NAND Flash的基本原理和结构

文章来源：老虎说芯

原文作者：老虎说芯

本文介绍了NAND Flash的原理、结构、工艺和应用。

NAND Flash的基本原理和结构

NAND Flash是什么？NAND Flash（闪存）是一种非易失性存储器技术，主要用于数据存储。与传统的DRAM或SRAM不同，NAND Flash在断电后仍能保存数据。它通过电荷的存储与释放来实现数据的存储。

图：NAND Flash的排列结构

基本单元结构：NAND Flash的基本存储单元是一个浮栅晶体管（Floating Gate Transistor）。每个晶体管对应一个存储单元，存储的信息是通过控制浮栅上的电荷实现的。多个存储单元通过串联方式形成一个NAND存储单元（通常为8到32个单元串联），以提高密度和降低成本。

图：存储cell的器件结构

NAND Flash的工作原理

写入过程（编程）：在编程（写入）过程中，通过施加高电压，电子被注入浮栅，改变浮栅上的电荷，进而影响晶体管的导通状态，从而表示不同的存储信息（通常是‘0’或‘1’）。

图：数据写入和擦除操作

擦除过程：NAND Flash采用块擦除的方式。通过施加反向电压，浮栅上的电子被移除，恢复晶体管的原始状态。擦除通常是对整个块进行操作，而不是单个字节。

读取过程：读取过程中，通过检测浮栅上的电荷状态，可以确定存储单元的导通状态，从而读取出存储的信息。

图：数据0和数据1的表示方式

NAND Flash的工艺与技术挑战

工艺节点缩减：随着技术的发展，NAND Flash的工艺节点不断缩减（如从38nm到19nm，再到更小的工艺节点），这带来了更高的存储密度和更低的成本，但也增加了制造的复杂性和良率的挑战。

图：存储Cell小型化的趋势

可靠性优化：随着存储单元尺寸的缩小，电荷存储的稳定性下降，导致耐用性和数据保留时间减少。为了解决这一问题，工程师需要不断优化工艺参数，增强可靠性。例如，通过增加擦写周期数（如38nm工艺下的500K次循环）来提高耐用性。

设计规则收缩与布局优化：在更小的工艺节点上，设计规则（Design Rule）需要不断缩小，同时布局也需要优化，以在更小的空间内实现更多的存储单元。Mask的减少和规则的优化是提高产量和降低成本的重要手段。

图：NAND、AND、NOR的CELL阵列对比

NAND Flash的应用与发展趋势

应用领域：NAND Flash广泛应用于各种存储设备，如固态硬盘（SSD）、USB闪存、存储卡等。在智能手机、平板电脑和服务器中也得到了广泛应用。

图：3D NAND的结构细节

3D NAND技术：随着二维平面缩小的困难逐渐增加，3D NAND技术应运而生。3D NAND通过将存储单元垂直堆叠，大幅提高了存储密度，成为目前NAND Flash发展的主要方向。

图：2D Flash和3D Flash的概念示意对比

图：2D Flash和3D Flash的器件结构对比

未来挑战与展望

进一步的可靠性与耐久性提升：随着存储单元的进一步缩小，未来将面临更多的可靠性挑战。新的材料和结构创新可能是解决这一问题的关键。

新型存储技术的竞争：随着新型存储技术（如ReRAM、MRAM等）的发展，NAND Flash将面临新的竞争，持续的工艺创新和成本优化将是保持竞争力的关键。