我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

【IT168 评论】无论消费者还是企业机构，大多数人在谈到闪存时，首先想到的就是NAND闪存。从一定的现实意义上来讲，NAND闪存可以说已经成为固态硬盘的代名词。基于块寻址结构和高密度，使其成为磁盘的完美替代品。

　　NOR闪存是另一种与NAND不同的闪存类型，它具有不同的设计拓扑结构，某些特定的应用场景下更为适合。在比较NAND和NOR闪存在不同应用中的相对优势和适用性之前，检查其结构差异是很重要的。

　　NAND闪存产品是当今已经达到高水准的存储芯片，是当前市面上嵌入式以及独立式SSD的主要原材料。多层单元(MLC)技术和3D制造工艺的结合，将NAND存储单元垂直蚀刻到硅衬底上，使存储密度和NAND芯片容量呈几何级增长。

　　NAND与NOR电路基础

　　尽管NAND闪存是这两种非易失性内存技术中相对流行的一种，但NAND和NOR都是由同一名东芝公司的工程师在上世纪80年代中期发明的。要理解这两个种类的区别和命名，需要简要回顾一下逻辑门的基础知识。

　　NAND和NOR分别涉及到布尔逻辑函数中的逻辑“和”（and）以及“或”（or）。如下所示，NAND和NOR都生成响应两个二进制输入的输出。

响应两个二进制输入的NAND和NOR输出

　　NAND和NOR逻辑门仅仅为它们各自的功能实现了上面这个真值表。

　　NAND门在概念上是作为AND门实现的——当两个输入都是1时输出1——后面跟着一个NOT门，这是一个逻辑反转。相应的，NOR门在概念上是一个OR门——有任何一个输入是1时输出1，然后是NOT门，这是一个逻辑倒装。

　　布尔逻辑的背景对于理解NAND和NOR闪存至关重要，因为闪存单元被连接到一个行和列的数组中。在NAND闪存中，一组中的所有单元(通常是一个字节的倍数，取决于芯片的大小)共享一条位线，并以串行方式连接每个单元，每个单元连接到一个单独的字行。同一字行连接一个内存块中的多个字节，通常为4 KB到16 KB。因此，只有当所有的字线都是高或单状态时，位线才会降低或变为零状态，这实际上将内存组转换为一个多输入NAND门。

　　与此相反，NOR闪存并行组织位线的方式是，当位线和字线都处于低或零状态时，内存单元只保持高或单状态。

　　NAND单元的串联结构使得它们可以通过导电层(或掺杂层)连接在衬底上，而不需要外部接触，从而显著减少了其横截面积。

　　NAND闪存单元的串联连接意味着它们不需要单元之间通过金属层进行外部接触——而这正是NOR拓扑结构所需的。使用导电层连接硅衬底上的单元意味着NAND闪存的密度通常比NOR高两个数量级，或100倍。此外，组内单元的串联连接使它们可以垂直地堆积在3D数组中，位线类似于垂直管道。

　　相反，由于NOR闪存单元不能单独寻址，因此它们对于随机访问应用程序更快。

　　NAND与NOR产品类型

　　这两种类型的闪存具有明显的特性和性能差异，它们有各自最适合的应用程序类型。除了容量外，NAND和NOR闪存还具有不同的运行、性能和成本特性，如下图所示。

　　这两种闪存中也有几种不同的产品类型，它们在I/O接口、写入持久性、可靠性和嵌入式控制功能方面有所不同。

　　NAND闪存产品类型

　　NAND闪存以单层（SLC）、多层（MLC）、三层（TLC）或四层（QLC）的形式在每个单元（cell）中存储bit，分别为1 bit/cell、2 bit/cell、3 bit/cell、4 bit/cell。要确定哪种类型的NAND最适合于工作负载，简单来说，每个单元的位数越高，其容量就越大——当然，是以数据持久性和稳定性为代价的。

　　NAND设备只是没有任何外围电路的存储芯片，这些外围电路使NAND闪存可以在SSD、U盘或其他存储设备中使用。相比之下，托管型NAND产品嵌入了一个内存控制器来处理必要的功能，比如磨损调平、坏块管理(从使用中消除非功能性内存块)和数据冗余。

　　NOR闪存产品类型

　　串行设备通过只暴露少量(通常是1到8个)I/O信号来减少包的pin数。对于需要快速连续读取的应用程序来说，这是理想的选择。NOR闪存通常用于瘦客户机、机顶盒、打印机和驱动器控制器。

　　并行NOR产品暴露多个字节，而且通常使用内存页而不是单独的字节进行操作，更适用于启动代码和高容量应用程序，包括数码单反相机、存储卡和电话。

　　两种闪存都是不可或缺的

　　NAND是闪存的主力，广泛用于嵌入式系统和SSD等存储设备的大容量数据存储。不过，NOR 闪存在存储可执行的启动代码和需要频繁随机读取小数据集的应用程序方面起着关键作用。显然，这两种类型的闪存将继续在计算机、网络和存储系统的设计中发挥作用。

　　原文作者：Kurt Marko

FanFET 3D NAND来啦！

想象一下在充斥着高速海量的信息流和计算流的未来社会，无论你身处何处，移动设备（包含NOR+OLED显示屏）都会实时在云端(动态随机存储器，DRAM)搜寻探索强大的逻辑运算和智能分析(NAND, CPU/AI)，快速获取新信息，然后做出决策。高速大容量内存和CPU/AI芯片应用于智能家居、自动驾驶、移动执行和大数据分析等领域，两者在无线通讯和智能计算时代发挥着重要作用。

本文将介绍应用于3D-NAND闪存的FanFET（创新型扇型场效应晶体管）的技术、标准和亮点，并介绍一种扩展到数字逻辑电路的简单概念。

晶体管发展路线图

图1是一幅技术发展路线图，展示了主流晶体管和产品应用当前发展状况。从CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的角度来看，除了通用逻辑和功率器件产品外，还有NOR闪存技术。对于DRAM（动态随机存取存储器）、NAND(计算机闪存设备)和25nm以下的逻辑产品来说，它们的晶体管已分别发展为环绕栅晶体管（SGT），环绕栅（GAA，GAAFET）和鳍式场效应晶体管（FinFET）。

例如，低于1xnm的NAND闪存（严格来说是3D-NAND闪存）由串联的垂直电流GAA(统一认证架构)存储器组成；FinFET的逻辑电路已逐渐从CMOS演变为二维增强结构，与多鳍片（multi-fins）或纳米片（如MBCFET）并联，从而可以增大电流。以上技术需要深紫外线（DUV）或极紫外线（EUV）光刻设备才能制作出相应的纳米图案。

尽管如此，新型的FanFET是一种类似于风扇的有源元件。它具有垂直电流和相应的末端区域，符合制造三维存储栈和高密度存储器的标准。因此，它能应用于晶体管和存储器中。

图1 晶体管节点技术路线图

新3D-NAND闪存能创造出新晶体管

GAA单元目前是主流，也是全球主要存储器制造商拥有的唯一的三维闪存技术（3D-NAND Flash）。GAA采用四边形交错排列，根据薄膜材料的组合方式，其分为GAA CT单元或GAA FG单元。GAA电池产品的特征尺寸约为4F2及以上。GAA的结构也适合多层三维存储栈，这是三维闪存密度需求快速增长的原因。

存储节点技术的提高和密度的增加取决于两项关键技术：新兴材料和创新结构。目前，只有少数制造商会制造和使用由FRAM（铁电存储器）, MRAM（磁性随机存储器），PRAM（相变存储器）和RRAM（阻变式存储器）等新兴材料衍生出来的存储器。

对于创新结构，除去增加存储器密度，简化的方法和高度兼容的过程也满足了存储器的今后应用和普及的要求。从最接近填充单元的概念出发，Hexas技术考虑到了电路的布局和连接，并要求三维器件模型和三维过程集成合理化。当三维NAND闪存工作完成之后，形成了一个全新的晶体管，即晶体管FanFET，这是一种与FinFET和GAA完全不同的创新晶体管。图2显示了FanFET的结构、坐标和终端。

图2 FanFET的结构、坐标和终端

FanFET：既是晶体管也是存储器

FanFET与MOST晶体管基本结构相同，既可用作晶体管也可用作存储器。MOST和FanFET之间主要的区别在于终端的位置、漂移-扩散电流的3D偏微分方程、电流的方向以及3D模块化制造流程。FanFET采用垂直电流，很容易通过ArF/DUV光刻设备和多层膜堆叠技术完成。FanFET存储单元存在于密排六方结构（HCP）中，特征尺寸约为2F2，这意味着FanFET存储单元的单位面积密度是GAA存储单元的两倍。

3D-NAND闪存调制制造流程

3D-NAND 闪存模块化流程集成的关键是存储单元的建构和相对排列。图3是3D-NAND闪存上GAA和FanFET的图式结构标准。首先，前道在线工艺（FEOL）从多晶硅和氮化硅的薄膜叠层开始，紧接着是存储单元制造工艺，中段制程工艺（MEOL）和后端在线工艺（BEOL）。

图3 3D NAND闪存单元标准

在FEOL工艺的薄膜叠层中，必须考虑厚度的组合、沉积薄膜的均匀性和堆叠层的数量。在接下来的单元工艺中需要考虑以下问题：单元建构集成的方法和步骤、晶体管操作的沟道区和物理机制以及长宽比的蚀刻问题。最后一个是MEOL工艺的位线（BL）、字线（WL）和BEOL工艺中的金属互连。这可能会引起一些关键性问题，例如掺杂多晶硅或BL和WL金属线的导电性能、高长宽比、光刻对准的CD偏差以及金属或颗粒的污染。

存储单元模块的关键工艺和差异

Split GAA来源于GAA（Split GAA是作者暂定的名称）。图4对三个Split GAA和FanFET工艺模块化进行了比较。全面观察比较这四个存储单元的主要差别（此处省略了GAA工艺），上述前三家公司使用基于GAA工艺的Split GAA单元制造模型。GAA单元转变为椭圆形后，从技术层面来讲，其在拆分后，形成了一个Split GAA单元。

图4：单元形成主要特征的标准

通用标准生产过程包括薄膜堆叠、定义有源区（AA）、形成单元阵列、完成隔离层、连接线路以及再堆叠。

以汉萨科技股份有限公司的FanFET工艺流程为例。这些步骤包括单元格内部的隔离、隐藏式单元流程集成以及单元格之间的隔离。这是后栅级加工技术。

Split GAA与FanFET之间的存储单元评估

上面的四家公司的相似之处如下：都使用垂直电流、都具有多层堆叠的加工技术，连接单条导线，位线和字线的方式相同。虽在外观上相似，但当前Hexas存储器的操作区域与前三家企业显著不同。

为了处理存储单元模块，前三个单元的值必须固定为某一个值才能满足进一步处理的要求。单元直径是Split GAA单元孔的短轴之一，这会影响单元的最终密度。但是，在工艺集成中FanFET存储单元模块不存在这样的问题，因为FanFET存储单元的单元形状和特征尺寸可以根据开发者的需求自由调节，并且密度事实上也能改变。因为晶胞本身处于闭环结构，单元之间和单元内部的隔离层必须完全符合设计规格，所以上述三个公司的特征尺寸大约在3.5 F2〜6 F2区间内。

此外，由于各种步骤的顺序和差异，例如先栅工艺技术和后栅工艺技术，隔离层和单元的串联以及工艺流程上的薄膜残留物和CD偏压可能导致不同程度的边缘效应。

Split GAA的局限

Split GAA可能存在严重的问题，即它是晶胞中的闭环结构，并且这种结构可能会限制晶胞的大小。当晶胞收缩时，填充介质薄膜和BL就会出现问题。同时，Split GAA单元特征尺寸的增加，单位面积的存储密度便会减小。相反，FanFET可以自由调整单元和隔离层之间的形状和比例。其中的关键因素就是FanFET是一个开放式凹入单元，与光刻技术的曝光和发展以及介质薄膜的填充工艺无关。它可以在现有的12英寸ArF晶圆厂和DUV光刻设备中完成，该工艺的节点技术在90 nm（包含）到10 nm（不包含）内。

FanFET技术的亮点和优势

汉萨科技股份有限公司的FanFET具有10个技术亮点。从技术角度来看，第一组优势是创新的高密度晶体管单元，其中包括以下五点：

1.具有全新的扇型电场效应晶体管（FanFET）结构。

2.既适用于晶体管又使用于存储器。

3.能制作多层堆叠的3D结构和技术。

4.能增加单位面积的存储密度

5.拥有多样化的技术：除了独立的内存技术，它还可以扩展到嵌入式系统和内存计算中。

可延展的摩尔定律表明在节点技术中，FanFET的范围在90 nm（包括）到10 nm（不包括）之间。从商业角度来看，第二组优势包括以下五点：

6.能获得双赢的商业模式和战略盈利能力。

7.能使工艺与硅兼容：该加工技术与当前的12英寸晶圆厂兼容。

8.能降低开发成本并提高产能利用率。

9.能共享专利权：共享专利池，建立相关技术规范。

10.能创建完整的制造供应链

增加未来的商机

汉萨科技股份有限公司创新的FanFET 3D-NAND闪存与标准的MOST结构兼容，也是最高效的开发技术。闪存的晶胞简单但精确，其特征尺寸为2 F2，在3D工艺中单位体积的密度最高。在移动通信和人工智能时代，Hexas Technology公司希望通过双赢的商业模式与同类企业共同发展，以提高技术水平、获取商机，进一步整合新的材料技术，用来开发运用于航海行业的纳米级存储应用。

FanFET数字逻辑应用

连接n型和p型FanFET，便可形成逆变器的原型。

图5展示的是数字逻辑基本单元的FanFET逆变器。FanFET可以通过仿真和布局来实现相应的数字逻辑功能，在特征尺寸、电气特性和3D加工技术方面具有更多的动能和研发想象空间。与CMOS一样，FanFET是可以用于生产存储器和逻辑电路的晶体管。在半导体行业，FanFET是纳米级创新结构的新星，具有开发半导体技术的潜力。

图5：FanFET逆变器示意图

公司和作者

汉萨科技股份有限公司（Hexas Technology Corporation, Hexas）是一家从事存储芯片知识产权（IP）的研发和许可批准的新兴公司。

提供创新的新型晶体管FanFET，适用于3D-NAND闪存、NOR闪存和DRAM存储器等技术服务。节点技术的路线图范围在90nm到10nm（不包含）内。

知识产权能让客户未来能使用到高端产品，包括手机存储卡、固态硬盘（SSD），DRAM模块、嵌入式系统，甚至更多内存计算，以及自动驾驶、机器人、云系统、高速和高性能的AI计算应用。

汉萨科技股份有限公司的经营理念是创建移动存储技术和信息分发渠道。

作者汉萨科技股份有限公司的首席执行官Morgan Chen-Chih Wang是FanFET存储器和数字逻辑相关专利的研发者之一。

原文链接：

https://www.eetimes.com/the-concept-of-a-new-transistor-fanfet-technology-applied-to-3d-nand-flash/#

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