nand flash位宽 NAND Flash浮栅晶体管的结构，工作原理及其局限性-行情-上海羊羽卓进出口贸易有限公司

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

发布时间 : 2025-01-19

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

NOR Flash主要厂商及产品

一、2020第一季NOR Flash厂商市占排名

据集邦咨询2020第一季NOR Flash厂商市占数据，NOR Flash营收市占第一是旺宏，其制程在业界相对领先，目前采用55nm制程生产，月产能约在20K左右。由于该公司NOR Flash产品线完整，从低容量至高容量齐备，尤其看中未来5G基站的商机，512Mb的NOR Flash将是旺宏生产的主要产品之一，为产业当中少数提供大容量的解决方案。

排名第二的华邦电紧追在后，目前是使用58/90nm制程，每月产能约在18K。

排名第三则是中国的兆易创新，近几年无论在产品质量与产出量方面都有明显跃进，甚至拿下Apple的AirPods订单，其研发实力已被肯定，月产能约9K，分别在中芯国际（SIMC）与华力微投片生产。值得注意的是，兆易创新集团与长鑫存储（CXMT）有紧密合作，意味着兆易创新集团同时握有中国NOR Flash与DRAM的自主研发能力，扮演中国半导体发展的重要角色。

二、NOR 市场增量来源

带动NOR Flash市场增量的原因主要有以下三点，首先，TWS近几年出货量上升，2020E年TWS耳机出货量接近250百万副。

其次全球智能手机面板与OLED也是带动增量的重要原因， 2020E年智能手机出货量达到1788百万台，此外，AMOLED出货量达到715.2百万颗，带动NOR 市场增量443.42百万元。

AI-IoT的高速发展也为NOR市场增量助力，带动增量2600.78百万元。最后，5G的普及率提高，成为NOR市场增量的主要推手，其贡献市场增量达6011.84百万元。

三、NOR主要厂商及产品

电子发烧友梳理了NOR Flash主要厂商及其产品，其中旺宏、华邦、武汉新芯等厂商在NOR Flash领域占有重要地位，英飞凌收购Cypress后，其Serial NOR Flash产品运用于汽车导航与娱乐系统。此外，国内的兆易创新NOR Flash营收排在第三位，具有研发、生产、销量NOR相关产品能力，具体详情见下表。

旺宏

旺宏电子从512KB到256Mb的密度在一个8-pin SOP（采用150mil，200mil）或16引脚SOP封装（300 mil）的串行闪存产品。这些设备，在X1组织提供，支持读取，擦除和编程操作。这些产品采用串行外设接口（SPI）协议。旺宏串行闪存不仅有利于系统的硬件配置，但也降低了系统设计的复杂性。我们的操作过电压范围为2.7V至3.6V 3V产品。现在可从512KB到256Mb的所有产品。

此外，旺宏电子与双I / O和四I / O操作，它的两倍和四倍读取性能到300Mbits/second的高端消费类应用，还提供了高性能的串行闪存产品。在时钟的上升沿和下降沿触发，DTR（双传输速率）模式，进一步提高读取速度400Mbits/second。多个I / O产品提供容量为8MB及以上。旺宏电子也提供了一系列低电压，1.8V和2.5V的双I / O和四I / O接口的串行闪存产品。

旺宏电子为3V，1.8V和5V的行业标准并行快闪记忆体产品提供了一个广泛的产品线，从2Mb到1Gb密度。这些产品具有引导和统一的部门架构在x8，x16，和x8/x16可选配置。旺宏快闪记忆体，为客户提供符合成本效益，高性能和可靠的产品，提供低功耗，高耐用性和可靠性。

旺宏电子3V并行闪存产品都可以在两个的版本：MX29LV系列（标准的读访问）和MX29GL MX68GL系列（页面模式访问）。旺宏电子还提供了1.8V以下并行闪存产品：MX29SL（标准访问），MX29NS（突发模式下，AD-MUX），和MX29VS（突发模式，同步读写，AD-MUX）。

提供8位、16位、8位/16位可选的数据传输方式。电源电压有5V，3V和1.8V。MX29GL系列产品提供先进的页模式接口，在读访问和编程操作上都进行了优化，用户可以使用页模式连续读取多个数据。

华邦

1.2V Serial NOR Flash

华邦推出支援最新业界标准低电压1.2V，且能支援dual、quad SPI 和Quad Peripheral Interface (QPI) 的NOR Flash是前所未见的。W25QxxND 1.2V系列产品跟既有3V和1.8V的闪存产品具有相当的操作效能，且能进一步的节省功耗。对于由电池供电且设计空间有限的装置，像是行动装置、物联网和穿戴式装置，和对于需要省电且低功耗的闪存，W25QxxND 1.2V系列产品提供2mm x 3mm USON8、narrow 150mil SOP8、6x5mm WSON 8-pin封装和KGD (Known Good Die)。1.2V系列产品可延伸操作到1.5V，利用单颗干电池即可运作，不像一般需将两个电池串联到3V才可操作的设计。

2、W25X 与W25Q

台湾华邦的W25X 与W25Q SpiFlash® Multi-I/O记忆体支援通用的SPI介面，容量从512Kb 到 512Mb，具有小容量分割的可擦除区块与业界操作效能。W25X系列支援Dual-SPI双线输出入模式，相当于将原本标准SPI的操作频率变为两倍。

W25X系列支援Dual-SPI双线输出入模式，相当于将原本标准SPI的操作频率变为两倍。W25Q系列是25X系列的进阶版，可支援Quad-I/O SPI四线输出入模式提供更高的效能，操作频率104MHz同等于416MHz(50M-Byte/S传输率)，相当于是一般单线SPI操作的4倍效能。W25Q系列不但效能超过Parallel flash，还提供更少脚位的封装。

更快的传输率代表控制器可以直接透过SPI介面与闪存做晶片内执行(XIP, eXecute In Place)，或是加快复制代码到RAM使开机速度加快。除此之外，部分SpiFlash®支援QPI (Quad Peripheral Interface)让指令集可更快的传输，加快XIP的传输效率。另外更小的封装，更利于对设计空间有限的手持和行动装置应用。

武汉新芯

武汉新芯推出50nm Floating Gate工艺SPI NOR Flash宽电压产品系列XM25QWxxC。该产品系列支持低功耗宽电压工作范围，适用于物联网、可穿戴设备和其它功耗敏感应用产品设计方案。

XM25QWxxC系列产品的读速在1.65V至3.6V电压范围内可达108MHz（在所有单/双/四通道和QPI模式下均支持），提供比其他供应商更快更强的性能，在电源电压下降后，时钟速度没有任何减慢。其传输速率优胜于8位和16位并行闪存。在连续读取模式下可以实现高效的存储器访问，仅需8个时钟的指令周期即可读取24位地址，从而实现真正的XIP（execute in place）操作。

XM25QWxxC系列flash芯片支持SOP8和USON8封装，适用于便携式产品设计。

XM25QH256B

单一电压供应，电压：2.7V至3.6V，用于快速读取操作最高为133 MHz，灵活的存储体系结构，扇区大小：4K字节

兆易创新

GigaDevice 提供超低功耗闪存系列，具有零深度待机电流

GIGADEVICE 提供 GD25WD 系列，具有零深度待机电流和低有源读取电流，适用于低功耗应用。GD25WD 系列亮点包括零待机电流和 1.65 V 至 3.6 V 的宽电压范围。128 位唯一 ID 功能还为低功耗应用提供增强的安全性。电压为1.65 V 至 3.6 V，密度为512 Kb ~ 8 Mb，采用单/双 SPI接口，双 SPI 数据传输速率高达每秒 160 Mb，还有灵活的内存架构（扇区大小：4K 字节，块大小：32/64K 字节），高可靠性，20 年数据保留和 100,000 次编程/擦除周期。

Micron

Micron Technology 串行 NOR 解决方案专为满足消费电子、工业、有线通信和计算应用需求而设计。Micron 的行业标准封装、引脚分配、指令集和芯片组兼容性易于为设计采用，节省了宝贵的开发时间，同时确保与现有和未来设计的兼容性。

多 I/O（单、双和四通道）串行 NOR 线路具有吸引人的读取性能（高达 54 MB/s）、灵活的存储器分区（均匀 64 KB 和 4 KB）、小型封装尺寸以及宽封装支持。N25Q 基于 65 nm 技术，采用 1.8 V 和 3 V 电源供电，也提供汽车级版本。N25Q 可兼容 M25P 和 M25PX 系列。

英飞凌

对于专注于保护信息和维护系统完整性的客户来说，拥有安全的连接系统是头等大事。随着系统越来越依赖外部NOR Flash来保护连接系统中的代码和数据，对内存中添加高级密码安全性的需求也越来越大。英飞凌表示，它的Semper Secure NOR Flash架构为其功能安全的Semper产品添加了一个安全子系统，以实现端到端的持久保护，并有效地保护系统不受损害。

Semper Secure NOR Flash系列包括AEC-Q100汽车认证设备，扩展温度范围为-40°C至+125°C，支持1.8-V和3.0-V工作范围，并提供128 Mb、256 Mb和512 Mb的密度。Semper Secure NOR Flash的设计完全符合ISO 26262标准，并符合ASIL-B标准，可用于ASIL-D之前的系统中。实施的EnduraFlex架构通过优化高耐久性或长数据保留分区简化了系统设计。设备提供四串行外围接口（SPI）、八进制SPI和hybibus接口。八进制和超总线接口设备符合用于高速x8串行NOR闪存的JEDEC扩展SPI（xSPI）标准，并提供高达400mbps的读取带宽。

恒烁

恒烁半导体可提供具有通用SPI接口的Flash存储器，主要产品为1.8V工作电压的ZB25LD/ZB25LQ系列，3.0V工作电压的ZB25VQ/ZB25D系列，以及1.8/3.3V宽工作电压的ZB25WD/ZB25WQ系列。可供选择的容量大小为1Mbit到256Mbit。

配合最高133MHz的工作频率，和标准、双口和四口的工作模式，恒烁半导体的SPI NOR Flash产品可支持高达到（Dual）266MHz和（Quad）532MHz的数据交换速度。

恒烁半导体SPI NOR Flash产品的静态电流最低至1uA，数据保持时间20年，擦写次数可达10万次，工作温度范围-40℃～105℃。产品具有可靠性高，功耗低，和先进的安全特性，应用范围涵盖了DVD/CD drives，STB，DPF，Desktop和Notebook PC，DVD Recorders，WLAN，DSL，LCD Monitors，Flat Panel TV，Printers，GPS，MP3等等。

复旦微电子

复旦微电子拥有丰富的NOR Flash设计经验，现可提供通用SPI接口Flash存储器:2.3V~3.6V工作电压范围的FM25F/FM25Q系列及1.65V~3.6V款工作电压范围的FM25W系列。产品具有高可靠性及高安全性，应用范围涵盖了手机，网通、安防，PC，物联网，显示面板，办公设备及工控产品等。

产品特性：

● 容量: 0.5Mbit到256Mbiit

● 多种接口模式：SPI，Dual SPI，Quad SPI，QPI

● 工作电压：1.65V-3.6V（FM25WXX），2.3V-3.6V(FM25FXX/FM25QXX)

● 可靠性：数据保持时间20年，擦写寿命10万次

● 小型化封装：SOP8(208mil)，SOP8(150mil)，DFN8，WLCSP

● 安全特性：硬件写保护，32Byte安全扇区，128bit UID

中天弘宇

中天弘宇集成电路有限责任公司拥有丰富的NOR Flash设计经验，现可提供通用SPI接口Flash存储器，工作电压在1.08V~3.6V的范围。产品具有高可靠性及高安全性。

产品特性：1）很小的单个bit颗粒，面积可达4F² 2）规划产品容量256Mbit到4Gbit 3）接口模式：SPI，Dual SPI，Quad SPI , DDR 4）工作电压：1.08V-3.6V 5）可靠性：数据保持时间20年，擦写寿命10万次 6）小型化封装：SOIC，VSOP , WSON, USON, PDIP

东芯

东芯串行NOR FLASH系列产品可提供具有通用SPI接口不同规格的NOR Flash，容量从2Mb到256Mb，3.3V/1.8V两种电压，支持Single/Dual/Quad SPI和QPI四种指令模式以及多种封装方式，可适应多种应用场景。专注在中小容量，性价比高，广泛应用于对存储空间需求不高的设备中。

芯天下

芯天下技术提供业界标准的25 系列串口NOR Flash产品，小型化封装、多容量选择，兼容的指令集，宽电压和高可靠性全面覆盖消费，通讯、工业和个人电脑等应用领域。

1．超低功耗，深度睡眠电流典型值低至 60nA；2．BP位保护、OTP保护、独立block区域保护确保代码安全；3．高可靠性，确保10万次擦写，数据保存时间长达20年；4．支持 1.65~2.1V, 2.7~3.6V, 1.65~3.6V 宽电压，容量1Mb~1Gbit；5．DFN 1.2x1.2x0.40mm，2x3x0.40mm，4x3x0.55mm 等小尺寸封装；6．提供 KGD 产品与服务支持SiP合封需求。

时代芯存

产品概况和性能参数介绍：采用先进的40纳米CMOS工艺制程，芯片尺寸13.74 mm2，存储数据前无需进行擦除动作工作电压+1.8V—+3.6V，SPI接口，最大工作频率133MHz。

产品可靠性参数介绍：产品耐擦写次数大于10^5次，强大的抗辐射性能，25℃数据保存时间20年，工作温度-40℃—+85℃，2kV ESD防静电保护能力。

扬贺扬微电子科技

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。

工作电压范围是2.7至3.6V，工作温度-40℃—+85℃。

芯泽电子科技

芯泽电子科技可提供具有通用SPI接口的Flash存储器，主要产品为ZD25Q和ZD25LQ系列，工作电压为1.8V和3.3V，可供选择的容量大小分别为2Mbit到128Mbit，最高支持105MHz的工作频率，可在双口和四口模式下工作，芯泽电子SPI NOR Flash产品的静态电流最低至1uA，数据保持时间20年，擦写次数可达10万次，工作温度范围-40℃～+85℃。产品具有可靠性高，功耗低，和先进的安全特性，应用范围涵盖了DVD/CD drives，STB，DPF，Desktop和Notebook PC，DVD Recorders，WLAN ，DSL，LCD Monitors，Flat Panel TV，Printers，GPS，MP3 等等。

豆萁科技

豆萁科技SPI NOR FLASH系列产品遵循国际JEDEC标准中关于接口及控制模式的规定，按照JEDEC相关标准进行严格测试。公司采用先进设计技术，优化存储单元的读写操作，实现低功耗和高性能：运行速度快，支持多种擦写模式，擦写次数高达10万次，数据可保存20年以上。通过与上下游密切合作，提供SOP，VSOP，TSSOP，DIP, WSON, BGA，USON等多种封装形式以满足在消费类、工业级和医疗电子等多种应用领域需求。

博雅科技

目前，正在研发的3.0V及1.8V，512 Kbit～256 Mbit高端通用芯片系列产品属国家重点鼓励发展的核心芯片，代表性产品SPI串行闪存已经完成研发设计，性能参数指标已全面通过客户的验证，进入大规模量产阶段。博雅BY25Q128AL工作温度范围为-40至+85℃，采用VSOP8 208mil封装，容量为128M。

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