◆图书简介◆
《NAND闪存技术》讨论了基本和先进的NAND闪存技术，包括NAND闪存的原理、存储单元技术、多比特位单元技术、存储单元的微缩挑战、可靠性和作为未来技术的3D单元。第1章描述了NAND闪存的背景和早期历史。第2章描述了器件的基本结构和操作。接下来，第3章讨论了以微缩为重点的存储单元技术，并且第4章介绍了多电平存储单元的先进操作。第5章讨论了微缩的物理限制。第6章描述了NAND闪存的可靠性。第7章研究了3D NAND闪存单元，并讨论了结构、工艺、操作、可扩展性和性能方面的优缺点。第8章讨论了3D NAND闪存面临的挑战。最后，第9章总结并描述了未来NAND闪存的技术和市场前景。
《NAND闪存技术》适合从事NAND闪存或SSD（固态硬盘）和闪存系统开发的工程师、研究人员和设计人员阅读，也可供高等院校集成电路、微电子、电子技术等专业的师生参考。
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◆ 目录：◆
目 录
译者序
原书序
原书前言
致谢
作者简介
第1章 引言1
1.1 背景1
1.2 概述6
参考文献8
第2章 NAND闪存原理14
2.1 NAND闪存器件与结构14
2.1.1 NAND闪存单元结构14
2.1.2 外围器件16
2.2 单元操作17
2.2.1 读操作17
2.2.2 编程和擦除操作18
2.2.3 编程和擦除的动力学过程23
2.2.4 编程升压操作26
2.3 多电平单元（MLC）28
2.3.1 单元阈值电压设置28
参考文献29
第3章 NAND闪存器件31
3.1 引言31
3.2 LOCOS单元33
3.2.1 常规LOCOS单元33
3.2.2 先进LOCOS单元34
3.2.3 隔离技术35
3.2.4 可靠性38
3.3 带浮栅翼的自对准STI单元40
3.3.1 自对准STI单元结构40
3.3.2 制备工艺流程40
3.3.3 带浮栅翼的自对准STI单元的特性44
3.3.4 外围器件特性47
3.4 无浮栅翼的自对准STI单元49
3.4.1 自对准STI单元结构49
3.4.2 制备工艺流程51
3.4.3 STI技术52
3.4.4 自对准STI单元的特性53
3.5 平面浮栅单元55
3.5.1 结构优势55
3.5.2 电学特性56
3.6 侧壁传输晶体管（SWATT）单元58
3.6.1 SWATT单元概念58
3.6.2 制备工艺60
3.6.3 电学特性62
3.7 NAND闪存的先进技术65
3.7.1 虚拟字线65
3.7.2 p型浮栅69
参考文献75
第4章 多电平单元的先进操作79
4.1 引言79
4.2 紧凑Vth分布宽度的编程操作79
4.2.1 单元Vth设置79
4.2.2 增量步进脉冲编程（ISPP）81
4.2.3 逐位验证操作83
4.2.4 两步验证方案84
4.2.5 页编程中的伪通过方案86
4.3 页编程序列88
4.3.1 原始页编程方案88
4.3.2 新的页编程方案（一）90
4.3.3 新的页编程方案（二）92
4.3.4 全位线（ABL）架构93
4.4 TLC（3比特位/单元）95
4.5 QLC（4比特位/单元）99
4.6 三电平（1.5比特位/单元）NAND闪存101
4.7 移动读算法103
参考文献104
第5章 NAND闪存单元微缩面临的挑战109
5.1 引言109
5.2 读窗口裕度（RWM）110
5.2.1 RWM的假设条件110
5.2.2 编程态Vth分布宽度114
5.2.3 Vth窗口116
5.2.4 RWM118
5.2.5 RWM中Vth设置的依赖性118
5.3 浮栅电容耦合干扰119
5.3.1 浮栅电容耦合干扰模型120
5.3.2 沟道直接耦合122
5.3.3 源漏耦合124
5.3.4 空气隙和低k材料126
5.4 编程电子注入展宽（EIS）129
5.4.1 编程EIS理论129
5.4.2 浮栅低掺杂效应133
5.5 随机电报信号噪声（RTN）136
5.5.1 闪存单元中的RTN136
5.5.2 RTN的微缩趋势139
5.6 单元结构挑战143
5.7 高场限制144
5.8 少电子现象147
5.9 光刻工艺限制149
5.10 变化性效应151
5.11 微缩对数据保持的影响153
5.12 小结155
参考文献156
第6章 NAND闪存的可靠性163
6.1 引言163
6.2 编程/擦除循环耐久和数据保持165
6.2.1 编程/擦除方案165
6.2.2 编程/擦除循环耐久167
6.2.3 数据保持特性169
6.3 编程/擦除循环耐久和数据保持的特性分析175
6.3.1 编程/擦除循环退化175
6.3.2 应力诱导漏电流（SILC）180
6.3.3 NAND闪存产品中的数据保持183
6.3.4 分散式循环测试185
6.4 读干扰187
6.4.1 编程/擦除方案的依赖性187
6.4.2 脱阱和SILC191
6.4.3 NAND闪存产品中的读干扰194
6.4.4 读干扰中的热载流子注入机制196
6.5 编程干扰198
6.5.1 自升压模型198
6.5.2 热载流子注入机制202
6.5.3 沟道耦合206
6.6 不稳定的过度编程208
6.7 阈值电压的负向偏移现象211
6.7.1 背景和实验211
6.7.2 阈值电压负向偏移212
6.7.3 编程速度和受害单元的阈值电压依赖性213
6.7.4 编程条件下的载流子分离217
6.7.5 模型219
6.8 小结220
参考文献222
第7章 3D NAND闪存单元229
7.1 背景229
7.2 BiCS/P-BiCS231
7.2.1 BiCS的概念231
7.2.2 BiCS制备工艺流程233
7.2.3 电学特性234
7.2.4 管形BiCS239
7.3 TCAT/V-NAND243
7.3.1 TCAT结构和制备工艺流程243
7.3.2 电学特性246
7.3.3 128Gbit MLC NAND闪存247
7.3.4 128Gbit TLC V-NAND闪存249
7.4 SMArT251
7.4.1 SMArT结构的先进性251
7.4.2 电学特性253
7.5 VG-NAND254
7.5.1 VG-NAND的结构和制备工艺流程254
7.5.2 电学特性256
7.6 DC-SF单元259
7.6.1 电荷陷阱型3D单元的问题259
7.6.2 DC-SF NAND闪存单元259
7.6.3 结果和讨论264
7.6.4 微缩能力266
7.7 先进DC-SF单元267
7.7.1 DC-SF单元上的改进267
7.7.2 MCGL工艺268
7.7.3 新的读方案268
7.7.4 新的编程方案274
7.7.5 可靠性276
参考文献277
第8章 3D NAND闪存面临的挑战282
8.1 引言282
8.2 3D NAND单元的比较283
8.3 数据保持286
8.3.1 快速初始电荷损失286
8.3.2 温度依赖性288
8.4 编程干扰289
8.4.1 新的编程干扰模式289
8.4.2 编程干扰的分析290
8.5 字线RC延迟295
8.6 单元电路波动297
8.6.1 传导机理297
8.6.2 VG依赖性301
8.6.3 RTN303
8.6.4 “通心粉”沟道的背端陷阱305
8.6.5 激光热退火309
8.7 堆叠单元数量310
8.8 阵列下外围电路312
8.9 功耗314
8.10 3D NAND闪存未来的发展趋势315
参考文献317
第9章 总结321
9.1 讨论与结论321
9.2 展望323
参考文献324
附录 术语中英文对照表327
◆ 前言：◆
原书前言
NAND闪存成为标准的半导体非易失性存储器。世界上每个人都在许多应用中广泛使用NAND闪存，例如数码相机、USB驱动器、MP3音乐播放器、智能手机和平板电脑。云数据服务器开始使用基于NAND闪存的SSD（固态硬盘）。最近，为了降低比特位成本，3D NAND闪存被开发出来并开始量产。利用3D NAND闪存，集中开发高性能、低功耗的先进SSD，避免了对生态环境的破坏。
随着NAND闪存产量的增加，从事NAND闪存开发和生产的工程师也在增加。许多从事存储设备工作的人也加入了NAND闪存行业。《NAND闪存技术》这本书旨在为NAND闪存开发工程师、NAND闪存用户、产品工程师、应用工程师、营销经理、技术经理、开发和生产SSD的工程师、其他与NAND闪存相关的存储设备（如数据服务器等）的工程师等提供NAND闪存技术的详细见解。
《NAND闪存技术》也适合新的工程师和研究生快速学习和熟悉NAND闪存技术。我希望《NAND闪存技术》这本书能够鼓励新来者为未来的NAND闪存技术和产品做出贡献。
《NAND闪存技术》的内容包括：早期历史，存储单元技术，基本结构和物理，操作原理，存储单元缩放的历史和趋势，多电平单元（2、3、4比特位/单元）的先进操作，缩放挑战，可靠性，3D NAND闪存单元，3D NAND闪存单元的缩放挑战，以及NAND闪存的未来前景。
在介绍了NAND闪存的研究背景之后，第1章介绍了NAND闪存的早期历史。第2章描述了器件的基本结构和操作。
第3章讨论了存储单元技术的微缩问题。为了缩小存储单元尺寸，存储单元结构已经从LOCOS隔离单元演变为自对准STI单元，同时减小了特征尺寸（设计规则）。
第4章介绍了多电平单元的先进操作。由于有足够的读窗口裕度，对于多电平单元，紧凑的阈值电压分布宽度是非常重要的。先进的操作主要是针对这一点开发的。
通过将存储单元尺寸缩小到20nm以下，一些物理限制现象被放大。第5章讨论了缩放中物理限制的细节。如第4章所述，即使采用高级操作，浮栅电容耦合干扰对缩放的影响也是最严重的。第5章还讨论了其他物理限制因素，如电子注入展宽、RTN、结构限制、高场问题等。
第6章描述了NAND闪存的可靠性。编程/擦除循环通过产生电子/空穴陷阱和应力诱导漏电流（SILC）而降低隧穿氧化层质量。因此，随着循环次数的增加，循环耐久性、数据保持、读干扰、编程干扰和不稳定的过度编程的所有可靠性方面都会降低。第6章也讨论了器件可靠性的机理和影响。
第7章展示了3D NAND闪存单元。人们提出了许多类型的3D单元。第7章介绍了这些3D单元，并讨论了它们在结构、工艺、操作、可微缩性、性能等方面的优缺点。
3D NAND闪存于2013年开始量产。全面生产于2016年开始。然而，对于未来的3D NAND闪存，仍然存在许多问题需要解决。在第8章中，讨论了3D NAND闪存面临的挑战。增加堆叠单元的数量对于减小3D单元的有效单元大小至关重要。正如该章所讨论的，高深宽比工艺和小单元电流问题将极其重要。我试图为这些问题提供一些可能的解决方案，并讨论了其他挑战，如新的编程干扰问题、数据保持、功耗等。
在第9章中，我总结和描述了NAND闪存未来的技术和市场前景。
我相信《NAND闪存技术》这本书是对NAND闪存行业和相关产品的重大贡献。我真诚地希望这本书对大家今后的工作有用。
Seiichi Aritome
日本川崎
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◆ 序言：◆
原书序
1986年，当我在华盛顿特区时，有了一个关于NAND闪存的想法。
当时我在华盛顿特区待了很长时间。美国国际贸易委员会（ITC）对日本所有DRAM制造商提起诉讼，要求禁止他们向美国出口，因为他们侵犯了德州仪器公司的DRAM专利。我被派往华盛顿特区，担任处理ITC诉讼的工程师。ITC的庭审从早上6点一直持续到午夜，非常艰难。然而，庭审并不是每天都举行。在那些日子里，我有很多空闲时间。我对未来的半导体存储器进行了深入的思考，我几年前发明的NOR闪存太弱了，无法取代磁盘，我们需要进一步降低比特位成本，进一步缩小每比特占用的空间。答案是“NAND闪存”。1986年，我立即提交了专利申请，并于1987年4月24日在日本提交了申请。NAND闪存的美国专利注册号为USP 5245566。
回到日本后，我于1987年在东芝公司VLSI研究中心开始了NAND闪存的开发。我邀请几位工程师组成了NAND闪存的开发团队，在很短的时间内获得了读写的基本数据。我们立即向1987年的IEDM会议提交了一篇论文。为了进一步加速NAND闪存的开发，我从DRAM团队中指派了几名成员（包括本书的作者Aritome博士）到闪存团队。
在那之后，我积极推动开发。我提出了一个4Mbit NAND闪存的原型器件的设计。然而，不幸的是，研究中心没有足够的预算来进行这个项目。NAND闪存的开发正处于危机中。我得找个人来资助NAND项目，这样它才能继续下去。我首先拜访了东芝公司的计算机开发部门，但他们的回答是，他们不会资助一个在半导体上取代磁存储器的梦想项目。与此同时，我向消费电子实验室主任Tajiri解释说，如果我们设法生产出4Mbit NAND闪存，相机就不再需要胶卷了。我确实是在解释我们今天所知道的数码相机将成为可能。因此，消费电子实验室承担了开发费用。我们于1988年成功开发了4Mbit NAND闪存，并于1989年2月在ISSCC上宣布了这个4Mbit NAND闪存。此后，消费电子实验室主任Tajiri使用4Mbit NAND闪存推出了世界上第一台用NAND闪存取代传统胶卷的数码相机。当时，世界上第一款基于闪存的相机价格很高，超过200万日元（合2万美元），因此销量不佳。
1992年，NAND闪存开始生产。第一个器件是0.7μm设计规则的16Mbit存储器。产量非常小；然而，这是一个重要的里程碑。为了大规模生产，我们不得不等待4 ~ 5年，以创造主要用于数码相机的闪存卡市场。在生产存储卡之后，NAND闪存的市场惊人地巨大。这是颠覆性创新。盒式磁带的音乐播放器被基于闪存的便携式MP3音乐播放器所取代。USB存储器出现了，因此软盘消失了。智能手机和平板电脑都是基于NAND闪存的存在而设计的。如今，NAND闪存已成为标准的非易失性存储器，随处可见。然而，取代磁存储器（HDD等）的梦想还在继续。我期待SSD将来会取代HDD。
1994年，我离开东芝公司，被调到日本东北大学担任教授。我提出了SGT（环栅晶体管）NAND闪存，我也开始了SGT 3D NAND闪存的基础开发。《福布斯》杂志在2002年6月24日的封面上刊登了SGT NAND闪存的结构图和我的照片。SGT NAND闪存的单元结构目前用于量产的3D NAND闪存中。所有NAND供应商都在集中开发基于SGT结构的下一代先进3D NAND闪存。
随着NAND闪存市场的扩大，从事NAND闪存及其相关产品开发的工程师迅速增加。《NAND闪存技术》这本书有助于了解历史、基本结构和过程、缩放问题、3D NAND闪存等。Aritome博士是NAND闪存开发团队的原始成员之一，拥有超过27年的NAND闪存开发和生产工程师经验。我希望《NAND闪存技术》这本书将有助于未来的NAND闪存技术和产品，包括SSD。
最后，我要感谢NAND闪存开发的原始团队成员。NAND闪存的实现离不开他们的贡献。我很高兴也很幸运能与他们合作，共同致力于NAND闪存的开发。
Fujio Masuoka
Semicon Consulting有限公司首席技术官
日本东北大学名誉教授
◆ 作者简介：◆
Seiichi Aritome从2009年到2014年担任韩国利川市SK海力士公司的高级研究员。他在多个国家的多家公司为NAND闪存技术做出了超过27年的贡献。他曾在中国台湾省的力晶半导体公司担任项目主管，在美国爱达荷州的美光科技公司担任高级工艺可靠性工程师，在日本川崎市的东芝公司担任首席专家。他毕业于日本广岛大学高等物质科学研究生院，获博士学位。他是IEEE会士（Fellow） 和IEEE电子器件学会（ Electron Device Society）的成员。
◆ 译者序：◆
译者序
NAND闪存技术的发展历程，满是创新和突破。这项技术诞生于 20 世纪 80 年代，是东芝公司的Fujio Masuoka博士发明的。在当时，传统存储技术在容量和成本方面有很多不足，Fujio Masuoka博士提出了全新的存储架构，NAND 闪存技术就这么出现了。最近这些年，3D NAND技术兴起，NAND闪存技术又上了一个新台阶。3D NAND通过在垂直方向堆叠存储单元，打破了平面存储的物理限制，不仅提高了存储密度、降低了成本，性能和可靠性也有明显提升。这满足了数据中心对大量存储和快速读写的需求，为云计算、大数据分析等新技术的发展提供了强有力的支撑。
这本关于NAND闪存技术的学术著作，在这个领域就像一个知识宝库。它不仅把NAND闪存技术从开始出现到发展成熟的过程梳理得很清楚，还深入分析了底层原理、最新的技术突破，以及未来的发展趋势。不管是刚接触NAND闪存技术的新手，还是在这个行业钻研多年的资深人士，都能从《NAND闪存技术》这本书里学到新知识，得到新启发。
翻译《NAND闪存技术》这本书，是因为出版社的刘星宁编辑邀请我。那时我刚到江汉大学工作，以前也未做过学术翻译。刘编辑通过邮件和我沟通了很多次，详细介绍了这本书，再加上自身对NAND闪存技术的兴趣，也希望能为国内这个领域的发展出份力，就决定接下这个翻译工作。2016年我博士毕业就加入了长江存储，参与3D NAND闪存工艺技术的研发。在这个过程中，我很明显地感觉到，国内在这方面虽然已经有了很大进步，但和国际先进水平比起来，在专业知识的深度和广度上还有提升的空间。好的专业书籍对知识传播和技术进步特别重要，所以我希望通过翻译《NAND闪存技术》这本书，把里面的专业知识和技术理念带到国内，给国内关注NAND闪存技术的人和专业人士搭建一座和国际接轨的知识桥梁。
翻译的时候，遇到了不少困难。NAND闪存技术的专业术语特别多，而且不同国家和地区的表达还不一致，要保证翻译的准确性和一致性很难。书里还有很多复杂的技术细节和原理，需要在准确传达原文意思的同时，让译文简单易懂，让不同水平的读者都能看明白、有收获，这也是我一直努力解决的问题。为了做好翻译，我查阅了大量专业文献资料，还和行业里的专家学者讨论，力求每一个术语、每一句话都能得到准确的翻译。
在此，对翻译过程中提供帮助的刘昊、刘进泽表示感谢，感谢他们在内容翻译、校对上提供的大力支持；同时也要感谢那些在专业术语和技术细节翻译上给我提供帮助、接受我咨询的专业人士。
衷心期望这本凝聚着原作者心血与我努力的译著，能为国内NAND闪存技术领域的发展注入新的活力。无论是初涉该领域的学生，还是在行业内拼搏的专业人才，都能从书中汲取到宝贵的知识和灵感，共同推动我国NAND闪存技术迈向新的高度。
陈子琪
2025年1月于江汉大学
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