闪存 (Flash) 及其工艺

本文详细介绍了闪存（FlashMemory）作为非易失性存储的关键技术，区分了NOR和NAND闪存的不同特点，探讨了它们在企业应用、消费设备中的角色，并讨论了闪存的优缺点，包括磨损机制和可靠性提升策略。

闪存 Flash Memory
闪存是一种非易失性存储器 ( nonvolatile memory)，以块为单位擦除 数据并以字节级别重写数据。 闪存广泛用于消费类设备，企业系统和工 业应用中的存储和数据传输。 不管配备闪存的设备是打开还是关闭电源， 闪存都会将数据保留很长一段时间。

闪存用于企业数据中心服务器，存储和网络技术以及广泛的消费类设备， 包括USB闪存驱动器（也称为记忆棒），SD卡，移动电话，数码相机， 平板电脑 笔记本计算机和嵌入式控制器中的PC卡。 例如，基于NAND 闪存的固态驱动器通常用于加速 I/O 密集型应用的性能。 NOR闪存通 常用于在PC中保存控制代码，例如基本输入/输出系统（BIOS）。
闪存的由来
闪存从可擦可编程只读存储器（EPROM）和电可擦可编程只读存 储器（EEPROM）演变而来。 从技术上讲，闪存是EEPROM的一 种变体，但业界保留术语EEPROM表示字节级可擦除存储器，并将术语闪存用于较大的块级可擦除存储器。

闪存的工作原理

闪存体系结构包括堆叠有大量闪存单元的存储阵列。 基本的闪存 单元由具有控制栅极和浮置栅极 (Floating Gate) 的存储晶体管组 成，该浮栅通过薄介电材料或氧化层与晶体管的其余部分绝缘。 浮栅存储电荷并控制电流的流动。

电子被添加到浮栅或从浮栅处移除，以改变存储晶体管的阈值电压。 而改变电压会影响将单元编译为 0 还是 1。

一种称为Fowler-Nordheim隧穿的过程将电子从浮栅中去除。 Fowler-Nordheim隧穿和称为沟道热电子注入的现象都会将电子 捕获在浮栅中。

使用Fowler-Nordheim隧道技术，数据会通过控制门上的强负电 荷擦除。 这迫使电子进入存在强正电荷的通道。

在使用Fowler-Nordheim隧道将电子捕获在浮栅中时，情况会相 反。 电子在高电场的情况下设法通过薄氧化层迁移到浮栅，在单 元的源极和漏极上带有强负电荷，而在控制栅极上带有强正电荷。

沟道热电子注入（也称为热载流子注入）使电子能够突破 栅氧化层并改变浮栅的阈值电压。 当电子从沟道中的高 电流以及控制栅极上的吸引电荷中获取足够量的能量时， 就会发生这种现象。

闪存工作原理

不管包含闪存单元的器件是否由于氧化物层产生的电隔离 而接收能量，电子都会被捕获在浮栅中。 该特性使闪存 可以提供持久存储。

浮栅ETox闪存的工艺流程:

形成隔离区
形成 N 阱和 P 阱
形成姗堆栈
偏移间隔物的形成
间隔物的形成
形成漏源极
形成硅化钴， 接触区，钨塞
生长第一层金属
......
生长第N层金属
浮栅ETox闪存的工艺流程

NOR与NAND闪存
闪存有两种类型：NOR 和 NAND。

NOR 和 NAND 闪存在架构和设计特性上有所不同。 NOR 闪存不使用共享组件，可以并行连接各个存 储单元，从而可以随机访问数据。 NAND 闪存单元更紧凑，位线更少，将浮栅晶体管串联在一起以 提高存储密度。

闪存单元比较

NAND更适合串行而不是随机数据访问。 NAND闪 存工艺的几何形状是针对平面NAND达到其实际扩 展限制而开发的。

NOR与NAND闪存

NOR闪存在数据读取方面速度很快，但在擦除和写入方面通常比NAND慢。 NOR闪存以字节为单位编程数据。NAND闪存以页为单位编程数据，该数据大于字节，但小于块。 例如，一个页面可能是4 KB，而一个块的大小可能是128 KB至256 KB或兆字节。 对于写密集型应用程序，NAND闪存比NOR闪存消耗更少的功率。

NOR闪存的生产成本比NAND闪存高，并且通常主要用于消费类和嵌入式设备中以用于引导目的，以及只读应用程序中用于代码存储。 由于NAND闪存每位存储数据的成本更低，密度更高，编程和擦除（P / E）速度更快，因此它更适用于消费类设备以及企业服务器和存储系统中的数据存储。

除使用其他存储器外，诸如照相手机之类的设备可能同时使用NOR和NAND闪存，以促进代码执行和数据存储。

NOR与NAND闪存比较

NOR闪存类型
NOR闪存的两种类型主要是并行和串行，也称为串行外围设备接口。NOR闪存最初仅可用于并行接口。并行NOR提高性能，安全性和附加功能；它的主要用途包括工业、汽车、网络和电信系统与设备。

NOR单元并行连接以进行随机访问。该配置适用于与微处理器指令相关的随机读取，以及执行便携式电子设备中使用的代码，几乎专门用于消费类电子设备。串行NOR闪存的引脚数更少，封装更小，因此其成本低于并行NOR。

串行NOR的用例包括个人和超薄计算机，服务器，HDD，打印机，数码相机，调制解调器和路由器。

NAND闪存类型
NAND闪存半导体制造商已经开发出适合各种数据存储用例的不同类型的存储器。主要有：

单层单元 (Single-level cell, SLC)
多层单元 (Multilevel cell, MLC)
企业级多层单元 (Enterprise MLC, eMLC)
三层单元 (Triple-level cell TLC)
垂直/3D NAND (Vertical/3D NAND)
四级单 元(Quad-level cell QLC)
闪存类型比较

闪存的优缺点
闪存的一些优点:
闪存是半导体存储器中最便宜的一种。

与动态随机存取存储器(DRAM)和静态RAM (SRAM)不同，闪存是非易失性的，功耗较低，并且可以大块擦除,NOR闪存可提高随机读取速度，而NAND闪存可通过串行读写实现快速传输。

带有NAND闪存芯片的固态存储设备(Solid State Devices,SSD)提供的性能大大高于传统的磁存储介质(如HDD和磁带)。

闪存驱动器相比HDD消耗的功率更少，产生的热量也更少

配备闪存驱动器的企业存储系统具有低延迟特点，以毫秒或微秒为单位

闪存的主要缺点
磨损机制和单元间干扰，芯片尺寸越小越严重。随着编程/擦除周期的数量过多，位可能会发生故障，最终会击穿捕获电子的氧化物层。 退化可能会使制造商设定的用于确定电荷为零或一的闯值失真，电子可能逃逸并陷在氧化物绝缘层中，从而导致错误。

证据表明，NAND闪存驱动器并没有像人们担心的那样快的老化。闪存驱动器制造商通过纠错码算法损耗均衡和其他技术提高了耐用性和可靠性。

此外，SSD不会在没有征兆的情况下磨损。 它们通常以类似传感器可能指示轮胎充气不足的方式警告用户。

审核编辑 黄宇