存儲器是半導體產業的基石之一。隨著全球物聯網、大數據中心、智能家居、穿戴設備等應用帶動的數據存儲市場的快速增長，NAND存儲器日益成為當前存儲器市場的主流。本教材重點介紹半導體存儲器分類、閃存技術、3D NAND Flash陣列、制造工藝、操作、電學特性與可靠性以及電路設計。本教材可供高等院校的高年級本科生和研究生，集成電路和存儲器方向研發工程師、制造工程師參考，為中國存儲器事業添磚加瓦，推動科學創新產業化。
本書涵蓋3D存儲器架構、器件、工藝、仿真、陣列操作、可靠性測試及電路設計，是全面專業的存儲器技術書籍。編著者為研究所雙跨到企業的研究員，研發團隊完成了多項3D存儲器前沿探索和工程研發任務，并與長江存儲科技有限責任公司深度合作，教材結合研究所的基礎學術研究和工業界的一線研發經驗編寫，融合學術界視角和工業界視角，為讀者開拓思維和眼界。
隨著大數據、云計算、物聯網的興起，人類社會的工作和生活產生了海量的數據。這些海量數據對新一代存儲技術提出了新要求： 大容量、高速率、低成本。NAND Flash作為存儲容量大、讀寫速度快、工藝成本低的半導體存儲器，已經成為存儲技術中的主流器件。
NAND閃存全球市場已超過每年600億美金，并在持續快速增長。為了應對龐大的存儲需求，需要持續推進閃存和相關存儲技術的研發。然而，目前國內還沒有關于存儲技術的系統性書籍和教材。本書以中國科學院大學院級研究生優秀課程存儲器工藝與器件技術課程講義為基礎，結合我國自主的3D NAND Flash技術研發實踐經歷，集眾多教師和學生的共同努力撰寫而成。衷心希望本書能夠助力我國在集成電路專業相關學科，特別是存儲技術方向的人才培養，也希望本書能夠為我國的存儲技術持續創新和存儲器事業貢獻綿薄之力。
本書共12章，第1章宏觀地介紹半導體存儲器的國內外市場狀況和分類。第2章主要介紹NAND Flash的發展歷史，2D NAND Flash微縮過程中的挑戰，以及3D NAND Flash的架構發展歷程。第3章詳細介紹3D NAND Flash的具體工藝流程，具體分析集成工藝中的挑戰。第4章介紹3D NAND Flash的器件電學特性，分析具體操作的物理機制，對多晶硅溝道技術和器件基本特性進行詳細介紹。第5章介紹3D NAND Flash的器件模型仿真技術，主要針對TCAD仿真平臺及其在2D NAND Flash和3D NAND Flash上的應用進行具體介紹。第6～8章分別介紹3D NAND Flash陣列操作、可靠性技術和測試表征技術等，其中陣列操作和相關可靠性技術是深入學習3D NAND Flash需要掌握的重要知識。第9章介紹NAND Flash的電路設計技術，包括基本架構設計、高性能設計和高可靠性設計。第10章介紹NAND Flash的系統應用技術，包含存儲卡和SSD技術，并從控制器技術、固件技術、PCIe高速接口和糾錯碼技術多方面展開介紹。第11章從基本原理、技術發展、可靠性、工藝集成和電路設計方面概覽DRAM存儲器技術。第12章對各種新型存儲器技術進行介紹和展望，包括新型動態存儲器、相變存儲器、阻變存儲器、鐵電存儲器以及磁存儲器。
本書得以順利完成，特別感謝長江存儲科技責任有限公司提供的實踐機會，感謝陳南翔博士、楊士寧博士以及公司研發團隊對作者工作的大力支持。在公司團隊的支持下，編著者的理論積累得到了實踐的檢驗。
感謝中國科學院微電子研究所葉甜春研究員、戴博偉書記、王文武研究員和曹立強研究員等，有了他們的支持，三維存儲器研發中心得以成立并參與到我國3D NAND閃存技術和產品的研發中。感謝存儲器中心劉飛研究員、李春龍研究員、王斯寧為本書所做的大量工作。同時，本書得到了中國科學院大學教材出版立項的資助，在此也感謝中國科學院大學相關的領導和老師對本書的支持與幫助。
感謝中國科學院微電子研究所研究生及國科大集成電路學院長江存儲定制班學生們在課程講義整理及更新中的工作，正是因為有了學生們的貢獻與積累，本書才得以完成。他們的名字是： 楊濤、趙冬雪、范冬宇、方語萱、李文琦、周穩、賈信磊、韓佳茵、徐盼、楊琨、汪洋、朱桉熠、牛楚喬、張燕欽、李潤澤、武金玉、張寧、李建杰、于曉磊、張博、王先良、李前輝、白明凱、牟君、韓潤昊、張瑜、鄒興奇、李子夫、徐啟康、何杰、衛婷婷、王美蘭、萬金梅、侯偉、艾迪、王治煜、趙成林、閆亮、夏仕鈺、程婷、謝學準、李琦、羅流洋、李雪、張華帆、楊柳、李志、趙月新、劉均展、袁野、李飛、汪宗武、袁璐月、宋玉潔。
最后，本書致力于撰寫成一本全面專業的存儲器技術書籍，但是由于時間限制和編著者知識水平的限制，書中難免存在不足之處，懇請讀者給予指正。
編著者
2023年2月
霍宗亮,中國科學院微電子研究所研究員，博士生導師，中國科學院人才引進計劃學者，中國科學院微電子研究所存儲器中心主任，中國科學院大學微電子學院存儲器教研室主任。于2016-2017學年開設存儲器工藝與器件課程，承擔或參與了包括02重大專項、重點研發、自然科學基金、中科院STS等多個國家級和院級科研項目，在長期的閃存技術研究工作中，在閃存器件存儲材料篩選和工藝、器件結構優化設計、存儲機理、器件可靠性、集成工藝技術和芯片設計技術等方面形成了特色。近五年發表了50余篇高質量論文，申請了70于項專利，科研成果受到了學術界和業界的關注和肯定，部分成果已經應用于存儲產品當中。同時獲得了中國科學院微電子研究所科研成果一等獎、集成電路產業技術創新戰略聯盟技術創新獎等諸多獎項。完成了多項三維存儲器前沿探索和工程研發任務，與長江存儲公司深度合作，在成功研發出我國第一代32層3D NAND存儲芯片的基礎上，連續突破并掌握第二代64層、第三代128層3D NAND存儲器的核心技術，已成功實現產品量產，達到世界前沿技術水平。
第1章半導體存儲器概述
1.1半導體存儲器的市場狀況
1.1.1市場需求
1.1.2全球存儲芯片供給情況
1.1.3中國存儲器市場情況
1.2半導體存儲器器件簡介
1.2.1半導體存儲器分類
1.2.2存儲器的存儲單元
1.2.3NAND Flash產品簡介
本章小結
習題
參考文獻
第2章Flash存儲器技術簡介
2.1Flash的歷史
2.22D NAND Flash技術發展
2.2.12D NAND Flash架構及操作
2.2.22D NAND Flash技術發展及尺寸縮小
2.2.32D NAND Flash面臨的技術挑戰
2.33D NAND Flash技術發展
2.3.13D NAND Flash的技術優勢及器件原理
2.3.23D NAND CTF的結構發展
2.3.33D浮柵型NAND Flash的結構發展
2.4NAND Flash未來發展趨勢
2.4.13D NAND Flash未來發展方向
2.4.2非馮·諾依曼架構簡介
2.5NOR Flash技術
2.5.1NOR Flash基本操作
2.5.2NOR Flash存儲陣列結構
本章小結
習題
參考文獻
第3章3D NAND Flash存儲器工藝集成技術
3.1半導體基本單步工藝
3.1.1光刻工藝
3.1.2刻蝕工藝
3.1.3外延生長工藝
3.1.4離子注入/快速熱處理
3.1.5爐管工藝
3.1.6其他薄膜工藝
3.1.7濕法工藝
3.1.8化學機械平坦化
3.23D存儲器工藝集成
3.2.1外圍電路模塊
3.2.2NO疊層模塊
3.2.3臺階模塊
3.2.4溝道孔模塊
3.2.5柵隔離槽模塊
3.2.6接觸孔模塊
3.2.7后段模塊
本章小結
習題
參考文獻
第4章3D NAND Flash存儲器器件單元特性
4.1NAND Flash操作物理機制
4.1.1NAND Flash存儲單元基本結構
4.1.2NAND Flash存儲單元操作機制
4.1.3NAND Flash存儲單元讀取操作
4.1.4NAND Flash存儲單元編程操作
4.1.5NAND Flash存儲單元擦除操作
4.23D NAND多晶硅溝道技術
4.2.1多晶硅溝道模型與晶界陷阱
4.2.2多晶硅溝道漏電控制
4.3溫度對3D NAND Flash單元器件特性的影響
4.3.13D NAND Flash單元器件閾值電壓溫度特性分析
4.3.23D NAND Flash單元器件閾值電壓溫度特性優化
4.43D NAND Flash器件挑戰與發展
本章小結
習題
參考文獻
第5章3D NAND Flash存儲器模型模擬技術
5.1仿真工具簡介
5.1.1Sentaurus TCAD
5.1.2Sentaurus WorkBench
5.1.3Sentaurus Process
5.1.4Sentaurus Structure Editor
5.1.5Sentaurus Device
5.2納米尺度器件模擬
5.2.1納米尺度MOS器件輸運特性簡介
5.2.2半導體仿真模擬概述
5.2.3半導體器件模型介紹
5.32D NAND Flash器件模擬
5.3.12D NAND Flash器件模型
5.3.22D NAND Flash器件操作及可靠性模擬
5.43D NAND Flash器件模擬
5.4.13D NAND Flash器件模擬介紹
5.4.23D NAND Flash器件溝道模擬
5.4.33D NAND Flash器件操作及可靠性模擬
本章小結
習題
參考文獻
第6章3D NAND Flash存儲器陣列操作技術
6.1NAND Flash陣列簡介
6.1.1NAND Flash陣列結構
6.1.2NAND Flash陣列操作
6.2多值存儲的NAND Flash新型陣列技術
6.2.1ISPP編程技術
6.2.2編程自抑制技術
6.2.3雙堆棧編程技術
6.2.4讀取窗口裕度
6.2.5兩步驗證技術
6.2.6多值存儲編程技術
6.2.7新型擦除技術
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習題
參考文獻
第7章3D NAND Flash存儲器可靠性技術
7.1CMOS 器件可靠性簡介
7.1.1熱載流子注入效應
7.1.2負偏壓溫度不穩定性
7.1.3柵氧化層擊穿模型
7.2NAND Flash存儲單元可靠性
7.2.1存儲單元耐久特性
7.2.2存儲單元保持特性
7.2.3NAND Flash可靠性解決方案
7.2.4NAND Flash可靠性物理機制
7.2.5存儲單元及陣列讀取干擾
7.2.6陣列編程干擾
7.2.7存儲單元編程噪聲
7.2.8陣列瞬態讀取錯誤
7.3NAND Flash陣列非理想效應
7.3.1柵致漏端漏電效應
7.3.2隨機電報噪聲
7.3.3背景模式干擾
7.3.4源端噪聲
7.3.5單元間電容耦合
7.3.6字線耦合噪聲
本章小結
習題
參考文獻
第8章3D NAND Flash存儲器測試表征技術
8.1器件電學表征測試方法
8.1.1單元級測試方法
8.1.2陣列級測試方法
8.2NAND Flash器件電學表征基本參數
8.2.1單元閾值電壓
8.2.2單元編程/擦除速度
8.2.3陣列干擾特性
8.2.4存儲單元耐久特性
8.2.5存儲單元保持特性
8.2.6初始閾值電壓漂移
8.2.7隨機電報噪聲
8.2.8電荷泵技術
8.3結構及物理表征簡介
8.3.1掃描電子顯微鏡
8.3.2透射電子顯微鏡
8.3.3電子背散射衍射
8.3.4原子力顯微鏡
8.3.5掃描擴散電阻顯微鏡
8.3.6電子束檢測技術
8.3.7納米探針技術
本章小結
習題
參考文獻
第9章NAND Flash存儲器芯片設計技術
9.1NAND Flash基本架構設計
9.1.1綜述
9.1.2NAND Flash芯片結構
9.1.3閾值分布及多位單元
9.1.4NAND Flash基本操作
9.1.5NAND Flash基本指令集
9.2NAND Flash高性能設計
9.2.1基于性能提高的讀取技術
9.2.2基于性能提高的編程技術
9.2.3高速接口技術
9.3NAND Flash高可靠性設計
9.3.1NAND Flash失效因素
9.3.2基于可靠性改善的讀取技術
9.3.3基于可靠性改善的編程技術
本章小結
習題
參考文獻
第10章NAND Flash存儲器系統應用技術
10.1NAND Flash存儲卡
10.1.1eMMC
10.1.2UFS
10.1.3eMCP/uMCP
10.2SSD存儲系統
10.2.1通用SSD系統
10.2.2DRAMLess SSD系統
10.2.3Open Channel SSD 系統
10.2.4Smart SSD系統
10.3Flash控制器技術
10.3.1SSD硬件系統架構
10.3.2SSD系統前端控制器
10.3.3SSD系統后端控制器
10.4固件技術
10.4.1地址映射
10.4.2垃圾回收
10.4.3磨損均衡
10.4.4壞塊管理
10.4.5掉電恢復
10.4.6FTL可靠性算法
10.5高速接口技術
10.5.1PCIe概述
10.5.2PCIe通信方式
10.5.3PCIe封裝分層協議
10.5.4第六代PCIe協議
10.6糾錯碼技術
10.6.1ECC基本原理
10.6.2BCH糾錯碼
10.6.3LDPC糾錯碼
本章小結
習題
參考文獻
第11章DRAM存儲器技術
11.1DRAM基本原理
11.1.1DRAM電路工作原理
11.1.2DRAM數據讀取
11.1.3DRAM的電荷共享及信號放大
11.2DRAM技術發展及趨勢
11.2.1DRAM選擇管發展
11.2.2DRAM電容發展
11.2.3DRAM接口技術發展
11.3DRAM器件可靠性
11.3.1可靠性及壽命定義
11.3.2DRAM可靠性問題
11.3.3DRAM失效機制
11.4DRAM工藝集成
11.4.1STI形成及注入
11.4.2選擇晶體管的形成
11.4.3位線接觸模塊
11.4.4位線和外圍晶體管的形成
11.4.5存儲節點接觸
11.4.6存儲節點刻蝕
11.4.7后段工藝
11.5DRAM感測電路設計
11.5.1基本的感測和放大電路
11.5.2分離數據線的感測電路
11.5.3感測電流分布式陣列
11.5.4直接感測
本章小結
習題
參考文獻
第12章新型存儲器技術
12.1新型存儲器簡介
12.2新型動態存儲器
12.2.1新型動態存儲器簡介
12.2.2新型動態存儲器進展
12.2.3新型動態存儲器的挑戰與前景
12.3相變存儲器
12.3.1相變存儲器簡介
12.3.2相變存儲器3D技術的進展
12.3.3相變存儲器的挑戰和前景
12.4阻變存儲器
12.4.1阻變存儲器簡介
12.4.2阻變存儲器技術進展
12.4.3阻變存儲器的挑戰和前景
12.5鐵電存儲器
12.5.1鐵電存儲器簡介
12.5.2鐵電存儲器技術進展
12.5.3鐵電存儲器的挑戰和前景
12.6磁存儲器
12.6.1磁存儲器簡介
12.6.2磁存儲器技術進展
12.6.3磁存儲器的挑戰和前景
本章小結
習題
參考文獻
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