「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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小白也能看懂 半导体制程工艺生产的秘密

　　昨天三星宣布全新的 10nm LPP 工艺已经投产了，而 LPP 工艺相比骁龙835使用的 LPE 工艺，性能提升了10%，功耗下降了15%。但作为一个辣鸡小编，其实我是看不太懂的，都是10nm制程，怎么还能提升性能呢？这些 LPP、LPE 都是指的什么，还有之前看到的 FinFET 这些词又都指的什么？相信和小编有同样疑问的读者不在少数，索性今天我们就来刨根问底一番，看看现在火热的半导体究竟有哪些秘密。

　　制程的秘密：多少nm很重要吗?

　　摩尔定律大家肯定都知道：每过18个月，单位面积上的晶体管数量增加一倍嘛！然而多年来半导体制程从65nm到32nm，再到28nm，还有近两年的14nm、16nm和10nm，感觉也没什么规律啊！这里我们就需要认识一下尺寸的计算方式，以及“半代升级”和“整代升级”的概念了。

　　首先，单位面积内晶体管数量翻倍并不意味着制程就要缩小一半，缩小一半的话单位面积晶体管数量不就翻4倍吗？所以如果要保证两倍的成长，那么整代升级应该乘以0.7。所以从14nm 到10nm，以及后面从10nm 到7nm，都是遵循了摩尔定律的整代升级。

　　但是在几年以前，我们却经历过一段“半代升级”的风潮，打破了0.7的规律。在 40nm 前后几年，正好是存储器需求飞速发展的时间段，考虑到0.9倍的制程升级就能将闪存容量提升1.24倍，且0.9倍的升级技术简单，半年就能完成，所以不少代工厂开始“半代升级”制程来帮助 NAND 闪存厂商抢占市场。

　　正常来说制程升级应该是45nm—32nm—22nm—14nm—10nm，也就是经典的Tick Tock。但是台积电当年在 45nm 之后却推出40nm，这也迫使英特尔和三星等厂商打破了规律，在2010年前后启用了 NAND 专属的 35nm 制程（有趣的是华为海思四核也用了35nm 制程）。而鸡贼的台积电后来又跳到 28nm，抢占制程高地，这显然让英特尔和三星很不开心，所以后期三星和英特尔都回到了正常的升级策略，并且从那以后，英特尔就一直对半代升级嗤之以鼻（恼羞成怒）。

　　而台积电在坚持了 20nm 和 16nm 两代之后，也主动回到了 10nm 的正轨。原因非常简单，因为 NAND 颗粒并不是制程越小性能越好，20nm 之后就会发生严重的电子干扰，所以在 20nm 制程后，各大厂商都转向了3D NAND 技术（如果大家对闪存有兴趣我们今后也可以科普），再往后大家也不在 NAND 的制程上较劲了。

　　工艺的秘密：这些字母其实很好懂

　　至于后缀的那些英文其实也不难理解，比如 FinFET 工艺（注意哦，多少纳米叫制程，而后缀指的是工艺），这一工艺最早由英特尔在22nm 制程时提出，而现在英特尔、台积电和三星都用的 FinFET 。

　　因为制程中 22nm 是指每个晶体管中两个栅极之间的距离，所以 22nm 并不是指晶体管尺寸，一般一个 22nm 制程的晶体管尺寸高达 90nm ，而栅极间距越小电子流动的时间就越短，所以性能就提升了。但是随着栅极距离越来越小，绝缘效果就会下降导致漏电，所以每经过几代制程升级，就需要有一次工艺升级来解决这个问题。FinFET 之前已经有过High-K、HKMG 等工艺了，而 FinFET 之后，我们还会见证 FD-SOI 、GAA的竞争。

　　至于 FinFET 的原理，它的全称是“鳍式场效晶体管”，简单说来就是讲栅极之间的绝缘层加高，来增强绝缘效果减少漏电现象，是不是觉得挺傻瓜的？但往往是看起来很简单的想法，实现起来却无比困难。

　　说完了 FinFET，我们还有最后一个后缀，就是昨天报道中的 LPP、LPE 了，其实这些指的都是同一代工艺中的不同种类，比如 LPE（Low Power Early） 指早期低功耗工艺，而 LPP(Low Power Plus)指成熟的低功耗工艺，而适用于移动设备的 LP 系列其实还包含 LPC、LPU 。而且这些后缀并不是10nm 专属，三星 FinFET 工艺都是这样的命名方式，比如14nm FinFET 中，骁龙820是 LPP，而骁龙821则是 LPU。

　　并且除了 LP 系列之外，当然还有主打高性能的 HP(High Performance)系列， 这其中又分为很多种，这里就不展开讲了。但是这也只是三星芯片的划分方法，像台积电虽然也是 FinFET 工艺，但是却分为了FinFET Plus、FinFET Compact 等几种。

　　生产的秘密：光刻机被卡脖子啦！

　　说完了技术，我们最后不如落到生产上聊一聊？毕竟随着工艺的提升，对于生产设备的要求也越来越高了，过去各家在蚀刻晶圆的过程中用的都是深紫外光微影系统，简称 DUV，而随着制程超过10nm，现在 DUV 已经满足不了精度要求，这时极紫外光微影系统（EUV）就上线了。

　　说到 EUV 是不是觉得很眼熟？没错，不久前三星刚刚以1.5亿欧元每台的价格从 ASML 订购了10台 EUV ，然而 ASML 这么久也一共才生产了23台，很显然，三星是想在 8nm/7nm 时代抢占先机。这已经不是他们第一次这么做了，当初在 OLED 的发展初期，他们就买走了市面上仅有7台蒸镀机中的5台（蒸镀是OLED 生产中的重要步骤），借此延缓了 LG 和京东方的 OLED 生产计划。

　　总而言之，现在半导体行业在进入10nm 时代之后，无疑将会面临制程、工艺以及生产的三重挑战，未来三星、台积电和 Intel 是会继续三足鼎立，还是会有人旧人掉队、新人加入呢？我们拭目以待！

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