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电荷捕获技术nand NAND Flash浮栅晶体管的结构，工作原理及其局限性

发布时间 : 2024-11-24

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

美光存储的新进展

在本月初，美光公布了截止到12月3日的2021财年第一季度财报。财报显示，公司在本季度的收入达到57.7亿美元，同比增长12％。在净收入方面则同比增长63.5％到8.03亿美元。据美光总裁兼首席执行官Sanjay Mehrotra在财报会上所说：“内存和存储行业的营收增长速度超过了整个半导体行业，从2000年初的约10％增长到现在的近30％。”

美光执行副总裁兼首席商务官Sumit Sadana 先生在日前的一场媒体会上也告诉半导体行业观察记者，展望下一个十年，我们可以看到半导体产业的增长将会比全球的GDP增长更快。尤其是在包括DRAM和NAND Flash在内的存储产业，这个成长需求将会更高。这主要得益于类似云、边缘智能、5G基础设施、工业物联网和智联汽车在内的新趋势带来的推动。

2021年的全球存储市场预测

“这将给美光创造很多新的机会”，Sumit Sadana补充说。

广泛的产品布局

众所周知，美光是一个以存储技术闻名的企业，尤其是DRAM产品，更是美光得以傲视存储市场的重要倚仗。根据公司最新一季的财报，DRAM贡献了70％左右的营收（约40.56亿美元），当中不但包括了大家广为熟悉的DDR和LPDDR产品，并推出了类似LPDDR5这些新产品外。美光还有HBM2E和GDDR等技术，其中最近针对AI和GPU对高带宽需求而推出的GDDR6X更是创下了记录。

2020年9月，美光与图形计算技术领导者 NVIDIA 合作，首次在全新的 NVIDIA GeForce RTX 3090 和 GeForce RTX 3080 图形处理器（GPU）中搭载了GDDR6X。据美光介绍，自 2006 年起，公司的工程师和研究人员已开始探索在内存接口应用多级信号技术。在申请了 45 项专利后，美光率先在内存中应用 PAM4，为下一代图形内存树立了新标杆。

美光表示，通过采用 PAM4 多级信号技术，他们的GDDR6X实现了更快的数据传输，输入/输出 (I/O) 数据速率提升了一倍。从他们的介绍我们得知，此前，显存带宽最高可达 64 GB/s，传统二进制标准依赖两级信号传输编码为 1s 或 0s 的数据，每周期可传输一位数据。而美光新型的 PAM4 技术采用四个不同层级，同时向内存输入及输出两位数据。由此，美光的 GDDR6X 将单颗粒的内存带宽显著提升至 84 GB/s，从而使系统带宽提升为之前无法想象的1 TB/s。

此外，GDDR6X实现了更低的单任务能耗 (pJ/bit)，通过更快的速度和更低的功耗，满足游戏和其他高带宽图形应用等高能耗工作负载。GDDR6X 还具有调整功耗高低的功能用户可调低性能节省能耗。

NAND Flash则是美光第二大营收来源，财报显示，来自这个业务部门的营收在公司总营收中占比27%（约15.74亿美元）。这主要得益于公司在QLC NAND方面布局。而这又是美光存储的另一个“杀手锏”。

熟悉存储产业的读者应该知道，NAND Flash有四种架构，分别是SLC，MLC，TLC和QLC，分别代表一个存储单元里里可存放1、2、3和4位元的数据。其中LC储存单元中储存的更多的元数据，消费者可以用更低的价格获得更多的容量！但代价是降低效能和寿命，为此当前大多数闪存公司都是选用TLC。但美光表示，公司先进的QLC技术，克服了SSD成本过高的问题，保留了强大效能，无论是实时分析，机器学习或人工智能应用，QLC NAND都将成为最得力助力。

财务数据显示，在2020年第二财季，美光QLC SSD的位出货量环比增长60％，当中相当一部分消费类SSD现在采用QLC技术发货。由此可以看到美光的QLC NAND Flash技术在市场上的认可度的提升。

除了以上两种产品外，美光还有3D XPoint的布局。按照美光所说，他们是市场上唯一同时拥有DRAM、NAND Flash和3D Xpoint存储产品线的企业。所谓3D XPoint，是一项旨在填补动态DRAM和 NAND 闪存之间的存储市场空白的技术。

2019年10月，美光终于推出号称世界上最快的SSD--美光X100 SSD，这是3D XPoin技术在非易失性存储器领域的突破。按照他们介绍，这个产品在当时拥有高性能本地存储、业界最高的带宽、超低延迟、应用程序加速、小型存储中的高性能和易于采用等特性。虽然这个产品的销售并不尽如人意，但从多方消息看来，美光会继续在上面进行投入，将其拓宽到更多的领域。

在存储方面，美光还有Nor Flash等技术，这些高性能的产品被应用到了汽车等多个领域，而为了保护客户的安全，美光还提供了业界领先的安全技术。如由美光所提供的Authenta技术，可以让美光与生态体系的不同伙伴一起合作，是的设备在大规模部署出去的时候，都是安全的，不会受到黑客或者是网络安全、网络威胁相关事情的影响。

新存储技术亮相

能在存储领域保持多年的领先地位，深厚的技术积累和因应市场需求推出高性价比的产品在其中发挥了重要的作用，例如最近，美光推出的全新NAND Flash和DRAM技术，就为他们迎来数据爆发新时代做好了准备。

首先看NAND Flash方面。正如很多文章里所说，为了提升NAND Flash的存储密度，在过去多年里，行业厂商已经从2D NAND走向了3D NAND，并在最近几年的发展中，将3D NAND Flash的层数和密度进一步提升。在2020年11月，美光宣布已批量出货全球首款 176 层 3D NAND 闪存，这又一次刷新了行业的记录。

据介绍，该款 176 层 NAND 产品采用美光第五代 3D NAND 技术和第二代替换栅极架构，是市场上最先进的 NAND 技术节点。与美光的上一代大容量 3D NAND 产品相比，176 层 NAND 将数据读取和写入延迟缩短了 35% 以上，极大地提高了应用的性能。（对比数据基于美光大容量浮动栅极 96 层 NAND。如对比 128 层替换栅极 NAND，美光 176 层 NAND产品的数据读取和写入延迟均降低 25% 以上）。因为采用紧凑型的设计，美光176 层 NAND的裸片尺寸比市场最接近同类产品缩小近 30%，是满足小尺寸应用需求的理想解决方案。

美光技术与产品执行副总裁 Scott DeBoer 则指出：“美光的 176 层 NAND 树立了闪存行业的新标杆，与最接近的竞争对手同类产品相比，堆叠层数多出近 40%。结合美光的 CMOS 阵列下 (CMOS-under-array) 架构，该项技术帮助美光继续在成本方面保持行业领先优势。”

与此同时，同时，美光还将 NAND 单元技术从传统的浮动栅极过渡到电荷捕获，提高了未来 NAND 的可扩展性和性能。除了电荷捕获技术，美光还采用了替换栅极架构，利用其中的高导电性金属字线取代硅层，实现了出类拔萃的 3D NAND 性能。采用该技术后，让美光将大幅度降低成本，继续领跑业界。

其次再看DRAM方面，为了进一步提升其密度、功耗和性能，美光领先于业界推出了 1α DRAM制程技术。

据介绍，美光的1α节点继续使用6F2位线设计。但公司已经实施了许多创新，以采用最新的制造工艺来缩小其DRAM。从数据来看，如上图所示，对比其上一代的 1z DRAM 制程，美光1α 技术将内存密度提升了 40%，还能使内存解决方案更节能、更可靠，并为需要最佳低功耗 DRAM 产品的移动平台带来运行速度更快的 LPDDR5。据美光方面透露，1α 技术能为移动行业提供最低功耗的 DRAM 平台，实现了 15% 的节能，使 5G 用户在不牺牲续航的同时能在手机上进行更多任务操作。

美光指出，1α 先进内存节点提供 8Gb 至 16Gb 的密度，将助力美光现有的 DDR4 和 LPDDR4 系列产品延长生命周期，并能为美光在服务器、客户端、网络和嵌入式领域的客户提供更低功耗、更可靠的产品及更全面的产品支持，从而降低客户再次验证的成本。对于具备较长产品生命周期的汽车嵌入式解决方案、工业 PC 和边缘服务器等应用场景而言，美光的1α 制程同样保证了在整个系统生命周期内更具优势的总体拥有成本。

关于缺货、EUV和其他

在存储产业，现在的关注热点除了缺货、涨价和产能规划外，DRAM产业对EUV的采用也是另一个重点。针对这些问题，美光执行副总裁兼首席商务官Sumit Sadana 先生在日前的举办的媒体会上都做了一一回答。

首先在存储缺货问题上，Sumit Sadana 回应道，在疫情一开始的时候，美光发现来自汽车行业或者是智能手机行业的需求是下降的。但是到后来，他们看到这方面的需求也大幅度复苏。现在，美光看到针对半导体的设备，汽车客户、PC客户，还有客户端设备的生产客户，他们都有非常强劲的需求。这也影响到了存储产品的的供需平衡。

“我们的确是在某些DRAM的业务方面出现了紧缺的现象，一些运营状况受到了影响。比如说在2021年自然年的第一季度，我们已经看到某一些DRAM产品的价格有所上涨。在整个2021年自然年，我们认为这个需求不断上升的趋势只会持续下去，所以供给紧俏的现象也还会持续下去，因为整个市场就是处在供不应求的状态”，Sumit Sadana 告诉记者。

他同时表示，在NAND技术方面这部分的情况就不太相同。他指出，目前市场上的NAND供应还是充足的。不过随着价格的浮动，美光认为NAND这方面的产品也会出现价格弹性，但市场会自行调节，NAND的产能也会随之有所调整。纵观2021年，美光相信NAND的产能也会稳定下来。

在问到美光对于将EUV光刻机引入到DRAM的规划的时候，Sumit Sadana 强调，美光一直持续在评估EUV的技术，也与生产EUV基台工具的厂商在合作。但目前还是处在研发的模式之下。公司目前对EUV的态度是评估什么时候是最佳的时机——最具成本效益和经济效益的节点，到那时，美光可以将EUV技术纳入公司的产品组合里面。

但他也指出，美光一直都能够引领业界的技术，特别是在使用多重曝光浸润式光刻（multi-patterning immersion lithograph）的部分，所以我们在DRAM的部分，在不同的节点上都可以更有成本效益。

“公司在多重曝光浸润式光刻方面的技术非常成熟，所以我们认为不需要过早引进EUV的技术”，Sumit Sadana 强调。

在谈到中国存储公司崛起带来的潜在影响的时候，Sumit Sadana表示，美光对此也保持关注。他同时也指出，公司在其中要关注的还不只是竞争对手技术方面的发展，还需要去关注他们的制程技术，以及是不是能够大规模量产？量产的可靠性如何？是不是能够符合客户所期待和所要求的品质等问题。

而为了更好地应对市场对存储的需求，美光希望持续投入资本去发展公司的存储产业。当中的一部分资本支出支撑他们搭建更多的晶圆厂空间，更多的无尘室/洁净室（clean room space），因为每一代新的技术会使用到的工具、机台都越来越多，只有这样做这才能达成美光所有的晶圆都是在最好的状态下开始生产的目的。除此之外，美光一部分的资本支出会用来扩充美光内部做封测的一些设施。

随着新兴应用的蓬勃发展，一个属于存储的新时代正式崛起。全新的市场竞争格局又给当中的供应商带来了前所未有的机遇与挑战。而美光似乎已经做好了充分准备

NAND Flash浮栅晶体管的结构、工作原理及其局限性

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