：石亚琼

根据市场研究公司Omdia的估计，全球SSD市场规模将从去年的231亿美元增长到今年的326亿美元，增长41％。据亚洲经济报道，预计NAND闪存将成为今年最大的增长，全球半导体市场将比上一年略有增长。

随着今年新冠疫情的传播，由于远程办公，视频会议和Internet使用的增加，对服务器的需求激增，进入服务器的固态驱动器（SSD和辅助存储设备）的销量也大大增加。SSD是由NAND闪存制成的数据存储设备，用于服务器，PC和游戏机。在SSD消费类市场和智能手机的容量进一步增大，将消耗大量闪存芯片，随着闪存芯片需求量的逐步扩大，中国闪存芯片厂商也在努力进行升级研发，满足闪存需求。

近日，36氪了解到一家国内领先的IC设计公司——南京扬贺扬微电子科技有限公司（以下简称“扬贺扬”），该公司致力于各种类型闪存控制芯片的设计研发及提供各类快闪型存储器（NAND Flash）产品的应用解决方案。

南京扬贺扬微电子科技有限公司-股权穿透图-天眼查

天眼查信息显示，扬贺扬成立于2016年6月，注册资本约3852.1万人民币，实缴资本约1812.7万人民币。马翔控股44.39%其最大股东，且担任其总经理，扬贺扬旗下100%控股南京靖芯微电子科技有限公司。王永成是扬贺扬法定代表人，且兼任董事长。2017年5月，扬贺扬获得元禾原点的天使轮融资，2018年8月获华睿投资的A轮融资，交易金额均未披露。

目前主要产品为消费类SD卡、MCP和eMMC等各型NAND闪存产品，广泛应用于手机、平板电脑、高端机顶盒、可穿戴设备及直播星等领域。公司已与多家国际知名晶圆代工厂、封装厂策略联盟，2016年12月通过了ISO9001质量管理体系认证。

扬贺扬官网展示出的产品NAND Flash系列和NOR Flash系列两种非易失性闪存芯片。NAND Flash系列分别有1G（HYF1GQ4IAACAE、HYF1GQ4IDACAE、HYF1GQ4UDACAE），2G（HYF2GQ4UAACAE、HYF2GQ4UADCAE、HYF2GQ4UDACAE、HYF2GQ4UHCCAE），4G（HYF4GQ4UAACAE）等。NOR Flash系列的2M（HY25D02IEIAAG）和4M的HY25D04IEIAAG采用的都是USON 2x3mm工艺，8M、16M、32M、64M、128M系列都采用的是SO-8 208mil。

NOR Flash是Intel在1988年创建出来的。在当时，NOR Flash的出现彻底改变了EPROM和EEPROM一统天下的局面。但是，为持续降低每比特的成本，同时获得更高的性能，1989年日本东芝创建出了NAND flash，之后NAND flash凭借其低成本、高容量、高写入速度优势占据了大量市场。据悉，博雅科技研发的50nm 256M ETOX NOR Flash在今年初经流片成功后近日终于实现了量产，这意味着我国NOR Flash制程正式迈入了50nm时代。

团队方面，据公司官网介绍，扬贺扬的核心管理团队来自中国上海、南京和台湾。董事长王永成和总经理马翔曾先后担任中芯国际和华虹宏力等国际知名晶圆代工厂的工艺制程整合处长和质量总监等职务，首席技术官曾担任中国台湾中山科学研究院助理研究员和力旺科技IC设计副处长等职务，在各自领域都有超过20年的行业经验。公司总部位于中国南京市浦口经济开发区，研发中心位于中国台湾台北市，同时在中国深圳设有销售中心。研发团队成员在闪存控制芯片领域均有超过十年的设计经验。

天眼查信息显示，公司人员规模小于50人，参保人数7人。扬贺扬拥有11项专利信息。不过，扬贺扬曾发生劳动争议、股权转让纠纷、经济补偿金纠纷等民事案件纠纷。

总的来讲，随着NAND Flash进入3D制程并且层数快速增加，国产SSD主控设计难度设计愈加复杂、门槛也越来越高，SSD主控研发技术难度的增加，而且不同厂商的NAND闪存颗粒特性差异较大，同一厂商NAND颗粒制程不同，产品差异性也非常大，SSD主控与不同厂商的NAND闪存颗粒进行搭配的能力也有待加强。

目前，国内SSD主控企业主要有华澜微、联芸科技、国科微、得一微、联芸科技、忆芯科技、江苏华存、合肥兆芯、大普微和华芯半导体等企业。其中国科微是这一领域内少有的上市公司，2019 年总营业收入金额为约为5.4亿。联芸科技已推出支持PCIe接口的SSD主控芯片，并且已经完成了 A+轮融资。忆芯科技于2020年5月18日披露新一轮的股权融资信息，现已获得天堂硅谷的投资。华芯半导体2019年营业收入75.48.9万人民币，旗下SSD系列的国密主控芯片HX8800，是国内首款经国家密码管理局安审通过的SSD控制器芯片。

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