你知道NAND快閃記憶體的種類和對比?

由於快閃記憶體的成本取決於其裸片面積，如果可以在同樣的面積上存儲更多數據，快閃記憶體將更具成本效益。NAND快閃記憶體有三種主要類型：單層單元(SLC)、多層單元(MLC)和三層單元(TLC)。顧名思義，在相同的單位面積上，TLC快閃記憶體比MLC存儲的數據更多，而MLC又比SLC存儲的數據多。另一種新型的NAND快閃記憶體稱為3D NAND或V-NAND(垂直NAND)。通過在同一晶圓上垂直堆疊多層存儲單元，這種類型的快閃記憶體可以獲得更大的密度。

浮柵電晶體

快閃記憶體將信息存儲在由浮柵電晶體組成的存儲單元中。為了更好地理解不同類型的NAND快閃記憶體，讓我們來看看浮柵電晶體的結構、工作原理及其局限。

浮柵電晶體或浮柵MOSFET(FGMOS)跟常規MOSFET非常類似，有一點不同的是它在柵極和溝道之間添加了額外的電絕緣浮柵。

圖1：浮柵MOSFET(FGMOS)與常規MOSFET對比。

由於浮柵是電隔離的，所以即使在去除電壓之後，到達柵極的任何電子也會被捕獲。這使得存儲器具有非易失性。與具有固定閾值電壓的常規MOSFET不同，FGMOS的閾值電壓取決於存儲在浮柵中的電荷量。電荷越多，閾值電壓越高。與常規MOSFET類似，當施加到控制柵極的電壓高於閾值電壓時，FGMOS將開始導通。因此，通過測量其閾值電壓並與固定電壓電平進行比較，就可以識別存儲在FGMOS中的信息。這稱為快閃記憶體的讀操作。

可以使用兩種方法將電子放置在浮柵中：Fowler-Nordheim隧穿或熱載流子注入。對於Fowler-Nordheim隧穿，在帶負電的源極和帶正電的控制柵極之間施加強電場。這使得來自源極的電子隧穿穿過薄氧化層併到達浮柵。隧穿所需的電壓取決於隧道氧化層的厚度。對於熱載流子注入方法，高電流通過溝道，為電子提供足夠的能量以穿過氧化物層併到達浮柵。

通過在控制柵極上施加強負電壓，並在源極和漏極端子上施加強正電壓，使用Fowler-Nordheim隧穿可以從浮柵移除電子。這將導致被捕獲的電子通過薄氧化層返回溝道。在快閃記憶體中，將電子放置在浮柵中被認為是編程/寫入操作，而去除電子被認為是擦除操作。

隧穿工藝有一個主要缺點：它會逐漸損壞氧化層。這被稱為快閃記憶體磨損。每次對單元進行編程或擦除時，一些電子都會粘在氧化層中，從而逐漸磨損氧化層。一旦氧化層達到不再能夠可靠地區分編程和擦除狀態時，這一單元就被認為是壞的或磨損的。由於讀取操作不需要隧穿，它們不會磨損單元。因此，快閃記憶體的壽命表示為它可以支持的編程/擦除(P/E)周期數。有一篇名為「了解典型和最大編程/擦除性能」的文章解釋了如何獲得編程和擦除性能的典型值和最大值。

SLC NAND快閃記憶體

在SLC快閃記憶體中，每個存儲單元僅存儲一位信息：邏輯0或邏輯1。單元的閾值電壓與某個電壓電平進行比較，如果高於這一電平，則該位被視為邏輯0。如果低於這一電平則為邏輯1。

圖2：將SLC快閃記憶體單元中的電壓與閾值電壓進行比較，以確定它是邏輯0(高於閾值)還是邏輯1(低於閾值)。

由於只有兩個電平，因此兩個電平電壓之間的電壓差距可能非常高。這使得讀取存儲單元更容易，更快捷。原始誤碼率(RBER)也很低，這要歸功於較大的電壓差，因為在讀取操作期間任何洩漏或幹擾的影響較小。低RBER還減少了特定數據塊所需的ECC位數。

大電壓差的另一個優點是磨損的影響相對較小，因為微小的電荷洩漏具有相對較低的影響。邏輯電平的更寬分布也有助於以更低的電壓對存儲單元進行編程或擦除，這進一步增加了單元的耐用性，進而提高了壽命周期內P/E循環數。

但是SLC快閃記憶體也有缺點，與其他類型的快閃記憶體相比，它在相同裸片面積上可以存儲的數據要少，因此其存儲單元的成本更高。SLC快閃記憶體通常用於對成本不敏感且需要高可靠性和耐用性的應用中，例如對P/E循環數有很高要求的工業和企業級應用。

MLC NAND快閃記憶體

在MLC快閃記憶體中，每個單元存儲兩位信息，即00、01、10和11。在這種情況下，閾值電壓要與三個電平進行比較(總共4個電壓帶)。

圖3：將MLC快閃記憶體單元中的電壓與三個閾值電壓進行比較，以確定其兩位邏輯值。

因為要對多個電平進行比較，讀取操作需要更加精確，導致其讀取速度比SLC 快閃記憶體更慢。由於較低的電壓差，原始誤碼率(RBER)也相對較高，而且特定數據塊需要更多的ECC比特位。現在磨損的影響也更為顯著，因為與SLC快閃記憶體相比，任何電荷洩漏都會產生更大的相對影響，從而減少了壽命周期內P/E循環次數。

由於需要仔細編程以便將電荷存儲在每個邏輯電平所需的緊密窗口內，MLC快閃記憶體的編程操作也要慢得多。然而，它的主要優點是每比特成本更低，要比SLC快閃記憶體低2-4倍。MLC快閃記憶體通常用於對成本更敏感的應用，例如消費電子或遊戲機，因為這類應用對性能、可靠性和耐用性的要求不是那麼嚴格，並且所要求的壽命周期內P/E循環次數也相對較低。有一篇題為「SLC VS. MLC NAND快閃記憶體」的文章提供了SLC和MLC快閃記憶體的詳細比較。

企業級eMLC NAND快閃記憶體

MLC快閃記憶體的低可靠性和耐用性使得它不適合企業級應用，而低成本是它得以存在的主要因素。為了發揮其低成本優勢，快閃記憶體製造商開發出一種優化級別的MLC快閃記憶體，稱為eMLC，它具有較高的可靠性和耐用性。eMLC中的數據密度通常會降低，從而提供更好的電壓差以提高可靠性。較慢的擦除和編程循環通常用於減少磨損的影響並提高耐用性。 還有許多其他技巧可以提高eMLC的可靠性和耐用性，每家製造商各有自己的方法。

TLC NAND快閃記憶體

在TLC快閃記憶體中，每個單元存儲3位信息。現在是將閾值電壓與七個電平(總共8個電壓帶)進行比較。

圖4：將TLC快閃記憶體單元中的電壓與七個閾值電壓進行比較，以確定其三位邏輯值。

與SLC快閃記憶體相比，TLC快閃記憶體需要將更多電平進行比較，其讀取操作需要高度精確，因此速度比較慢。原始誤碼率(RBER)也很高，這就需要為特定數據塊提供更多ECC位。此外，其單元磨損的影響也增加了，大大減少了壽命周期內P/E循環次數。其編程操作也較慢，因為電壓需要精確以便將電荷存儲在每個邏輯電平所需的更嚴格的窗口內。

TLC快閃記憶體的主要優勢是每比特的成本最低，要比SLC或MLC快閃記憶體都低得多。 TLC快閃記憶體適用於對成本高度敏感而對P/E循環次數要求較低的應用，例如消費類電子產品。

SLC、MLC、eMLC和TLC的比較

表1對比了不同類型快閃記憶體的主要參數，假設都採用類似的光刻工藝。這些值僅用於是性能對比，就特定存儲器產品而言不一定準確。

表1：不同類型快閃記憶體的主要參數比較。

* ECC位數取決於工藝節點，較小的工藝節點需要更多的ECC位。

3D NAND快閃記憶體

上面討論的所有不同類型的快閃記憶體都是二維的，意思是存儲單元僅布置在晶圓的X-Y平面上。使用2D快閃記憶體技術，要在同一個晶圓中實現更高密度的唯一方法是縮小光刻工藝。其缺點是，對於較小的光刻節點，NAND快閃記憶體中的錯誤更為頻繁。另外，可用的最小光刻節點也是有下限的。

為了提高存儲密度，製造商開發了3D NAND或V-NAND(垂直NAND)技術，它可將Z平面中的存儲單元堆疊在同一晶圓上。以這種方式構建存儲單元有助於在相同的裸片面積上實現更高的存儲密度。在3D NAND快閃記憶體中，存儲單元是作為豎直串連接的，而不是2D NAND中的水平串。

第一批3D快閃記憶體產品有24層。隨著這一技術的進步，已經可以製造出32、48、64甚至96層的3D快閃記憶體。其優勢在於同一區域中的存儲單元數量明顯增加。這也使存儲器製造商能夠使用更大的光刻工藝來製造更可靠的快閃記憶體晶片。

在3D快閃記憶體中可以看到另一個主要的技術轉變，就是使用電荷陷阱而不是浮柵電晶體。電荷陷阱在結構上類似於FGMOS，只是用氮化矽膜代替了浮柵。請注意，由於大規模製造的困難，電荷陷阱在市場上還沒有被廣泛使用。生產3D快閃記憶體時，由於難以使用浮柵電晶體來構造垂直串，電荷陷阱技術便被引進，它也有其他一些固有的優點。

與FGMOS相比，基於電荷陷阱的存儲器有許多優點。它可以在較低電壓下編程和擦除，從而大大提高耐用性。由於捕獲層(氮化物)是絕緣層，電荷不會洩漏，因而也提高了可靠性。由於電荷不會從電荷陷阱的一側流到另一側，因此可以在同一陷阱層上存儲多於一位的電荷。賽普拉斯(前Spansion)已經在NOR快閃記憶體中有效地利用了這種特性，稱為MirrorBit技術，它可將兩位數據存儲在一個存儲單元中，類似於MLC快閃記憶體。

未來的趨勢

所有主要的快閃記憶體製造商都在積極致力於採用不同的方法，以降低每比特快閃記憶體的成本，同時繼續生產適用於各種應用的存儲器產品。業界正在積極研究如何增加3D NAND快閃記憶體中垂直層的數量。雖然15nm工藝似乎是目前NAND快閃記憶體中最小的工藝節點，但縮小快閃記憶體的光刻節點的努力仍在繼續。將MLC和TLC技術與3D NAND快閃記憶體相結合也正在積極探索中，許多製造商已經取得了成功。隨著新技術的出現，我們可能很快就會看到存儲單元可以存儲一個字節(8位)的數據，垂直層將達到256層甚至更高。

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