NAND Flash存储原理详解

存储原理

光盘存储：烧洞；磁盘存储：磁畴；FLASH 存储：电荷

我们都生活在数字时代，数据简单来说就是一串二进制数字，比方说：0101010101001101…

光盘的材质是有铝夹层的塑料，在上面烧洞就形成了数据，读取时利用光在铝层上的镜面反射，有洞的地方光不能被反射('0')，没有洞的地方光被反射('1')

磁盘的材质是磁性材料，被磁场作用(磁化)之后就形成了不同方向的磁畴，目前的磁盘都是垂直存储(磁畴垂直排列)，向上就是'0'，向下就是'1'，也可能是反过来的。

FLASH 的存储单元(Cell)本质上还是一种半导体器件，即在MOS管的栅极(Gate)和氧化层(Oxide)之间增加了一个浮栅(Floating Gate，简称FG)，是为FGMOS，原来的Gate就变成控制栅极(Control Gate, 简称CG)。

下面重点介绍Flash的存储原理，即Flash是如何利用电子实现数据存储的。

02浮栅 vs 电荷捕获

常见的Flash存储器主要有两种，NAND和NOR，它们的cell都是FGMOS。FG虽为导体，但是由于完全被绝缘材料(比如氧化硅)包裹，所以电荷一旦进入FG，一般情况下不会消失，断电也不会，即所谓非挥发。近年来由于3D NAND的发展，**CT(Charge Trap，电荷捕获) **NAND已逐渐成为主流，即用charge trap layer(SiNx)替换floating gate作为电荷存储层。charge trap和floating gate最大的区别在于电荷是否能在其中自由移动。

charge trap的材料是绝缘体，所以电荷不能在其中自由移动

03读/写/擦

Flash有三种基本操作：

读(Read), 写(Program/Write), 擦(Erase)

FGMOS Cell结构：

CG/Oxide/FG/Oxide/Channel/Si_Sub

以SLC(single level cell)为例，一个cell，即一个FG，代表了一个bit的数据，非0即1，一般规定FG中没有电子为'1'，有电子则为'0'。这里只用电荷有无来表述其实不严谨，因为Erase状态并不是完全没有电荷，而是电荷多少的问题，而且还有正电荷的存在，所以一般是根据Cell Vt来判断，如下图所示，

Flash的一般操作如下，

1. Read. 假设CG接5V，即上图中的Vread，如果FGMOS的沟道(Channel)开启，即有电流流过，则数据为'1'；如果FGMOS的沟道没有开启，即没有电流流过，则数据为'0'。对于理想器件而言，Read操作不会影响FG中存储电荷的数量。Read之后，电荷就在那里，不增不减
2. Program. 假设CG接18V，当沟道中的电子获得足够高的能量，就会通过热载流子注入或Fowler–Nordheim隧穿的方式到达FG，去掉CG电压后电子被保存在FG中，即达到数据存储的目的
3. Erase. 可以理解为Program的逆操作，即Si_Sub接20V，CG接地，无论是NOR还是NAND，erase的过程都是电子通过Fowler–Nordheim隧穿效应离开FG，穿过Tunnel Oxide到达硅衬底(Si_Sub)

下表简单整理了NOR/NAND操作的基本原理，供参考。