告别FinFET倒计时？

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将越来越多的技术融入不断减少的足迹中的斗争始终存在每个设计师的脑海中。为了应对这一挑战，英特尔通过其最近公布的专利申请表明了其对提高电路密度的兴趣。传统上，该行业遵循摩尔定律描述的轨迹，构建更小的晶体管，设计人员可以更紧密地封装在一起。然而，在此应用中，英特尔建议将 N 型金属氧化物半导体 (NMOS) 和 P 沟道金属氧化物半导体 (PMOS) 晶体管堆叠在一起。

PMOS (a) 和 NMOS (b) 的概述。

图片由MKS提供

在深入研究英特尔的专利申请之前，让我们快速回顾一下我们是如何到达这里的，以及英特尔打算利用它向前发展的叉板晶体管是什么。

告别 FinFET：转向“RibbonFET”和“MBCFET”

工程师最初开发了 FinFET（鳍式场效应晶体管）架构，以改善对平面晶体管的沟道控制。然而，随着互补金属氧化物半导体 (CMOS) 微缩技术不断创造出越来越小的晶体管，即使是 FinFET 的通道控制也变得不充分。 为了进一步改善对晶体管沟道的控制，开发了环栅场效应晶体管（GAAFET）。 GAAFET 栅极完全封闭沟道，以在晶体管关闭时减少泄漏，并在晶体管开启时增加驱动电流，从而继续降低工作电压。

电压降低随 FET 工艺技术变化的图表。

屏幕截图由三星提供

纳米片晶体管是一种GAAFET，其中沟道是平面片。通常，多个纳米片通道垂直堆叠以增加晶体管的有效宽度，从而提供额外的驱动电流。去年，英特尔为其纳米片晶体管技术RibbonFET打上了商标，并将在其 20A 工艺节点中使用 4 条带堆栈将其推向市场。 另一方面，三星将其版本称为多桥通道 FET (MBCFET)，预计将在其 3 nm 节点中投入生产。在了解 FET 技术的进步背景后，让我们来看看 forksheet FET。

你好 Forksheet FET：imec 引领潮流

在 2019 年国际电子设备制造大会上，imec介绍了其Forksheet 晶体管概念。 这种新的 FET 为一堆纳米片晶体管添加了一个自对准的栅极端电介质壁。总体而言，介电壁在 NMOS 和 PMOS 纳米片晶体管之间提供了隔离，允许在 XY 维度上更积极地封装晶体管。 通过将晶体管靠得更近，设计人员可以提高开关速度并降低功耗。

半导体行业晶体管的演变。

图片由imec提供

当尝试在单个纳米片晶体管中垂直堆叠更多纳米片时，叉片设计还声称可以提供一些制造优势。据报道，这些工艺优势包括用于填充功函数栅极金属的简化工艺。 此外，imec 分析估计，forksheet FET 可以提供：单元布局面积减少 20% 速度提高 10%（在恒定功率下）功率降低 24%（恒速）值得注意的是这些新型晶体管设计的命名约定，这仍然是业界的一个问题，因为这些叉板晶体管在英特尔专利中也被称为“nanocombs”。

Forksheet FET 和 GAAFET 的 TEM 图像。

图片由imec提供

2021 年 6 月，imec在 VLSI 技术和电路研讨会 (VLSI 2021) 上首次提供了功能Forksheet FET 的电气演示。22 nm NMOS 和 PMOS 晶体管仅相隔 17 nm，但具有不同的功函数金属栅极。

堆叠Forksheet晶体管

即使具有叉板晶体管制造的优势，该行业仍再次面临 2D 缩放的限制。 进入英特尔最近的 3D 堆叠Forksheet 晶体管专利申请。Intel 建议在 PMOS 上堆叠 NMOS，在 NMOS 上堆叠 PMOS，以进一步减小单元尺寸。

英特尔的堆叠Forksheet 晶体管概念。

图片由美国专利商标局和英特尔提供

基本的 CMOS 逻辑，如反相器和 NAND 和 NOR 门经常共享 NMOS 和 PMOS 门对的相同电气节点。因此，这种类型的堆叠可以提高封装密度，这通常会导致速度增加和功率降低。 在专利申请中，英特尔还描述了制造这些堆叠设备的示例流程。 与所有现代 CMOS 工艺一样，简化的描述包括许多复杂的步骤，包括自对准双重或四重图案化、伪栅极形成和去除以及选择性外延层生长。 虽然本文不会深入探讨这一工艺的评估，但这种新的晶体管技术声称将推动新的应用范围。

Forksheet FET：开启应用世界

英特尔的堆叠Forksheet FET 专利申请距离设备演示还有很长的路要走，更不用说大批量制造了。然而，速度、功率和密度方面的潜在优势使得英特尔可能会积极追求这种集成方法是可以理解的。 此外，正如专利申请所指出的那样，如果他们成功了，我们有一天可能会在许多领域中堆叠Forksheet FET，例如：处理器（甚至加密处理器）记忆DSP（数字信号处理器） 触摸屏显示器无线通讯芯片全球定位系统 (GPS) 设备英特尔在其用途清单中指出，这些领域只是杯水车薪。如果申请获得批准，英特尔可能需要未来的专利保护。

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NAND Flash与NOR Flash究竟有何不同｜半导体行业观察

来源：内容由 微信公众号 半导体行业观察 （ID：icbank） 翻译自「embedded」，作者 Avinash Aravindan，谢谢。

嵌入式系统设计人员在选择闪存时必须考虑许多因素：使用哪种类型的Flash架构，是选择串行接口还是并行接口，是否需要校验码（ECC）等。如果处理器或控制器仅支持一种类型的接口，则会限制选项，因此可以轻松选择内存。但是，情况往往并非如此。例如，一些FPGA支持串行NOR闪存、并行NOR闪存和NAND闪存来存储配置数据，同样，它们也可以用来存储用户数据，这使得选择正确的存储器件更加困难。本文将讨论闪存的不同方面，重点放在NOR闪存和NAND闪存的差异方面。

存储架构

闪存将信息存储在由浮栅晶体管制成的存储单元中。这些技术的名称解释了存储器单元的组织方式。在NOR闪存中，每个存储器单元的一端连接到源极线，另一端直接连接到类似于NOR门的位线。在NAND闪存中，几个存储器单元（通常是8个单元）串联连接，类似于NAND门（参见图1）。

NOR Flash（左）具有类似NOR门的架构。NAND Flash（右）类似于NAN

NOR Flash架构提供足够的地址线来映射整个存储器范围。这提供了随机访问和短读取时间的优势，这使其成为代码执行的理想选择。另一个优点是100％已知的零件寿命。缺点包括较大的单元尺寸导致每比特的较高成本和较慢的写入和擦除速度。

相比之下，与NOR闪存相比，NAND闪存具有更小的单元尺寸和更高的写入和擦除速度。缺点包括较慢的读取速度和I / O映射类型或间接接口，这更复杂并且不允许随机访问。值得注意的是，NAND Flash中的代码执行是通过将内容映射到RAM来实现的，这与直接从NOR Flash执行代码不同。另一个主要缺点是存在坏块。NAND闪存通常在部件的整个生命周期内出现额外的位故障时具有98％的良好位，因此，器件内需要ECC功能。

存储容量

与NOR闪存相比，NAND闪存的密度要高得多，主要是因为其每比特成本较低。NAND闪存通常具有1Gb至16Gb的容量。NOR闪存的密度范围从64Mb到2Gb。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于数据存储应用。

擦除/读写

在NOR和NAND闪存中，存储器被组织成擦除块。该架构有助于在保持性能的同时保持较低的成本，例如，较小的块尺寸可以实现更快的擦除周期。然而，较小块的缺点是芯片面积和存储器成本增加。由于每比特成本较低，与NOR闪存相比，NAND闪存可以更经济高效地支持更小的擦除块。目前，NAND闪存的典型块大小为8KB至32KB，NOR Flash为64KB至256KB。

NAND闪存中的擦除操作非常简单，而在NOR闪存中，每个字节在擦除之前都需要写入“0”。这使得NOR闪存的擦除操作比NAND闪存慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要3.5ms才能擦除128KB块，而NOR闪存S70GL02GT则需要约520ms来擦除类似的128KB扇区。这相差近150倍。

如前所述，NOR闪存具有足够的地址和数据线来映射整个存储区域，类似于SRAM的工作方式。例如，具有16位数据总线的2Gbit（256MB）NOR闪存将具有27条地址线，可以对任何存储器位置进行随机读取访问。在NAND闪存中，使用多路复用地址和数据总线访问存储器。典型的NAND闪存使用8位或16位多路复用地址/数据总线以及其他信号，如芯片使能，写使能，读使能，地址锁存使能，命令锁存使能和就绪/忙碌。NAND Flash需要提供命令（读，写或擦除），然后是地址和数据。这些额外的操作使NAND闪存的随机读取速度慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要30μS，而NOR闪存S70GL02GT需要120nS。因此，NOR比NAND快250倍。

为了克服或减少较慢读取速度的限制，通常以NAND闪存中的页方式读取数据，每个页是擦除块的较小子部分。仅在每个读取周期开始时使用地址和命令周期顺序读取一页的内容。NAND闪存的顺序访问持续时间通常低于NOR闪存设备中的随机访问持续时间。利用NOR Flash的随机访问架构，需要在每个读取周期切换地址线，从而累积随机访问以进行顺序读取。随着要读取的数据块的大小增加，NOR闪存中的累积延迟变得大于NAND闪存。因此，NAND Flash顺序读取可以更快。但是，由于NAND Flash的初始读取访问持续时间要长得多，两者的性能差异只有在传输大数据块时才是明显的，通常大小要超过1 KB。

在两种Flash技术中，只有在块为空时才能将数据写入块。NOR Flash的慢速擦除操作使写操作更慢。在NAND Flash中，类似于读取，数据通常以页形式编写或编程（通常为2KB）。例如，单独使用NAND闪存S34ML04G2 写入页面需要300μS。

为了加快写入操作，现代NOR Flashes还采用类似于页面写入的缓冲区编程。例如，前文所述的NOR闪存S70GL02GT，支持缓冲器编程，这使其能够实现与单词相似写入超时多字节编程。例如，512字节数据的缓冲区编程可以实现1.14MBps的吞吐量。

能耗

NOR闪存在初始上电期间通常需要比NAND闪存更多的电流。但是，NOR Flash的待机电流远低于NAND Flash。两个闪存的瞬时有功功率相当。因此，有效功率由存储器活动的持续时间决定。NOR Flash在随机读取方面具有优势，而NAND Flash在擦除，写入和顺序读取操作中消耗的功率相对较低。

可靠性

保存数据的可靠性是任何存储设备的重要性能指标。闪存会遭遇称为位翻转的现象，其中一些位可以被反转。这种现象在NAND闪存中比在NOR闪存中更常见。出于产量考虑，NAND闪存随附着散布的坏块，随着擦除和编程周期在NAND闪存的整个生命周期中持续，更多的存储器单元变坏。因此，坏块处理是NAND闪存的强制性功能。另一方面，NOR闪存带有零坏块，在存储器的使用寿命期间具有非常低的坏块累积。因此，当涉及存储数据的可靠性时，NOR Flash具有优于NAND Flash的优势。

可靠性的另一个方面是数据保留，这方面，NOR Flash再次占据优势，例如，NOR Flash闪存S70GL02GT提供20年的数据保留，最高可达1K编程/擦除周期，NAND闪存S34ML04G2提供10年的典型数据保留。

编程和擦除周期的数量曾是一个需要考虑的重要特性。这是因为与NOR闪存相比，NAND闪存用于提供10倍更好的编程和擦除周期。随着技术进步，这已不再适用，因为这两种存储器在这方面的性能已经很接近。例如，S70GL02GT NOR和S34ML04G2 NAND都支持100,000个编程 - 擦除周期。但是，由于NAND闪存中使用的块尺寸较小，因此每次操作都会擦除较小的区域。与NOR Flash相比，其整体寿命更长。

表1提供了本文中讨论的主要内容摘要。

NOR闪存和NAND闪存的主要特性与一般和具体比较数据的比较。

通常，NOR闪存是需要较低容量、快速随机读取访问和更高数据可靠性的应用的理想选择，例如代码执行所需。NAND闪存则非常适用于需要更高内存容量和更快写入和擦除操作的数据存储等应用。

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