隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的興起，人類社會(huì)的工作和生活產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)。這些海量數(shù)據(jù)對(duì)新一代存儲(chǔ)技術(shù)提出了新要求： 大容量、高速率、低成本。NAND Flash作為存儲(chǔ)容量大、讀寫(xiě)速度快、工藝成本低的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，已經(jīng)成為存儲(chǔ)技術(shù)中的主流器件。
NAND閃存全球市場(chǎng)已超過(guò)每年600億美金，并在持續(xù)快速增長(zhǎng)。為了應(yīng)對(duì)龐大的存儲(chǔ)需求，需要持續(xù)推進(jìn)閃存和相關(guān)存儲(chǔ)技術(shù)的研發(fā)。然而，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于存儲(chǔ)技術(shù)的系統(tǒng)性書(shū)籍和教材。本書(shū)以中國(guó)科學(xué)院大學(xué)院級(jí)研究生優(yōu)秀課程存儲(chǔ)器工藝與器件技術(shù)課程講義為基礎(chǔ)，結(jié)合我國(guó)自主的3D NAND Flash技術(shù)研發(fā)實(shí)踐經(jīng)歷，集眾多教師和學(xué)生的共同努力撰寫(xiě)而成。衷心希望本書(shū)能夠助力我國(guó)在集成電路專業(yè)相關(guān)學(xué)科，特別是存儲(chǔ)技術(shù)方向的人才培養(yǎng)，也希望本書(shū)能夠?yàn)槲覈?guó)的存儲(chǔ)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新和存儲(chǔ)器事業(yè)貢獻(xiàn)綿薄之力。
本書(shū)共12章，第1章宏觀地介紹半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)狀況和分類。第2章主要介紹NAND Flash的發(fā)展歷史，2D NAND Flash微縮過(guò)程中的挑戰(zhàn)，以及3D NAND Flash的架構(gòu)發(fā)展歷程。第3章詳細(xì)介紹3D NAND Flash的具體工藝流程，具體分析集成工藝中的挑戰(zhàn)。第4章介紹3D NAND Flash的器件電學(xué)特性，分析具體操作的物理機(jī)制，對(duì)多晶硅溝道技術(shù)和器件基本特性進(jìn)行詳細(xì)介紹。第5章介紹3D NAND Flash的器件模型仿真技術(shù)，主要針對(duì)TCAD仿真平臺(tái)及其在2D NAND Flash和3D NAND Flash上的應(yīng)用進(jìn)行具體介紹。第6～8章分別介紹3D NAND Flash陣列操作、可靠性技術(shù)和測(cè)試表征技術(shù)等，其中陣列操作和相關(guān)可靠性技術(shù)是深入學(xué)習(xí)3D NAND Flash需要掌握的重要知識(shí)。第9章介紹NAND Flash的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，包括基本架構(gòu)設(shè)計(jì)、高性能設(shè)計(jì)和高可靠性設(shè)計(jì)。第10章介紹NAND Flash的系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，包含存儲(chǔ)卡和SSD技術(shù)，并從控制器技術(shù)、固件技術(shù)、PCIe高速接口和糾錯(cuò)碼技術(shù)多方面展開(kāi)介紹。第11章從基本原理、技術(shù)發(fā)展、可靠性、工藝集成和電路設(shè)計(jì)方面概覽DRAM存儲(chǔ)器技術(shù)。第12章對(duì)各種新型存儲(chǔ)器技術(shù)進(jìn)行介紹和展望，包括新型動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、相變存儲(chǔ)器、阻變存儲(chǔ)器、鐵電存儲(chǔ)器以及磁存儲(chǔ)器。
本書(shū)得以順利完成，特別感謝長(zhǎng)江存儲(chǔ)科技責(zé)任有限公司提供的實(shí)踐機(jī)會(huì)，感謝陳南翔博士、楊士寧博士以及公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)作者工作的大力支持。在公司團(tuán)隊(duì)的支持下，編著者的理論積累得到了實(shí)踐的檢驗(yàn)。
感謝中國(guó)科學(xué)院微電子研究所葉甜春研究員、戴博偉書(shū)記、王文武研究員和曹立強(qiáng)研究員等，有了他們的支持，三維存儲(chǔ)器研發(fā)中心得以成立并參與到我國(guó)3D NAND閃存技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)中。感謝存儲(chǔ)器中心劉飛研究員、李春龍研究員、王斯寧為本書(shū)所做的大量工作。同時(shí)，本書(shū)得到了中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教材出版立項(xiàng)的資助，在此也感謝中國(guó)科學(xué)院大學(xué)相關(guān)的領(lǐng)導(dǎo)和老師對(duì)本書(shū)的支持與幫助。
感謝中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研究生及國(guó)科大集成電路學(xué)院長(zhǎng)江存儲(chǔ)定制班學(xué)生們?cè)谡n程講義整理及更新中的工作，正是因?yàn)橛辛藢W(xué)生們的貢獻(xiàn)與積累，本書(shū)才得以完成。他們的名字是： 楊濤、趙冬雪、范冬宇、方語(yǔ)萱、李文琦、周穩(wěn)、賈信磊、韓佳茵、徐盼、楊琨、汪洋、朱桉熠、牛楚喬、張燕欽、李潤(rùn)澤、武金玉、張寧、李建杰、于曉磊、張博、王先良、李前輝、白明凱、牟君、韓潤(rùn)昊、張瑜、鄒興奇、李子夫、徐啟康、何杰、衛(wèi)婷婷、王美蘭、萬(wàn)金梅、侯偉、艾迪、王治煜、趙成林、閆亮、夏仕鈺、程婷、謝學(xué)準(zhǔn)、李琦、羅流洋、李雪、張華帆、楊柳、李志、趙月新、劉均展、袁野、李飛、汪宗武、袁璐月、宋玉潔。
最后，本書(shū)致力于撰寫(xiě)成一本全面專業(yè)的存儲(chǔ)器技術(shù)書(shū)籍，但是由于時(shí)間限制和編著者知識(shí)水平的限制，書(shū)中難免存在不足之處，懇請(qǐng)讀者給予指正。
編著者
2023年2月
第1章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器概述
1.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的市場(chǎng)狀況
1.1.1市場(chǎng)需求
1.1.2全球存儲(chǔ)芯片供給情況
1.1.3中國(guó)存儲(chǔ)器市場(chǎng)情況
1.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器器件簡(jiǎn)介
1.2.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類
1.2.2存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元
1.2.3NAND Flash產(chǎn)品簡(jiǎn)介
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第2章Flash存儲(chǔ)器技術(shù)簡(jiǎn)介
2.1Flash的歷史
2.22D NAND Flash技術(shù)發(fā)展
2.2.12D NAND Flash架構(gòu)及操作
2.2.22D NAND Flash技術(shù)發(fā)展及尺寸縮小
2.2.32D NAND Flash面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
2.33D NAND Flash技術(shù)發(fā)展
2.3.13D NAND Flash的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及器件原理
2.3.23D NAND CTF的結(jié)構(gòu)發(fā)展
2.3.33D浮柵型NAND Flash的結(jié)構(gòu)發(fā)展
2.4NAND Flash未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
2.4.13D NAND Flash未來(lái)發(fā)展方向
2.4.2非馮·諾依曼架構(gòu)簡(jiǎn)介
2.5NOR Flash技術(shù)
2.5.1NOR Flash基本操作
2.5.2NOR Flash存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第3章3D NAND Flash存儲(chǔ)器工藝集成技術(shù)
3.1半導(dǎo)體基本單步工藝
3.1.1光刻工藝
3.1.2刻蝕工藝
3.1.3外延生長(zhǎng)工藝
3.1.4離子注入/快速熱處理
3.1.5爐管工藝
3.1.6其他薄膜工藝
3.1.7濕法工藝
3.1.8化學(xué)機(jī)械平坦化
3.23D存儲(chǔ)器工藝集成
3.2.1外圍電路模塊
3.2.2NO疊層模塊
3.2.3臺(tái)階模塊
3.2.4溝道孔模塊
3.2.5柵隔離槽模塊
3.2.6接觸孔模塊
3.2.7后段模塊
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第4章3D NAND Flash存儲(chǔ)器器件單元特性
4.1NAND Flash操作物理機(jī)制
4.1.1NAND Flash存儲(chǔ)單元基本結(jié)構(gòu)
4.1.2NAND Flash存儲(chǔ)單元操作機(jī)制
4.1.3NAND Flash存儲(chǔ)單元讀取操作
4.1.4NAND Flash存儲(chǔ)單元編程操作
4.1.5NAND Flash存儲(chǔ)單元擦除操作
4.23D NAND多晶硅溝道技術(shù)
4.2.1多晶硅溝道模型與晶界陷阱
4.2.2多晶硅溝道漏電控制
4.3溫度對(duì)3D NAND Flash單元器件特性的影響
4.3.13D NAND Flash單元器件閾值電壓溫度特性分析
4.3.23D NAND Flash單元器件閾值電壓溫度特性優(yōu)化
4.43D NAND Flash器件挑戰(zhàn)與發(fā)展
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第5章3D NAND Flash存儲(chǔ)器模型模擬技術(shù)
5.1仿真工具簡(jiǎn)介
5.1.1Sentaurus TCAD
5.1.2Sentaurus WorkBench
5.1.3Sentaurus Process
5.1.4Sentaurus Structure Editor
5.1.5Sentaurus Device
5.2納米尺度器件模擬
5.2.1納米尺度MOS器件輸運(yùn)特性簡(jiǎn)介
5.2.2半導(dǎo)體仿真模擬概述
5.2.3半導(dǎo)體器件模型介紹
5.32D NAND Flash器件模擬
5.3.12D NAND Flash器件模型
5.3.22D NAND Flash器件操作及可靠性模擬
5.43D NAND Flash器件模擬
5.4.13D NAND Flash器件模擬介紹
5.4.23D NAND Flash器件溝道模擬
5.4.33D NAND Flash器件操作及可靠性模擬
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第6章3D NAND Flash存儲(chǔ)器陣列操作技術(shù)
6.1NAND Flash陣列簡(jiǎn)介
6.1.1NAND Flash陣列結(jié)構(gòu)
6.1.2NAND Flash陣列操作
6.2多值存儲(chǔ)的NAND Flash新型陣列技術(shù)
6.2.1ISPP編程技術(shù)
6.2.2編程自抑制技術(shù)
6.2.3雙堆棧編程技術(shù)
6.2.4讀取窗口裕度
6.2.5兩步驗(yàn)證技術(shù)
6.2.6多值存儲(chǔ)編程技術(shù)
6.2.7新型擦除技術(shù)
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第7章3D NAND Flash存儲(chǔ)器可靠性技術(shù)
7.1CMOS 器件可靠性簡(jiǎn)介
7.1.1熱載流子注入效應(yīng)
7.1.2負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性
7.1.3柵氧化層擊穿模型
7.2NAND Flash存儲(chǔ)單元可靠性
7.2.1存儲(chǔ)單元耐久特性
7.2.2存儲(chǔ)單元保持特性
7.2.3NAND Flash可靠性解決方案
7.2.4NAND Flash可靠性物理機(jī)制
7.2.5存儲(chǔ)單元及陣列讀取干擾
7.2.6陣列編程干擾
7.2.7存儲(chǔ)單元編程噪聲
7.2.8陣列瞬態(tài)讀取錯(cuò)誤
7.3NAND Flash陣列非理想效應(yīng)
7.3.1柵致漏端漏電效應(yīng)
7.3.2隨機(jī)電報(bào)噪聲
7.3.3背景模式干擾
7.3.4源端噪聲
7.3.5單元間電容耦合
7.3.6字線耦合噪聲
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第8章3D NAND Flash存儲(chǔ)器測(cè)試表征技術(shù)
8.1器件電學(xué)表征測(cè)試方法
8.1.1單元級(jí)測(cè)試方法
8.1.2陣列級(jí)測(cè)試方法
8.2NAND Flash器件電學(xué)表征基本參數(shù)
8.2.1單元閾值電壓
8.2.2單元編程/擦除速度
8.2.3陣列干擾特性
8.2.4存儲(chǔ)單元耐久特性
8.2.5存儲(chǔ)單元保持特性
8.2.6初始閾值電壓漂移
8.2.7隨機(jī)電報(bào)噪聲
8.2.8電荷泵技術(shù)
8.3結(jié)構(gòu)及物理表征簡(jiǎn)介
8.3.1掃描電子顯微鏡
8.3.2透射電子顯微鏡
8.3.3電子背散射衍射
8.3.4原子力顯微鏡
8.3.5掃描擴(kuò)散電阻顯微鏡
8.3.6電子束檢測(cè)技術(shù)
8.3.7納米探針技術(shù)
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第9章NAND Flash存儲(chǔ)器芯片設(shè)計(jì)技術(shù)
9.1NAND Flash基本架構(gòu)設(shè)計(jì)
9.1.1綜述
9.1.2NAND Flash芯片結(jié)構(gòu)
9.1.3閾值分布及多位單元
9.1.4NAND Flash基本操作
9.1.5NAND Flash基本指令集
9.2NAND Flash高性能設(shè)計(jì)
9.2.1基于性能提高的讀取技術(shù)
9.2.2基于性能提高的編程技術(shù)
9.2.3高速接口技術(shù)
9.3NAND Flash高可靠性設(shè)計(jì)
9.3.1NAND Flash失效因素
9.3.2基于可靠性改善的讀取技術(shù)
9.3.3基于可靠性改善的編程技術(shù)
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第10章NAND Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)
10.1NAND Flash存儲(chǔ)卡
10.1.1eMMC
10.1.2UFS
10.1.3eMCP/uMCP
10.2SSD存儲(chǔ)系統(tǒng)
10.2.1通用SSD系統(tǒng)
10.2.2DRAMLess SSD系統(tǒng)
10.2.3Open Channel SSD 系統(tǒng)
10.2.4Smart SSD系統(tǒng)
10.3Flash控制器技術(shù)
10.3.1SSD硬件系統(tǒng)架構(gòu)
10.3.2SSD系統(tǒng)前端控制器
10.3.3SSD系統(tǒng)后端控制器
10.4固件技術(shù)
10.4.1地址映射
10.4.2垃圾回收
10.4.3磨損均衡
10.4.4壞塊管理
10.4.5掉電恢復(fù)
10.4.6FTL可靠性算法
10.5高速接口技術(shù)
10.5.1PCIe概述
10.5.2PCIe通信方式
10.5.3PCIe封裝分層協(xié)議
10.5.4第六代PCIe協(xié)議
10.6糾錯(cuò)碼技術(shù)
10.6.1ECC基本原理
10.6.2BCH糾錯(cuò)碼
10.6.3LDPC糾錯(cuò)碼
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第11章DRAM存儲(chǔ)器技術(shù)
11.1DRAM基本原理
11.1.1DRAM電路工作原理
11.1.2DRAM數(shù)據(jù)讀取
11.1.3DRAM的電荷共享及信號(hào)放大
11.2DRAM技術(shù)發(fā)展及趨勢(shì)
11.2.1DRAM選擇管發(fā)展
11.2.2DRAM電容發(fā)展
11.2.3DRAM接口技術(shù)發(fā)展
11.3DRAM器件可靠性
11.3.1可靠性及壽命定義
11.3.2DRAM可靠性問(wèn)題
11.3.3DRAM失效機(jī)制
11.4DRAM工藝集成
11.4.1STI形成及注入
11.4.2選擇晶體管的形成
11.4.3位線接觸模塊
11.4.4位線和外圍晶體管的形成
11.4.5存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)接觸
11.4.6存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)刻蝕
11.4.7后段工藝
11.5DRAM感測(cè)電路設(shè)計(jì)
11.5.1基本的感測(cè)和放大電路
11.5.2分離數(shù)據(jù)線的感測(cè)電路
11.5.3感測(cè)電流分布式陣列
11.5.4直接感測(cè)
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第12章新型存儲(chǔ)器技術(shù)
12.1新型存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介
12.2新型動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器
12.2.1新型動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介
12.2.2新型動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器進(jìn)展
12.2.3新型動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的挑戰(zhàn)與前景
12.3相變存儲(chǔ)器
12.3.1相變存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介
12.3.2相變存儲(chǔ)器3D技術(shù)的進(jìn)展
12.3.3相變存儲(chǔ)器的挑戰(zhàn)和前景
12.4阻變存儲(chǔ)器
12.4.1阻變存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介
12.4.2阻變存儲(chǔ)器技術(shù)進(jìn)展
12.4.3阻變存儲(chǔ)器的挑戰(zhàn)和前景
12.5鐵電存儲(chǔ)器
12.5.1鐵電存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介
12.5.2鐵電存儲(chǔ)器技術(shù)進(jìn)展
12.5.3鐵電存儲(chǔ)器的挑戰(zhàn)和前景
12.6磁存儲(chǔ)器
12.6.1磁存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介
12.6.2磁存儲(chǔ)器技術(shù)進(jìn)展
12.6.3磁存儲(chǔ)器的挑戰(zhàn)和前景
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
書(shū)單推薦
