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3D闪存的优势

为了在同样大小的芯片里塞进更多数据,闪存厂商想尽了各种办法。

从逻辑设计上,他们让一个存储单元能记住更多比特的信息,从早期的SLC一路发展到现在的QLC。

从物理制造上,他们不断采用更先进的制程工艺,把电路尺寸从几百纳米一路缩小到十几纳米。

但制程越先进,存储单元之间的距离就越近,彼此间的电磁干扰越来越严重,数据的可靠性变得很难保证。

 

img1

 

那该怎么办?闪存设计师从“盖楼”的思路得到灵感,开发出了3D闪存。

3D闪存相当于把存储单元一层一层往上堆叠。通过这种堆叠技术,同一片晶圆可以承载更多的数据,闪存厂商在追求更高密度的路上又找到了新方向。

而且,有了3D堆叠,制程工艺甚至还可以暂时往回退一些:既然能往高处发展,就不用非得把所有单元挤在同一层里。

img2

在平面的2D闪存时代,存储单元用的是浮栅晶体管,简称FG(Floating Gate)。

进入3D时代后,一种新的存储单元开始普及,叫电荷捕获技术,简称CT(Charge Trap)。

 

CT晶体管和FG晶体管最大的不同在于用来储存电荷的材料:

l     FG的浮栅极是导体,电子在里面可以自由移动;

l     CT用来储存电荷的是一层具有高电荷捕获能力的绝缘材料,就像布满了陷阱。

 

img3

存储单元的材料不同,决定了这两种闪存技术有很多不同特性。

 

写入数据时,两者都可以在控制极上加高电压,利用强电场把电子注入存储区。

在CT中,捕获电子的那层绝缘材料好像到处是陷阱,电子一旦掉进去就很难出来;而在FG中,导体浮栅极里的电子却可以随便游走。浮栅就像水,电子可以在里面自由流动;CT就像奶酪,电子在里面几乎动弹不得。

 

在读写操作上,CT和FG是类似的,但擦除方式不同:

l     FG一般通过F-N隧道效应,把电子从浮栅中“拉”出去;

l     CT则通常采用热注入空穴的方式,注入带正电的空穴去中和掉存储的电子。

 

img4

那么,CT里的电子“动不了”,带来了什么好处呢?

对FG来说,浮栅下面的隧道氧化层一旦变薄或者因为反复擦写老化,就很容易出现缺陷。由于FG里的电子本来就能自由移动,氧化层一旦开了个口子,大量电子就会一拥而上“集体大逃亡”。

但CT的电子本来就像陷在奶酪里一样,即便绝缘层某个位置有缺陷,也只有附近的少量电子会受影响跑掉,远处的电子很难移动过来。所以CT对隧道氧化层的质量不那么敏感,即使氧化层变薄或老化,影响也很小。

 

另一个区别在于相邻单元之间的干扰:

FG的浮栅极是导体,任意两个单元之间会形成电容,一个单元里电荷的变化会影响到邻居;而CT的电荷存储材料是绝缘体,相邻单元之间的耦合电容很小,因此互相干扰更弱。

 

此外,CT在编程时需要的电压比FG更低,这意味着对氧化层的损伤更小,可以提升闪存的使用寿命。

 

总结来说CT相比FG有这几个优势:对氧化层质量不那么敏感;存储单元之间的干扰更小;寿命更长。

 

 

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