隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的興起，人類社會的工作和生活產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)。這些海量數(shù)據(jù)對新一代存儲技術(shù)提出了新要求： 大容量、高速率、低成本。NAND Flash作為存儲容量大、讀寫速度快、工藝成本低的半導(dǎo)體存儲器，已經(jīng)成為存儲技術(shù)中的主流器件。
NAND閃存全球市場已超過每年600億美金，并在持續(xù)快速增長。為了應(yīng)對龐大的存儲需求，需要持續(xù)推進閃存和相關(guān)存儲技術(shù)的研發(fā)。然而，目前國內(nèi)還沒有關(guān)于存儲技術(shù)的系統(tǒng)性書籍和教材。本書以中國科學(xué)院大學(xué)院級研究生優(yōu)秀課程存儲器工藝與器件技術(shù)課程講義為基礎(chǔ)，結(jié)合我國自主的3D NAND Flash技術(shù)研發(fā)實踐經(jīng)歷，集眾多教師和學(xué)生的共同努力撰寫而成。衷心希望本書能夠助力我國在集成電路專業(yè)相關(guān)學(xué)科，特別是存儲技術(shù)方向的人才培養(yǎng)，也希望本書能夠為我國的存儲技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新和存儲器事業(yè)貢獻綿薄之力。
本書共12章，第1章宏觀地介紹半導(dǎo)體存儲器的國內(nèi)外市場狀況和分類。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制，對多晶硅溝道技術(shù)和器件基本特性進行詳細介紹。第5章介紹3D NAND Flash的器件模型仿真技術(shù)，主要針對TCAD仿真平臺及其在2D NAND Flash和3D NAND Flash上的應(yīng)用進行具體介紹。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。第9章介紹NAND Flash的電路設(shè)計技術(shù)，包括基本架構(gòu)設(shè)計、高性能設(shè)計和高可靠性設(shè)計。第10章介紹NAND Flash的系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，包含存儲卡和SSD技術(shù)，并從控制器技術(shù)、固件技術(shù)、PCIe高速接口和糾錯碼技術(shù)多方面展開介紹。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)計方面概覽DRAM存儲器技術(shù)。第12章對各種新型存儲器技術(shù)進行介紹和展望，包括新型動態(tài)存儲器、相變存儲器、阻變存儲器、鐵電存儲器以及磁存儲器。
本書得以順利完成，特別感謝長江存儲科技責(zé)任有限公司提供的實踐機會，感謝陳南翔博士、楊士寧博士以及公司研發(fā)團隊對作者工作的大力支持。在公司團隊的支持下，編著者的理論積累得到了實踐的檢驗。
感謝中國科學(xué)院微電子研究所葉甜春研究員、戴博偉書記、王文武研究員和曹立強研究員等，有了他們的支持，三維存儲器研發(fā)中心得以成立并參與到我國3D NAND閃存技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)中。感謝存儲器中心劉飛研究員、李春龍研究員、王斯寧為本書所做的大量工作。同時，本書得到了中國科學(xué)院大學(xué)教材出版立項的資助，在此也感謝中國科學(xué)院大學(xué)相關(guān)的領(lǐng)導(dǎo)和老師對本書的支持與幫助。
感謝中國科學(xué)院微電子研究所研究生及國科大集成電路學(xué)院長江存儲定制班學(xué)生們在課程講義整理及更新中的工作，正是因為有了學(xué)生們的貢獻與積累，本書才得以完成。他們的名字是： 楊濤、趙冬雪、范冬宇、方語萱、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、韓潤昊、張瑜、鄒興奇、李子夫、徐啟康、何杰、衛(wèi)婷婷、王美蘭、萬金梅、侯偉、艾迪、王治煜、趙成林、閆亮、夏仕鈺、程婷、謝學(xué)準、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，本書致力于撰寫成一本全面專業(yè)的存儲器技術(shù)書籍，但是由于時間限制和編著者知識水平的限制，書中難免存在不足之處，懇請讀者給予指正。
編著者
2023年2月
第1章半導(dǎo)體存儲器概述
1.1半導(dǎo)體存儲器的市場狀況
1.1.1市場需求
1.1.2全球存儲芯片供給情況
1.1.3中國存儲器市場情況
1.2半導(dǎo)體存儲器器件簡介
1.2.1半導(dǎo)體存儲器分類
1.2.2存儲器的存儲單元
1.2.3NAND Flash產(chǎn)品簡介
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻
第2章Flash存儲器技術(shù)簡介
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未來發(fā)展趨勢
2.4.13D NAND Flash未來發(fā)展方向
2.4.2非馮·諾依曼架構(gòu)簡介
2.5NOR Flash技術(shù)
2.5.1NOR Flash基本操作
2.5.2NOR Flash存儲陣列結(jié)構(gòu)
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻
第3章3D NAND Flash存儲器工藝集成技術(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)機械平坦化
3.23D存儲器工藝集成
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
第4章3D NAND Flash存儲器器件單元特性
4.1NAND Flash操作物理機制
4.1.1NAND Flash存儲單元基本結(jié)構(gòu)
4.1.2NAND Flash存儲單元操作機制
4.1.3NAND Flash存儲單元讀取操作
4.1.4NAND Flash存儲單元編程操作
4.1.5NAND Flash存儲單元擦除操作
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
第5章3D NAND Flash存儲器模型模擬技術(shù)
5.1仿真工具簡介
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器件輸運特性簡介
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
第6章3D NAND Flash存儲器陣列操作技術(shù)
6.1NAND Flash陣列簡介
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
6.2.5兩步驗證技術(shù)
6.2.6多值存儲編程技術(shù)
6.2.7新型擦除技術(shù)
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻
第7章3D NAND Flash存儲器可靠性技術(shù)
7.1CMOS 器件可靠性簡介
7.1.1熱載流子注入效應(yīng)
7.1.2負偏壓溫度不穩(wěn)定性
7.1.3柵氧化層擊穿模型
7.2NAND Flash存儲單元可靠性
7.2.1存儲單元耐久特性
7.2.2存儲單元保持特性
7.2.3NAND Flash可靠性解決方案
7.2.4NAND Flash可靠性物理機制
7.2.5存儲單元及陣列讀取干擾
7.2.6陣列編程干擾
7.2.7存儲單元編程噪聲
7.2.8陣列瞬態(tài)讀取錯誤
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隨機電報噪聲
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
第8章3D NAND Flash存儲器測試表征技術(shù)
8.1器件電學(xué)表征測試方法
8.1.1單元級測試方法
8.1.2陣列級測試方法
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存儲單元耐久特性
8.2.5存儲單元保持特性
8.2.6初始閾值電壓漂移
8.2.7隨機電報噪聲
8.2.8電荷泵技術(shù)
8.3結(jié)構(gòu)及物理表征簡介
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掃描擴散電阻顯微鏡
8.3.6電子束檢測技術(shù)
8.3.7納米探針技術(shù)
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻
第9章NAND Flash存儲器芯片設(shè)計技術(shù)
9.1NAND Flash基本架構(gòu)設(shè)計
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
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
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
第10章NAND Flash存儲器系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)
10.1NAND Flash存儲卡
10.1.1eMMC
10.1.2UFS
10.1.3eMCP/uMCP
10.2SSD存儲系統(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糾錯碼技術(shù)
10.6.1ECC基本原理
10.6.2BCH糾錯碼
10.6.3LDPC糾錯碼
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻
第11章DRAM存儲器技術(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的電荷共享及信號放大
11.2DRAM技術(shù)發(fā)展及趨勢
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可靠性問題
11.3.3DRAM失效機制
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存儲節(jié)點接觸
11.4.6存儲節(jié)點刻蝕
11.4.7后段工藝
11.5DRAM感測電路設(shè)計
11.5.1基本的感測和放大電路
11.5.2分離數(shù)據(jù)線的感測電路
11.5.3感測電流分布式陣列
11.5.4直接感測
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻
第12章新型存儲器技術(shù)
12.1新型存儲器簡介
12.2新型動態(tài)存儲器
12.2.1新型動態(tài)存儲器簡介
12.2.2新型動態(tài)存儲器進展
12.2.3新型動態(tài)存儲器的挑戰(zhàn)與前景
12.3相變存儲器
12.3.1相變存儲器簡介
12.3.2相變存儲器3D技術(shù)的進展
12.3.3相變存儲器的挑戰(zhàn)和前景
12.4阻變存儲器
12.4.1阻變存儲器簡介
12.4.2阻變存儲器技術(shù)進展
12.4.3阻變存儲器的挑戰(zhàn)和前景
12.5鐵電存儲器
12.5.1鐵電存儲器簡介
12.5.2鐵電存儲器技術(shù)進展
12.5.3鐵電存儲器的挑戰(zhàn)和前景
12.6磁存儲器
12.6.1磁存儲器簡介
12.6.2磁存儲器技術(shù)進展
12.6.3磁存儲器的挑戰(zhàn)和前景
本章小結(jié)
習(xí)題
參考文獻
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