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

发布时间 : 2024-10-09

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

长江存储128层TLC闪存拆解：存储密度高达848Gbmm²，远超三星等

去年4月，国产存储芯片厂商长江存储（YMTC）宣布其128层3D NAND 闪存研发成功。包括拥有业界最高单位面积存储密度，最高I/O传输速度和最高单颗NAND 闪存芯片容量的1.33Tb 128层QLC 3D NAND闪存，以及512Gb 128层TLC闪存。

近日，国外权威研究机构Tech Insights对长江存储的128层TLC 3D闪存进行了芯片级的拆解，发现其存储密度达到了目前业界最高的8.48 Gb/mm²，远高于三星、美光、SK海力士等一线NAND芯片大厂。

据介绍，Tech Insights拆解的是Asgard（阿斯加特）的PCIe4.0 NVMe1.4 AN4 1TB SSD，其内部采用的正是长江存储的128层TLC 3D NAND 闪存芯片，这也意味着长江存储128层TLC 3D NAND 闪存芯片已量产。该SSD硬盘的PCB上总共四颗256GB NAND闪存，单个封装内是4颗芯片，也就是说单颗芯片容量为512Gb。该NAND闪存的型号为YMN09TC1B1HC6C（日期代码：2021 9W）。

△长江存储512 Gb 128层3D TLC NAND 芯片的外观，型号为YMN09TC1B1HC6C

根据长江存储此前公布的数据显示，在传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，这也使得芯片的存储密度大幅降低。而随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路所占据的芯片面积或将达到50%以上。而Xtacking技术则是将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。

所以，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC芯片同样也是采用了两个晶圆来集成3D NAND，因此拆解后可以找到两个die，一个用于NAND阵列的die，另一个用于CMOS外围电路的die。

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND die标记（ CDT1B）

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND芯片COMS外围的die标记（CDT1A 或 CDT1B）

作为对比，上一代的64层 Xtacking 1.0架构的TLC NAND die标记为（Y01-08 BCT1B）和 CMOS外围电路die 标记为（Y01A08 BCT1B）。

根据Tech Insights的实测，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC的die尺寸为60.42mm²，这也意味着其单位密度增加到了8.48 Gb/mm2，比 256Gb 64层的Xtacking 1.0 die 高出了92% 。读取速度达到了7500 MB/s，写入速度也高达5500 MB/s。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND的die平面图

CMOS外围电路die则集成了页缓冲器、列解码器、电荷泵、全局数据通路和电压发生器/选择器。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的CMOS外围电路die平面图

Tech Insights称，长江存储128层Xtacking 2.0单元体系结构由两个通过层接口缓冲层连接的层组成，这与KIOXIA 112L BiCS 3D NAND结构的过程相同。单元大小、CSL间距和9孔VC布局与以前的64L Xtacking 1.0单元保持相同的设计和尺寸（水平/垂直方向间距）。门的总数为141（141T），包括用于TLC操作的选择器等。

△垂直方向的长江存储3D NAND单元结构，以及注释为32L（T-CAT带39T）、64L（Xtacking 1.0带73T）和128L（Xtacking 2.0带141T）的门的总数。

Tech Insights表示，长江存储128层Xtacking 2.0上层有72个钨闸门，下层有69个闸门。包括BEOL Al、NAND die和外围逻辑管芯在内的金属层总数为10，这意味着与64L Xtacking 1.0工艺集成相比，外围逻辑管芯中增加了两个铜金属层。通道VC孔高度增加一倍，为8.49µm。

△长江存储三代3D NAND的比较：Gen1（32L）、Gen2（64L，Xtacking 1.0）和Gen3（128L，Xtacking 2.0）。

与三星（V-NAND）、美光（CTF CuA）和 SK海力士（4D PUC）的现有128层512 Gb 3D TLC NAND 芯片的die尺寸相比，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的die尺寸更小，单位密度最高。

长江存储128层TLC NAND die平面布置图和两层阵列结构与美光和SK海力士相同，但长江存储的每个字符串的选择器和虚拟WL数为13，小于美光和SK 海力士（两者均为147T）。由于长江存储所采用的Xtacking混合键合方法，使得其使用的金属层数量远高于其他产品。

△128层512 Gb 3D TLC NAND产品的比较，包括刚刚发布的YMTC 128L Xtacking 2.0 3D NAND。

从上面的对比数据来看，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的单位存储密度达到了8.48b/mm²，远高于三星的6.91Gb/mm²、美光的7.76Gb/mm2、SK海力士的8.13Gb/mm²，达到了目前业界最高单位存储密度。

目前长江存储Xtacking 2.0架构的512Gb 128层TLC NAND芯片已量产。虽然三星、SK海力士、美光等厂商也在致力于开发176层3D NAND闪存芯片，但是他们目前最先进的量产产品还是128层。

作为一家成立仅数年的国产NAND Flash闪存芯片厂商，长江存储在国外巨头已领跑数十年的存储技术领域，能够在如此短的时间内追赶上来，并且取得技术上的领先，实属不易。

编辑：芯智讯-浪客剑资料来源：Tech Insights

NAND Flash浮栅晶体管的结构、工作原理及其局限性

长江存储128层TLC闪存拆解：存储密度高达848Gbmm²，远超三星等

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