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专栏 《深入理解NAND Flash》

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​全文 5000 字。
从底层物理原理上了解 Nand Flash。

1. 存储器诞生：

现代计算机使用存储器来存储数据，其中存储的是0和1。然后，通过ASCII码（美国信息交换标准代码）来将二进制数字翻译为人们日常生活中使用的信息。这些信息包括我们在计算机设备中常用的指令（如空格、回车等）、字母、数字和标点符号等。在1992年，Unicode（字符标准码）被发布，解决了ASCII码表达其他国家和地区语言的不足之处。通过不同排列组合的0和1，我们能够获取不同的信息并与人类进行交流。

为什么是二进制呢?
因为受限于当时甚至现在的技术，人们制造的场效应晶体管（FET）只有在区分关态和开态的时候，其灵敏度是最高的。如果我们在开和关之间引入其他的态，一般是用固定电压下的电流值来区分态，所以当外界环境比较恶劣时，容易引起电流不受控制的变大或变小（例如温度因素，半导体的本征载流子浓度严重依赖温度，温度较高时，本征载流子浓度迅速增大，电流会急剧升高，从而失去目的开关与放大作用，所以CPU等半导体器件运行，降温散热非常重要），从而致使计算机运行中对态的错误识别，态越多，其误码率也就越高。

一个完整的CPU应该包括控制单元，寄存器，ALU（算数逻辑单元），RAM（随机存取存储器）。当然这个RAM一般是独立存在的器件，通过数据线，地址线，读取线以及写入线连接CPU，这样的一个构造其实就可以运行很多计算机指令了，但是有一个问题就是，这个计算机只能在供电的情况下才能使用，断电后，就立马失去了运行的数据。那么为了解决这个问题，我们就发明了ROM（只读存储器），这种存储器可以将想要的CPU运行结果保留起来，即便是断电情况下，也可以长时间保存，比如你写的文档，下载的音乐、视频都可以长时间保存起来。这里存储器的一种分类方式就出来了，根据断电后数据能否长时间保存，我们将存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。下面是我汇总的存储器基本分类思维导图。
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Fig. 1 存储器基本分类

事实上， RAM和ROM的读操作几乎相同。更恰如其分地说有时把RAM称为读－写存储器。然而，人们一直开发ROM的重写能力。因此，现在RAM和ROM之间的主要差别在于擦除和可编程的频度和容易程度。RAM重写和读的机会总是相等的；而ROM的读的频率远大于重写。

这句话可能让大家对RAM以及ROM的认识更加清楚，由于RAM也是FET（场效应晶体管）构造，其读写能力是通过电刷新的，CPU中的控制单元会经常将指令存入RAM，从RAM中读取指令，所以其读写的频率基本相等。对于ROM，现在我们用的比较多的形式是NOR flash 和NAND flash,根据不同的场景，使用不同的存储器，Nor flash 多用于嵌入式系统；手机，PC，USB，一般是存放数据，这个数据我们的读取的次数一般比写入要多，但是写的频率还是比较高的，这里一般使用NAND flash，这个我们稍后将展示原因。

下文中存储器指的是 Flash 存储器

2. Flash原理：

NAND flash是在FET的基础上，增加一个浮柵上，通过将电子注入到浮栅上，实现编程。其基本构造如下：

Fig. 2 Flash 存储器基本单元

2.1 Flash理论

以上图为例，通过在n沟道FET栅极上偏置正（负）电压，在源漏沟道之间感应负（正）电荷，可以打开（关闭）源漏之间的电通道。这个打开源漏之间电流通道的电压叫做阈值电压 VT ,也就是沟道从平带到反型所需要的电压。那么在在栅极氧化层中再插入一个浮栅，当浮栅上充入电子时，此时由于电子的屏蔽作用，想要将n沟道FET打开，则需要更高的 VT 。我们把未注入电子时的 VT 叫做 VT1 ，把注入电子后的 VT 叫做 VT0 。试想一下，当我们用大于 VT1 小于 VT0 的电压 VT′ 去尝试开启FET，若这时电路被打开，则说明FET浮栅中未注入电子，若没有打开，则说明FET浮栅中注入了电子。我们知道在CPU逻辑电路中，开态表示‘1’，关态表示‘0’，沿用这个逻辑，浮栅上未注入电子，是开态，表示逻辑 ‘1’ ；浮栅上注入电子，是关态，表示逻辑‘0’。不要怀疑，这个和你的直觉的确相反，在这里，注入电子表示写入‘0’；擦除电子，表示写入了’1’。这种类型的存储器的原理概括成一句话就是，通过在浮栅上注入电子改变FET阈值电压 VT 来实现存储功能。

2.2 存储器两种编程方式

我们已经为存储器注入了灵魂，现在来铸造其肌肉，也就是如何实现注入、擦出电子的过程。注入电子主要有两种过程原理，一种是热电子注入，另外一种是F-N 隧穿（Fowler-Nordheim隧穿）。

NAND不能使用热电子注入的方式, NAND是F-N隧穿，NOR是热电子注入过程.

2.2.1 热电子注入

热电子注入就是在源漏之间加上一个电压，由于压降原理，在漏端附近电场强度达到最大值（因为源极一般接地），因此电子在电场作用中，在漏极附近能量最大，变成热电子，当其能量大于 Si/SiO2 界面势垒，电子就能越过势垒（经典力学），进入到浮栅，热电子在电场作用下，与晶格发生碰撞会形成二次电子，二次电子也能注入到浮栅上。为了让电子能够有效的注入到浮栅上，一般会在控制栅上加一个正偏压，形成三角形势垒（如下图），帮助电子注入到浮栅上，与此同时就会产生一个栅电流，有电流就会有功耗，这是一个弊端。

fig 3 热电子注入理论

2.2.2 F-N隧穿

另外一个方式就是F-N隧穿，根据量子力学理论，电子有几率可以隧穿比本身能量高的势垒。隧穿的几率严重依赖势垒的高度与宽度，在Flash中，这个势垒就是介电层，介电层一般是 SiO2 ，但是也有其他高介电常数的材料应用在存储器中。材料决定了，势垒高度就决定了，其厚度就变成唯一的参数，我们可以通过控制势垒的厚度来控制电子是否可以隧穿，起到开关的作用。

Fig. 4 量子隧穿

有了这样的理论，我们如何实现呢？好在控制栅可以帮助我们更改势垒厚度，还记得刘恩科《半导体物理学》中第八章MIS结构吗？控制栅加上电压，介电层能带会弯曲成为一个三角形势垒，这对电子来说，其势垒厚度就变窄了。所以我们可以通过控制栅来改变介电层势垒厚度，从而控制电子是否能够隧穿介电层进入浮栅。下图是示意图。左图表示控制栅加正偏压使得沟道电子隧穿底部介电层进入浮栅，完成编程‘0’(Program状态). 右图表示控制栅加负偏压使得浮栅电子隧穿底部介电层到沟道，完成编程‘1’（Erase状态）。

Fig. 5 F-N 隧穿机理

讲到这里，闪存存储器的底层原理就讲完了。总结一下，闪存存储器就是在FET的基础上，在介电层中增加一个浮栅，通过控制栅，改变电子注入到浮栅或是从浮栅上擦除，从而实现编程，注入电子表示编程写入‘0’，擦除电子表示编程写入‘1’。读取过程是通过在栅极偏置一个比未注入电子FET阈值电压稍高的电压，源漏之间通就是‘1’，断就是‘0’，刚好和写入对应。编程注入电子的过程分为两种，一种热电子注入，一种是F-N隧穿，但是擦除电子只有F-N隧穿。F-N隧穿中加在控制栅的电压很高远大于读取的电压，毕竟是要隧穿过去。这里讲的是浮栅器件，还有一种器件就是电荷俘获器件，对比与浮栅器件，这里的电子俘获层一般是氮化硅，电子主要俘获在氧化物-氮化物界面。打个比方，浮栅器件俘获的电子如水流一般，而电荷俘获器件如奶酪一般。其F-N隧穿是修正的F-N隧穿，首先隧穿一个很薄的梯形氧化层势垒，然后再是一个三角形氮化硅势垒。

3. 闪存存储器重要参数

基本介绍了一下闪存存储器的基本单元，再看看其中影响它的重要参数。一个存储器，我们看中什么？便宜，存储密度大，存储时间久，读写速度快，读写次数多。存储器小声BB：MMP，人类啊，什么都要好的，臣妾做不到啊。

便宜就不说了，需要采用低廉的材料，成熟的工艺（降低边际成本)，而存储密度就需要先进的工艺技术。我们着重看看后面三个参数：

3.1 存储时间久

这个好理解，存储器无非存储的是‘1’和‘0’。‘1’还好说，就是浮栅上没有电子，前面说了想要注入电子，是需要很高的控制栅电压的，所以电子不会自发进入到浮栅上，从而消灭你的数据‘1’。麻烦的是数据‘0’，一旦电子注入到浮栅上后，即便我们不再对存储器进行擦除、写入过程，电子仍然会慢慢逃逸出去（浮栅上的电子化学势比较高），我们一般定义电荷量减小到初始值的50% 时，就称为数据丢失。这个时间可以用下面的公式得到：

ν : 介电弛豫频率，与材料本身性能有关，可理解为热平衡的时间的倒数

q ：元电荷电荷量

ϕB :势垒高度

k :玻尔兹曼常数

T ： 温度

从中可以看到势垒高度是最重要的参数，势垒高度由介电层的厚度决定。上面我们说的是存储器不再进行擦除与写入过程，这样电子逃逸时间大概是100年，也就是说，理论上，你将SSD写满数据后，然后再也不写入、擦除数据，这份数据可以放置100年。但实际上不太可能完全不擦除、写入。根据擦除、写入的频率，SSD的理论时间是10-30年不等，如果非常频繁，甚至3-5年就坏了。这是因为擦除、写入过程中浮栅下介电层里的化学键退化，导致介电作用减弱，数据保存的时间越来越短，直到最终不能使用。（以前认为擦除、写入过程会致使介电层变薄，最新研究指出并不会变薄，而是化学键退化，电子变得更加容易进出。）

3.2读写速度快

根据性能要求，我们当然希望存储器保存时间越久越好，那么就需要介电层厚度比较厚，但是厚了就有一个问题，编程时间会增加，因为势垒大了之后，隧穿电流会降低，因为编程是否成功是看浮栅上电荷的变化量，而一定数目电荷量是电流的时间积分，电流小了，时间自然就长了。所以为了平衡这两个关键参数，工业届会慢慢去优化介电层厚度，尽量去平衡这对欢乐冤家。下层介电层厚度一般在8 nm左右，上层厚度一般在14 nm左右。

3.3 读写次数多

最后一个参数就是编程次数，编程次数一定是和使用时间有关的，不谈时间的编程次数就是耍流氓。上面说了，每一次擦除、写入过程都会对介电层造成损耗，这是不可逆的。也就是说，擦写频率越高，寿命越短，擦写频率越低，寿命越长。我找了一篇论文，论文中的研究成果显示：若擦写次数在3000次以内，数据能够保存3年左右，若擦除次数在150000，那么数据就只能保存3天。当然并不是说擦写150000次后，就不能用了，你可以在3天之内，读取数据后，重新写入，就可以再用了，但是随着次数的增多，保存的时间会越来越短，看到没有，非易失存储器慢慢在向易失性存储器“进化”。为了解决这样的问题，目前只有从软件层面去解决，通过优化算法代码，降低存储器的擦写频率，从而提高寿命。

参考：

3D Nand基本原理 3D Nand基本原理-你想知道的全在这里（上） - 知乎

参考