存储器工艺与器件技术

随着大数据、云计算、物联网的兴起，人类社会的工作和生活产生了海量的数据。这些海量数据对新一代存储技术提出了新要求： 大容量、高速率、低成本。NAND Flash作为存储容量大、读写速度快、工艺成本低的半导体存储器，已经成为存储技术中的主流器件。

NAND闪存全球市场已超过每年600亿美金，并在持续快速增长。为了应对庞大的存储需求，需要持续推进闪存和相关存储技术的研发。然而，目前国内还没有关于存储技术的系统性书籍和教材。本书以中国科学院大学院级“研究生优秀课程”——“存储器工艺与器件技术”课程讲义为基础，结合我国自主的3D NAND Flash技术研发实践经历，集众多教师和学生的共同努力撰写而成。衷心希望本书能够助力我国在集成电路专业相关学科，特别是存储技术方向的人才培养，也希望本书能够为我国的存储技术持续创新和存储器事业贡献绵薄之力。

本书共12章，第1章宏观地介绍半导体存储器的国内外市场状况和分类。第2章主要介绍NAND Flash的发展历史，2D NAND Flash微缩过程中的挑战，以及3D NAND Flash的架构发展历程。第3章详细介绍3D NAND Flash的具体工艺流程，具体分析集成工艺中的挑战。第4章介绍3D NAND Flash的器件电学特性，分析具体操作的物理机制，对多晶硅沟道技术和器件基本特性进行详细介绍。第5章介绍3D NAND Flash的器件模型仿真技术，主要针对TCAD仿真平台及其在2D NAND Flash和3D NAND Flash上的应用进行具体介绍。第6～8章分别介绍3D NAND Flash阵列操作、可靠性技术和测试表征技术等，其中阵列操作和相关可靠性技术是深入学习3D NAND Flash需要掌握的重要知识。第9章介绍NAND Flash的电路设计技术，包括基本架构设计、高性能设计和高可靠性设计。第10章介绍NAND Flash的系统应用技术，包含存储卡和SSD技术，并从控制器技术、固件技术、PCIe高速接口和纠错码技术多方面展开介绍。第11章从基本原理、技术发展、可靠性、工艺集成和电路设计方面概览DRAM存储器技术。第12章对各种新型存储器技术进行介绍和展望，包括新型动态存储器、相变存储器、阻变存储器、铁电存储器以及磁存储器。

本书得以顺利完成，特别感谢长江存储科技责任有限公司提供的实践机会，感谢陈南翔博士、杨士宁博士以及公司研发团队对作者工作的大力支持。在公司团队的支持下，编著者的理论积累得到了实践的检验。

感谢中国科学院微电子研究所叶甜春研究员、戴博伟书记、王文武研究员和曹立强研究员等，有了他们的支持，三维存储器研发中心得以成立并参与到我国3D NAND闪存技术和产品的研发中。感谢存储器中心刘飞研究员、李春龙研究员、王斯宁为本书所做的大量工作。同时，本书得到了中国科学院大学教材出版立项的资助，在此也感谢中国科学院大学相关的领导和老师对本书的支持与帮助。

感谢中国科学院微电子研究所研究生及国科大集成电路学院长江存储定制班学生们在课程讲义整理及更新中的工作，正是因为有了学生们的贡献与积累，本书才得以完成。他们的名字是： 杨涛、赵冬雪、范冬宇、方语萱、李文琦、周稳、贾信磊、韩佳茵、徐盼、杨琨、汪洋、朱桉熠、牛楚乔、张燕钦、李润泽、武金玉、张宁、李建杰、于晓磊、张博、王先良、李前辉、白明凯、牟君、韩润昊、张瑜、邹兴奇、李子夫、徐启康、何杰、卫婷婷、王美兰、万金梅、侯伟、艾迪、王治煜、赵成林、闫亮、夏仕钰、程婷、谢学准、李琦、罗流洋、李雪、张华帆、杨柳、李志、赵月新、刘均展、袁野、李飞、汪宗武、袁璐月、宋玉洁。

最后，本书致力于撰写成一本全面专业的存储器技术书籍，但是由于时间限制和编著者知识水平的限制，书中难免存在不足之处，恳请读者给予指正。

编著者 
2023年2月

存储器是半导体产业的基石之一。随着全球物联网、大数据中心、智能家居、穿戴设备等应用带动的数据存储市场的快速增长，NAND存储器日益成为当前存储器市场的主流。本教材重点介绍半导体存储器分类、闪存技术、3D NAND Flash阵列、制造工艺、操作、电学特性与可靠性以及电路设计。本教材可供高等院校的高年级本科生和研究生，集成电路和存储器方向研发工程师、制造工程师参考，为中国存储器事业添砖加瓦，推动科学创新产业化。

霍宗亮,中国科学院微电子研究所研究员，博士生导师，中国科学院人才引进计划学者，中国科学院微电子研究所存储器中心主任，中国科学院大学微电子学院存储器教研室主任。于2016-2017学年开设“存储器工艺与器件”课程，承担或参与了包括02重大专项、重点研发、自然科学基金、中科院STS等多个国家级和院级科研项目，在长期的闪存技术研究工作中，在闪存器件存储材料筛选和工艺、器件结构优化设计、存储机理、器件可靠性、集成工艺技术和芯片设计技术等方面形成了特色。近五年发表了50余篇高质量论文，申请了70于项专利，科研成果受到了学术界和业界的关注和肯定，部分成果已经应用于存储产品当中。同时获得了中国科学院微电子研究所科研成果一等奖、集成电路产业技术创新战略联盟技术创新奖等诸多奖项。完成了多项三维存储器前沿探索和工程研发任务，与长江存储公司深度合作，在成功研发出我国第一代32层3D NAND存储芯片的基础上，连续突破并掌握第二代64层、第三代128层3D NAND存储器的核心技术，已成功实现产品量产，达到世界前沿技术水平。

第1章半导体存储器概述

1.1半导体存储器的市场状况

1.1.1市场需求

1.1.2全球存储芯片供给情况

1.1.3中国存储器市场情况

1.2半导体存储器器件简介

1.2.1半导体存储器分类

1.2.2存储器的存储单元

1.2.3NAND Flash产品简介

本章小结

习题

参考文献

第2章Flash存储器技术简介

2.1Flash的历史

2.22D NAND Flash技术发展

2.2.12D NAND Flash架构及操作

2.2.22D NAND Flash技术发展及尺寸缩小

2.2.32D NAND Flash面临的技术挑战

2.33D NAND Flash技术发展

2.3.13D NAND Flash的技术优势及器件原理

2.3.23D NAND CTF的结构发展

2.3.33D浮栅型NAND Flash的结构发展

2.4NAND Flash未来发展趋势

2.4.13D NAND Flash未来发展方向

2.4.2非冯·诺依曼架构简介

2.5NOR Flash技术

2.5.1NOR Flash基本操作 

2.5.2NOR Flash存储阵列结构 

本章小结

习题

参考文献

第3章3D NAND Flash存储器工艺集成技术

3.1半导体基本单步工艺

3.1.1光刻工艺

3.1.2刻蚀工艺 

3.1.3外延生长工艺

3.1.4离子注入/快速热处理

3.1.5炉管工艺

3.1.6其他薄膜工艺 

3.1.7湿法工艺

3.1.8化学机械平坦化

3.23D存储器工艺集成

3.2.1外围电路模块

3.2.2NO叠层模块

3.2.3台阶模块

3.2.4沟道孔模块

3.2.5栅隔离槽模块

3.2.6接触孔模块

3.2.7后段模块

本章小结

习题

参考文献

第4章3D NAND Flash存储器器件单元特性

4.1NAND Flash操作物理机制

4.1.1NAND Flash存储单元基本结构

4.1.2NAND Flash存储单元操作机制

4.1.3NAND Flash存储单元读取操作

4.1.4NAND Flash存储单元编程操作

4.1.5NAND Flash存储单元擦除操作

4.23D NAND多晶硅沟道技术

4.2.1多晶硅沟道模型与晶界陷阱

4.2.2多晶硅沟道漏电控制

4.3温度对3D NAND Flash单元器件特性的影响 

4.3.13D NAND Flash单元器件阈值电压温度特性分析

4.3.23D NAND Flash单元器件阈值电压温度特性优化

4.43D NAND Flash器件挑战与发展

本章小结

习题

参考文献

第5章3D NAND Flash存储器模型模拟技术

5.1仿真工具简介

5.1.1Sentaurus TCAD

5.1.2Sentaurus WorkBench

5.1.3Sentaurus Process

5.1.4Sentaurus Structure Editor

5.1.5Sentaurus Device

5.2纳米尺度器件模拟

5.2.1纳米尺度MOS器件输运特性简介

5.2.2半导体仿真模拟概述

5.2.3半导体器件模型介绍

5.32D NAND Flash器件模拟

5.3.12D NAND Flash器件模型

5.3.22D NAND Flash器件操作及可靠性模拟

5.43D NAND Flash器件模拟

5.4.13D NAND Flash器件模拟介绍

5.4.23D NAND Flash器件沟道模拟

5.4.33D NAND Flash器件操作及可靠性模拟

本章小结

习题

参考文献

第6章3D NAND Flash存储器阵列操作技术

6.1NAND Flash阵列简介

6.1.1NAND Flash阵列结构

6.1.2NAND Flash阵列操作 

6.2多值存储的NAND Flash新型阵列技术

6.2.1ISPP编程技术

6.2.2编程自抑制技术

6.2.3双堆栈编程技术

6.2.4读取窗口裕度

6.2.5两步验证技术

6.2.6多值存储编程技术

6.2.7新型擦除技术

本章小结

习题

参考文献

第7章3D NAND Flash存储器可靠性技术

7.1CMOS 器件可靠性简介

7.1.1热载流子注入效应

7.1.2负偏压温度不稳定性

7.1.3栅氧化层击穿模型

7.2NAND Flash存储单元可靠性

7.2.1存储单元耐久特性

7.2.2存储单元保持特性

7.2.3NAND Flash可靠性解决方案

7.2.4NAND Flash可靠性物理机制

7.2.5存储单元及阵列读取干扰

7.2.6阵列编程干扰

7.2.7存储单元编程噪声

7.2.8阵列瞬态读取错误

7.3NAND Flash阵列非理想效应

7.3.1栅致漏端漏电效应

7.3.2随机电报噪声

7.3.3背景模式干扰

7.3.4源端噪声

7.3.5单元间电容耦合

7.3.6字线耦合噪声

本章小结

习题

参考文献

第8章3D NAND Flash存储器测试表征技术

8.1器件电学表征测试方法

8.1.1单元级测试方法

8.1.2阵列级测试方法

8.2NAND Flash器件电学表征基本参数

8.2.1单元阈值电压

8.2.2单元编程/擦除速度

8.2.3阵列干扰特性

8.2.4存储单元耐久特性

8.2.5存储单元保持特性

8.2.6初始阈值电压漂移

8.2.7随机电报噪声

8.2.8电荷泵技术

8.3结构及物理表征简介

8.3.1扫描电子显微镜

8.3.2透射电子显微镜

8.3.3电子背散射衍射

8.3.4原子力显微镜

8.3.5扫描扩散电阻显微镜

8.3.6电子束检测技术

8.3.7纳米探针技术

本章小结

习题

参考文献

第9章NAND Flash存储器芯片设计技术

9.1NAND Flash基本架构设计

9.1.1综述

9.1.2NAND Flash芯片结构

9.1.3阈值分布及多位单元

9.1.4NAND Flash基本操作

9.1.5NAND Flash基本指令集

9.2NAND Flash高性能设计

9.2.1基于性能提高的读取技术

9.2.2基于性能提高的编程技术

9.2.3高速接口技术

9.3NAND Flash高可靠性设计

9.3.1NAND Flash失效因素

9.3.2基于可靠性改善的读取技术

9.3.3基于可靠性改善的编程技术

本章小结

习题

参考文献

第10章NAND Flash存储器系统应用技术

10.1NAND Flash存储卡

10.1.1eMMC

10.1.2UFS

10.1.3eMCP/uMCP

10.2SSD存储系统

10.2.1通用SSD系统

10.2.2DRAMLess SSD系统

10.2.3Open Channel SSD 系统

10.2.4Smart SSD系统

10.3Flash控制器技术

10.3.1SSD硬件系统架构

10.3.2SSD系统前端控制器

10.3.3SSD系统后端控制器

10.4固件技术

10.4.1地址映射

10.4.2垃圾回收

10.4.3磨损均衡

10.4.4坏块管理

10.4.5掉电恢复

10.4.6FTL可靠性算法

10.5高速接口技术

10.5.1PCIe概述

10.5.2PCIe通信方式

10.5.3PCIe封装分层协议

10.5.4第六代PCIe协议

10.6纠错码技术

10.6.1ECC基本原理

10.6.2BCH纠错码

10.6.3LDPC纠错码

本章小结

习题

参考文献

第11章DRAM存储器技术

11.1DRAM基本原理

11.1.1DRAM电路工作原理

11.1.2DRAM数据读取

11.1.3DRAM的电荷共享及信号放大

11.2DRAM技术发展及趋势

11.2.1DRAM选择管发展

11.2.2DRAM电容发展

11.2.3DRAM接口技术发展

11.3DRAM器件可靠性

11.3.1可靠性及寿命定义

11.3.2DRAM可靠性问题

11.3.3DRAM失效机制

11.4DRAM工艺集成

11.4.1STI形成及注入

11.4.2选择晶体管的形成

11.4.3位线接触模块

11.4.4位线和外围晶体管的形成

11.4.5存储节点接触

11.4.6存储节点刻蚀

11.4.7后段工艺

11.5DRAM感测电路设计

11.5.1基本的感测和放大电路

11.5.2分离数据线的感测电路

11.5.3感测电流分布式阵列

11.5.4直接感测

本章小结

习题

参考文献

第12章新型存储器技术

12.1新型存储器简介

12.2新型动态存储器

12.2.1新型动态存储器简介

12.2.2新型动态存储器进展

12.2.3新型动态存储器的挑战与前景

12.3相变存储器

12.3.1相变存储器简介

12.3.2相变存储器3D技术的进展

12.3.3相变存储器的挑战和前景

12.4阻变存储器

12.4.1阻变存储器简介

12.4.2阻变存储器技术进展

12.4.3阻变存储器的挑战和前景

12.5铁电存储器

12.5.1铁电存储器简介

12.5.2铁电存储器技术进展

12.5.3铁电存储器的挑战和前景

12.6磁存储器

12.6.1磁存储器简介

12.6.2磁存储器技术进展

12.6.3磁存储器的挑战和前景

本章小结

习题

参考文献

存储器是半导体产业的基石之一。随着全球物联网、大数据中心、智能家居、穿戴设备等应用带动的数据存储市场的快速增长，NAND存储器日益成为当前存储器市场的主流。本教材重点介绍半导体存储器分类、闪存技术、3D NAND Flash阵列、制造工艺、操作、电学特性与可靠性以及电路设计。本教材可供高等院校的高年级本科生和研究生，集成电路和存储器方向研发工程师、制造工程师参考，为中国存储器事业添砖加瓦，推动科学创新产业化。

霍宗亮,中国科学院微电子研究所研究员，博士生导师，中国科学院人才引进计划学者，中国科学院微电子研究所存储器中心主任，中国科学院大学微电子学院存储器教研室主任。于2016-2017学年开设“存储器工艺与器件”课程，承担或参与了包括02重大专项、重点研发、自然科学基金、中科院STS等多个国家级和院级科研项目，在长期的闪存技术研究工作中，在闪存器件存储材料筛选和工艺、器件结构优化设计、存储机理、器件可靠性、集成工艺技术和芯片设计技术等方面形成了特色。近五年发表了50余篇高质量论文，申请了70于项专利，科研成果受到了学术界和业界的关注和肯定，部分成果已经应用于存储产品当中。同时获得了中国科学院微电子研究所科研成果一等奖、集成电路产业技术创新战略联盟技术创新奖等诸多奖项。完成了多项三维存储器前沿探索和工程研发任务，与长江存储公司深度合作，在成功研发出我国第一代32层3D NAND存储芯片的基础上，连续突破并掌握第二代64层、第三代128层3D NAND存储器的核心技术，已成功实现产品量产，达到世界前沿技术水平。