對NAND存儲器的需求不斷增長

隨著游戲產業和數據中心的蓬勃發展，全球 NAND 市場正呈擴張之勢。而由于新冠疫情的爆發，人們更多選擇遠程辦公和在線課程，對數據中心和云服務器的需求隨之增長，市場對 NAND 存儲器的需求也大幅增加。從移動或便攜式固態硬盤到數據中心，從企業固態硬盤再到汽車配件， NAND 閃存的應用領域和使用場景愈發多樣化，各種要求也隨之出現，常見的譬如更高的讀寫速度、最大化的存儲容量、更低的功耗和更低的成本等等。為了滿足這些要求，數據的存儲方式和堆疊方法也在不停發展演變。

NAND閃存的數據存儲辦法

NAND 閃存是一種通過在氮化硅的內部補集點捕獲電子或空穴來存儲信息的設備。在這種設備中，工作區和柵極間會留有通道供電流通過硅晶片表面，而根據浮置柵極中存儲的電荷類型，便可進行存儲編程 (“1”) 和擦除 (“0”) 信息的操作。同時，在一個單元內存儲 1 個比特的操作被稱為單層單元 (SLC)。氮化硅內部捕獲的電子數量與單元晶體管的閾值電壓成正比，因此，當俘獲大量電子時，即實現了高閾值電壓；捕獲少量電子會造成低閾值電壓。

通過將捕獲的電子數量分成三份，并將每份的中間電壓施加到單元柵極上，可以檢查電流的流通狀態，從而確定所捕獲的電子數量。在這種情況下，存在四種狀態，其中包括擦除狀態：這就是 2 比特多層單元 (2 bit-MLC)。2 比特多層單元的這四種狀態可以描述為“11”、“10”、“01”和“00”，每個單元可以存儲 2 個比特的信息。從定義而言，多層單元指的是一種狀態，在這種狀態下，一個單元具有多層的 2 個比特或更多比特；然而在本文中，多層單元是相對于單層單元（SLC，Single Level Cell）而言的。方便起見，本文將存儲 2 個比特信息的多層單元（MLC，Multi Level Cell）稱為 2 比特多層單元。

在相同的方法下，若產生八單元狀態并存儲 3 個比特的信息時，此類狀態則被稱為三層單元 (TLC，Triple Level Cell)；同樣，當產生十六單元狀態并存儲 4 個比特的信息時，則稱為四層單元 (QLC, Quadruple Level Cell)。單元狀態越密集，一個單元內便可儲存更多信息。舉例來說，與單層單元(SLC) NAND 閃存相比，四層單元(QLC) NAND 閃存能夠以 67.5% 的芯片尺寸存儲相同數量的信息；但若想進行更多運行和讀取的操作，就要增大單元狀態的密度。相應地，由于單元狀態之間的空間狹窄，更大的密度會使性能降級并出現讀取錯誤的可能性，從而導致設備壽命縮短。因此，重要的是，首先要根據NAND閃存的應用領域決定是否優先考慮信息量，性能和壽命，然后選擇適當的編程方法。

NAND閃存行業的發展趨勢

當前，NAND 閃存正在從 2D 發展到 3D 和 4D。對于 2D-NAND，如果在同一區域實現更多的單元數量，形成更小的工作區和柵級，便能增大存儲容量。直至 2010 年初，2D-NAND 中的擴展一直是這項技術的主要焦點所在；然而，由于精細圖案結構的限制，且儲存數據會隨時間推移而丟失導致使用壽命縮短，該技術已無法再實現擴展。因此，3D-NAND逐漸取而代之，成為業界關注焦點，現在所有 NAND 制造商都在開發和制造 3D-NAND 產品。

在 3D-NAND 的結構中，存儲容量會隨著三維疊層中堆疊層數的增加而變大。3D-NAND 使用了堆疊多層氮氧化物的方法，形成一個被稱為“塞子”的垂直深孔，在其中形成一個由氧化物-氮化物-氧化物制成的存儲設備。通過這種方法，僅需少量工藝即可同時形成大量單元。在 3D-NAND 中，電流通過位于圓柱單元中心的多晶硅通道，便能根據存儲在氮化硅中的電荷類型實現存儲編程和擦除信息。雖然2D-NAND 技術發展的目標是實現形成較小的單元， 3D-NAND 的核心技術卻是實現更多層數的三維堆疊。

為在 3D-NAND 的基礎上進一步增大存儲容量，4D-NAND技術也隨之而來。經過幾代技術的發展，當前的半導體行業已實現了用更多層數存儲更多信息，目前最高層為238層，存儲企業也正在研發更多層的產品。

審核編輯：劉清