nand flash阈值电压分布_为什么NAND闪存会越来越便宜

IC君的第39篇原创文章 （欢迎关注公众号 icstudy）

当你用手机看到这篇文章的时候，今天要讲的主角——NAND闪存已经开始起作用了。微信在运行的时候会产生一大堆缓存文件，这些文件都保存在手机的存储器上。比如下图买手机时候都会选择内存容量。这里的内存的选项其实不太准确，内存是你的app在运行

时读取临时数据的地方，是掉电就消失的东西。而手机的存储器存放手机的照片、音乐、应用等，是掉电还存在的，重新上电后还能读取这些内容。

手机的大容量存储器基本上都是用NAND 闪存（flash）实现的，每年十几亿部手机的出货量，使得NAND闪存是最近十年非挥发（掉电不丢失数据）记忆存储器领域的主角。

大家平时用的SSD固态硬盘实际上也是NAND闪存，为了让存储容量更大，从普通的二维（2D）NAND发展到了三维（3D）NAND，通常层数越多，容量越大，当然工艺难度也就越大。今天先不讲3D NAND的原理，那又是一个很长的故事。

2018年市场上主流SSD的工艺是64层TLC NAND产品，2018年末SSD的每GB价格已经降到1元以下，IC君也入手了一块替换家里老电脑的机械硬盘，打开软件确实有飞一般的感觉。看看iPhone 128GB和256GB的价格，是不是觉得巨坑！

作为一个技术公众号聊了半天还没聊到技术，太不像话了，赶紧切入正题。

2019年ISSCC 非挥发存储器（Non-Volatile Memory 掉电非易失） 部分的五篇文章中有三篇都是讲3D NAND。

NAND市场的两大巨头三星和东芝-西数（以下简称东芝）都在ISSCC2019发表了关于3D NAND的文章，其中东芝的一篇“A 1.33Tb 4-bit/Cell 3D-Flash Memory on a 96-Word-Line Layer Technology”宣告了3D NAND 将进入QLC时代。

从SLC（1-bit/cell 1存储单元可以存1比特的数据）

到MLC(2-bit/cell 1存储单元可以存2比特的数据)，

再到TLC(3-bit/cell 1存储单元可以存3比特的数据)，

最终QLC(4-bit/cell 1存储单元可以存4比特的数据)

的历程，2D NAND 已经走过一遍。

3D NAND 凭借器件特性起步就是TLC，TLC的3D NAND拥有出色的性能和可靠性，很快占领主流市场。为了追求更大的容量和更低的价格，3D NAND 除了在工艺上从64层向96/128层发展之外，也开始从TLC转向QLC。

从原来的的普通房子变成高楼大厦，单人间变成四人间，总价格不变的情况下，单位容量的价格是不是越来越便宜了呢？

对于4bit的数据而言，有2^4=16个状态。不同阈值电压的存储单元会产生不同的电流，这样就可以用来区分状态。为了实现QLC我们需要有足够宽的Vth window(阈值电压范围)，这样在每个cell中才能存储16个独立的状态。

一个比较容易想到的方法是把阈值电压的低点移到到负压区域，这样就能够扩展Vth window。但是负的WL（字线）电压需要三阱（triple-well） 工艺，会增加工艺的成本。source-bias negative sense (SBNS) 的方法，能够在不需要WL负电压的情况下就可以读取负阈值电压的cell。东芝在文章中提出了一种新的带时钟控制的SBNS（C-SBNS）方法能够更好的读取负阈值电压区域的cell。

下图显示了Source端相对传统方法最多可以提高CLK1 down + CLK2 up 的电压。

3D NAND 在进入QLC之后如果继续沿用TLC时代的Full Sequence programing method 会遇到program disturb 和 initial charge loss等问题。2D NAND 的QLC采用的two-step programming method可以得到较好的Vt分布，但是会降低program 的速度。

东芝提出了一种新的 two-step programming method。这种新的方法具有较快的速度和较好Vt分布。第一步先把WLn的Vt分布打成8个粗略的包，再把WLn+1的Vt打成8个包，然后回过头来把WLn的Vt打成16个状态。这种新方法和相对传统的two-step programming method 相比BER（Bit Error Rate）接近，而速度快了18%。

读取一个QLC的cell的存储的状态需要WL电压改变15次，WL电压的建立时间对读的影响很大。注意到WL电压的提高值是随着cell 状态不断变化的，东芝提出了根据cell状态来调整过充电压来加速WL建立。这种优化的过充电压能够减少8%的WL平均建立时间。

从总体上来说，3D NAND 从TLC到QLC存储密度可以增大33%，但是会遇到性能和可靠性的问题。一些NAND供应商为客户提供了在芯片内部同时采用QLC、TLC、SLC的策略，对数据可靠性要求高以及需要重复擦写的区域可以使用TLC甚至SLC。