文章來源：老虎說芯

原文作者：老虎說芯

本文介紹了NAND Flash的原理、結構、工藝和應用。

NAND Flash的基本原理和結構

NAND Flash是什么？NAND Flash（閃存）是一種非易失性存儲器技術，主要用于數據存儲。與傳統的DRAM或SRAM不同，NAND Flash在斷電后仍能保存數據。它通過電荷的存儲與釋放來實現數據的存儲。

圖：NAND Flash的排列結構

基本單元結構：NAND Flash的基本存儲單元是一個浮柵晶體管（Floating Gate Transistor）。每個晶體管對應一個存儲單元，存儲的信息是通過控制浮柵上的電荷實現的。多個存儲單元通過串聯方式形成一個NAND存儲單元（通常為8到32個單元串聯），以提高密度和降低成本。

圖：存儲cell的器件結構

NAND Flash的工作原理

寫入過程（編程）：在編程（寫入）過程中，通過施加高電壓，電子被注入浮柵，改變浮柵上的電荷，進而影響晶體管的導通狀態，從而表示不同的存儲信息（通常是‘0’或‘1’）。

圖：數據寫入和擦除操作

擦除過程：NAND Flash采用塊擦除的方式。通過施加反向電壓，浮柵上的電子被移除，恢復晶體管的原始狀態。擦除通常是對整個塊進行操作，而不是單個字節。

讀取過程：讀取過程中，通過檢測浮柵上的電荷狀態，可以確定存儲單元的導通狀態，從而讀取出存儲的信息。

圖：數據0和數據1的表示方式

NAND Flash的工藝與技術挑戰

工藝節點縮減：隨著技術的發展，NAND Flash的工藝節點不斷縮減（如從38nm到19nm，再到更小的工藝節點），這帶來了更高的存儲密度和更低的成本，但也增加了制造的復雜性和良率的挑戰。

圖：存儲Cell小型化的趨勢

可靠性優化：隨著存儲單元尺寸的縮小，電荷存儲的穩定性下降，導致耐用性和數據保留時間減少。為了解決這一問題，工程師需要不斷優化工藝參數，增強可靠性。例如，通過增加擦寫周期數（如38nm工藝下的500K次循環）來提高耐用性。

設計規則收縮與布局優化：在更小的工藝節點上，設計規則（Design Rule）需要不斷縮小，同時布局也需要優化，以在更小的空間內實現更多的存儲單元。Mask的減少和規則的優化是提高產量和降低成本的重要手段。

圖：NAND、AND、NOR的CELL陣列對比

NAND Flash的應用與發展趨勢

應用領域：NAND Flash廣泛應用于各種存儲設備，如固態硬盤（SSD）、USB閃存、存儲卡等。在智能手機、平板電腦和服務器中也得到了廣泛應用。

圖：3D NAND的結構細節

3D NAND技術：隨著二維平面縮小的困難逐漸增加，3D NAND技術應運而生。3D NAND通過將存儲單元垂直堆疊，大幅提高了存儲密度，成為目前NAND Flash發展的主要方向。

圖：2D Flash和3D Flash的概念示意對比

圖：2D Flash和3D Flash的器件結構對比

未來挑戰與展望

進一步的可靠性與耐久性提升：隨著存儲單元的進一步縮小，未來將面臨更多的可靠性挑戰。新的材料和結構創新可能是解決這一問題的關鍵。

新型存儲技術的競爭：隨著新型存儲技術（如ReRAM、MRAM等）的發展，NAND Flash將面臨新的競爭，持續的工藝創新和成本優化將是保持競爭力的關鍵。