快閃記憶體好處

快闪记忆体仍如日中天，智慧手机消费型设备，例如平板电脑和智慧手机，强劲地推动了快闪记忆体及整个半导体市场。未来几年，平板电脑的市占率将不断增加，目前最常见的快闪记忆体类型是 NAND，一位市场分析师预测：2011 至 2015 年之间， NAND的市场复合年增长率将达到 7%。

Flash的替换技术

尽管短中期内快闪记忆体继续缩小，但长期来看在独立和嵌入式应用中，仍然有可能替换的持续需求。竞争者包括半导体公司、研究机构和大学目前正在研究的30 多种不同的非挥发性记忆体技术，一些技术已有小批量出货。四种领先的技术提供了多方面胜过快闪记忆体的优势，如读/写速度快 100倍、可写次数明显更高，它们是相变记忆体（PCM或PRAM）、铁电随机存取记忆体（FRAM 或 FeRAM）、磁阻随机存取记忆体（MRAM）以及电阻型随机存取器（RRAM 或 ReRAM），简介如下：

1. PCM

PCM 利用硫系玻璃的特性，能够在四种不同状态之间切换：结晶、非晶和两种部分结晶状态。切换是可能的，因为电流通过玻璃时产生的热量会改变物质的状态。由于 PCM可以产生多达四种状态，所以储存容量能增倍，每个单元提供两位元。不同状态的电阻系数大相径庭，例如，高电阻非晶状态可以代表一个二进位“0”，低电阻结晶状态可以代表“1”。

PCM 的主要缺点是高温灵敏性。它也会随着使用而退化，但速度比快闪记忆体慢得多，快闪记忆体有大约 5000 次写入的额定值，而 PCM 则有大约 1 亿次。 PCM 可以提供高性能，尤其是在那些写入密集的应用中，因为它的切换速度快，单个位元更改无需先擦除块，且目前能够缩小到 40nm。

美光科技和三星电子目前正在争相生产首个 1Gb 的 PCM元件，三星电子目前已做出一个手机的非快闪记忆体相容的512 Mbit 的PRAM。

2. FRAM

FRAM 的结构与 DRAM 相似。 DRAM 包括 一个电介质存取电晶体和一个基于电容器的储存节点，而 FRAM 使用锆钛酸铅 (PZT) 之类的。铁电材料形成铁电电容器，整合到存取电晶体的栅极体中。铁电材料的晶体结构可以形成半永久的电偶极子，按外电场的方向自动排序，并在电场去除后保持这种极化。这允许读/写操作都可以随机存取每个位元，使用每个单元都可行的两种可能极化，二进位储存“0”和“1”。

FRAM 功耗更低，写入性能更快，且写入次数远非快闪记忆体可比。 缺点包括：较低的储存密度、储存容量的限制和较高的成本。

Fujitsu 已发布了专为替代工业、工厂和低功耗应用中的快闪记忆体和 SRAM 而设计的 FRAM 设备，而德州仪器(TI)正在逐渐开始提供基于 FRAM 的微控制器。

3. MRAM

MRAM 使用两个铁磁板形成的磁铁记忆元件，每个都有磁场，由一个薄绝缘层隔开。最简单的单元结构是旋转阀配置。一块板是固定极性的永久磁铁，另一块板具有可以变化以匹配外部磁场的磁场。位元的储存方法是两块相同极性的板代表“1”，两块相反极性的板代表“0”。 这些单元的网格形成记忆体设备。该技术不仅有望替代快闪记忆体，还可能替代DRAM 和 SRAM 记忆体。但是，由于外部直流磁场导致长期施加的扭矩所带来的干扰，MRAM 非常敏感。

从飞思卡尔半导体分离出来的公司 Everspin 预计在 2012 年生产数百万片MRAM，但市场现在更期待称作 SST-MRAM（旋转传输扭矩 MRAM）的第二代 MRAM 技术。这项技术使用隧道阻挡层替换了绝缘层，并使用自旋排列（极化）电子。主要优点是减少了写入所需的电流，使它的速度可与读取过程相比，并使高密度成为可能；但必须保持旋转的连贯性，且高速操作仍需要使用较高的电流。 目前，该技术有望用于小于 65nm 的设备，使用正在研究的新复合结构。

4. RRAM

电阻型 RAM基于电阻元件材料的电子切换（感应电流或电压)，介于两种稳定的电阻状态（低/高）。 它通过氧化物绝缘体的突然传导完成此切换。 RRAM 通过两个操作在两种电阻状态之间切换：RESET 从低电阻状态恢复高电阻状态；SET 产生相反的转变。

RRAM 可以缩小到 300nm 以下，一项基于氧化物的 RRAM的研究甚至表明 2nm 级别也可能会发生氧运动。 研究机构 IMEC 预计，带层叠结构的 RRAM 设备能以 11nm 的规格进入市场，“SONOS”快闪记忆体作为在 17-14nm 节点的中间级。

RRAM 使用最小的能耗提供亚纳秒切换，并提供资料稳定性同时可承受高温和回圈磨损。这种稳健性为包括汽车和嵌入式应用在内的市场提供了新机会。举例说，Elpida 已开发出了 RRAM 原型，目标是在 2013 年开始批量生产，使用提供十亿位元容量的设备并基于 30nm 制程。

终点尚未看到…

然而，上述四种技术均未取得大批量产的突破，目前仅限于小众市场。快闪记忆体很可能会进一步缩小至少几代，因此在我们可以说“王者已逝，万岁…！”之前，还会有很长一段时间。

快閃記憶體常被用在個人電腦的 USB 記憶體、數位相機或智慧型手機的記憶卡等地方。即使切斷電源，記憶內容也不會消失，屬於非揮發性記憶體，且與 DRAM 的隨機存取類似，可讀取、擦除、寫入內容。不過，快閃記憶體的動作較慢，無法取代 DRAM。

快閃記憶體由東芝的舛岡富士雄於 1984 年發明。

DRAM 會透過記憶體電容器累積的電荷來記憶資訊。而快閃記憶體則會透過 MOSFET 內的懸浮閘極累積電荷。

圖 4－11 為快閃記憶體的結構。MOSFET 的閘極與 Si 基板之間，有個不與任一方相連的懸浮閘極。

這個懸浮閘極就是快閃記憶體的特徵。電荷儲存在這裡時，因為周圍是由氧化膜（SiO2）構成的絕緣體，所以電荷（電子）不會跑到其他地方。即使切斷電源，記憶體內的資訊也不會消失，為非揮發性記憶體。

快閃記憶體的懸浮閘極帶有電荷時，儲存的是「0」；無電荷時，儲存的是「1」。懸浮閘極可透過累積或釋放電子，來記錄或保存資訊。

圖 4－12(a) 為寫入「0」的情況。此時源極、汲極、基板皆為 0V，並對控制閘極施加正電壓。

於是，Si 基板內的電子就會穿過氧化膜，於懸浮閘極內蓄積。「電子可穿過絕緣體氧化膜」聽起來有些不可思議，不過氧化膜相當薄，厚度只有約數 nm，所以電子可以透過穿隧效應穿過氧化膜。

因此，Si 基板與懸浮閘極之間的氧化膜也叫做穿隧氧化膜。寫入資訊「1」時，懸浮閘極不會蓄積電子，所以什麼事都不會發生。

當我們想要消除資訊，也就是消除懸浮電極蓄積的電子時，需讓控制電極電壓為 0V，並對源極、汲極、基板施加正電壓，如圖 4－12(b) 所示。這麼一來，懸浮電極內蓄積的電子就會透過穿隧效應穿過氧化膜，移動到電壓較高的基板一側。於是，原本蓄積於懸浮電極的電荷就會消失。

另一方面，當我們想要讀取資訊時，只要在控制電極施加一定的正電壓，便可透過從源極流向汲極的電流，讀取儲存單元內的資訊（圖 4－13）。

若懸浮閘極內有蓄積電子（「0」的狀態），這些電子的負電會抵消掉控制閘極施加的正電壓，使電流難以通過底下的通道。

利用懸浮電荷量不同來控制記憶體

若懸浮閘極內沒有累積電子（「1」的狀態），閘極電壓就會直接影響到基板，與 MOSFET 的情況一樣，故下方會有電流通過。所以由電流的差異，就可以判斷儲存單元的資訊是「0」或「1」。

即使懸浮閘極內有蓄積電荷（圖 4－13 的「0」狀態），要是對控制閘極施加的電壓過高，源極與汲極之間還是會有電流通過。

也就是說，懸浮電荷量不同時，使電晶體開始產生電流的閾值電壓（Vth，參考第 89 頁）也不一樣。故我們可藉由懸浮電荷量的控制來記憶資訊。

由前面的說明可以知道，像圖 4－14(a) 這樣的單一儲存單元，只能記錄 1 個位元，可能是「0」或「1」。

用閾值電壓判斷單元狀態

不過，如果閾值電壓可任意控制，就可以將懸浮閘極依儲存的電荷量，從滿電荷到無電荷分成 4 個等級，如圖 (b) 所示。4 個等級可分別對應「01」、「00」、「10」、「11」。這麼一來，1 個儲存單元就可以記錄 2 位元的資訊。

因為每種狀態所對應的閾值電壓都不一樣，Vth01＞Vth00＞Vth20＞Vth21，所以讀取資訊時，可以由閾值電壓判斷該儲存單元處於何種狀態。

可分成 4 種狀態的單元稱為 MLC（Multi Level Cell）。另一方面，只有 2 種狀態的單元稱為 SLC（Single Level Cell）。

MLC 的 1 個儲存單元可以記錄 2 位元的資訊。如果將 Vth 分成更多區間，還可以記錄 3 位元、4 位元的資訊，進而提升容量。不過，MLC 懸浮閘極寫入電壓的控制技術相當困難，MOSFET 對干擾現象又特別敏感，所以要做成增加更多層相對困難。

快閃記憶體的缺點

另外，快閃記憶體在記錄、消除資訊時，需使用 10V 之類相對較高的電壓，電子才能突破穿隧氧化膜。因此，反覆讀寫會造成氧化膜劣化，最後使儲存單元無法保留電子。也就是說，快閃記憶體的壽命比其他記憶體還要短。寫入速度較慢也是一項缺點。

另一方面，快閃記憶體與 DRAM 不同，不使用電容器，所以1個晶片可搭載的儲存單元較多，較容易提升容量。

快閃記憶體的組成——NAND 型與 NOR 型

快閃記憶體與 DRAM 一樣，都是由許多儲存單元排列成矩陣的樣子。快閃記憶體可依組成分成 NOR 型與 NAND 型 2 種（圖 4－15）。

圖 4－16 為 NOR 型的快閃記憶體結構。除了字元線與位元線之外，還有「源極線」存在，且源極線需通以電流。

NOR 型的快閃記憶體運作方式與 DRAM 相近，較好理解。以圖中圈出來的儲存單元為例，讀取單元內的數值時，會在對應的字元線施加讀取用電壓，然後透過位元線讀取資訊。另一方面，消除或寫入資訊時，會對位元線施加寫入用電壓，字元線也會施加寫入用電壓。

實際上的運作相當複雜，所以不像 DRAM 那樣只有 0 與 1 的 2 種數值，不過和 DRAM一樣是一個個單元讀取、寫入。換言之，可以隨機存取儲存單元。

另一方面，NAND 型快閃記憶體的結構則如圖 4－17 所示。

NAND 型的結構中，同一條字元線串聯起許多儲存單元，稱為 1「頁」（page），多條字元線有許多頁，稱為 1 個「區塊」（block）。

圖 4－18 中，1 條位元線可串聯起許多儲存單元。這種結構有個特徵，那就是同一條位元線上，各個 MOSFET 的源極與汲極皆串聯在同一列上。這一列MOSFET製作在半導體基板上時，剖面圖如下。

基板上，1 個電晶體的源極，與相鄰電晶體的汲極共用同一個n＋區域，所以表面不需設置電極。少了電極而多出來的空間，就可以用來提升電晶體的聚積密度。

不過這種結構下，1 條位元線的電流比 NOR 型的電流還要小，所以讀取速度比較慢。另外，因為 1 個儲存單元比較小，所以懸浮閘極保留的電荷也會比較少，使資料保存的可靠度較差。

NAND 型的擦除與寫入步驟

NAND 型快閃記憶體需以 1 個區塊（含有許多頁）為單位進行擦除，以 1 頁為單位進行寫入。

因此，要更改 1 頁的內容時，必須將含有這 1 頁之整個區塊的資訊暫時複製存放到外部的其他地方，然後刪去整個區塊的資料，然後再把區塊資料複製回來，同時把要更改的內容寫進去。

也就是說，即使只是要改寫 1 位元的內容，也必須將整個區塊的資料都刪除掉才行。因為必須一次刪除廣大範圍的資料，所以被取了「快閃」這個名字。

不過，寫入資料時是一次寫入一整頁資料，所以寫入速度比 NOR 型還要快。

若比較 NOR 型與 NAND 型，會發現 NOR 型的優點是讀取較快，資料的可靠度較高。所以像是家電的微處理器、含有簡單程式的記憶體等裝置，對讀取的需求大於寫入，便會採用 NOR 型快閃記憶體。雖然容量不大，寫入較慢，但這些裝置幾乎不會進行寫入動作，所以高可靠度、較快的讀取速度對它們來說比較重要。

然而，快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置，常需改寫儲存單元內的資料。此時，NAND 型的高聚積化就會是很大的優點。因此 NAND 型目前才是快閃記憶體的主流。

——本文摘自《圖解半導體：從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》，2022 年 11 月，台灣東販出版，未經同意請勿轉載。