Charge Trap与Floating Gate

本文介绍了Charge Trap与Floating Gate。

本期聊聊两种主要的NAND 技术路线，以及国际大厂阵营的分类。

在实现真正的 3D NAND 量产之前，各类技术研讨会上已经对多种 3D NAND 方案开展了长达十年的研究。涉足该领域的存储企业主要包括东芝、三星、英特尔、海力士和美光。

研发 3D 技术的核心目标是降低每比特成本、提升芯片密度，同时不必缩小二维光刻工艺节点。下图 汇总了各技术研讨会上提出的主流技术方案。从 2007 年到 2015 年，短短九年间就涌现出多种核心器件结构。

这其中绝大多数结构采用电荷俘获型器件，仅有少数使用浮栅器件。

而Floating Gate(后文简写FG)和Charge Trap(CT)的主要区别在于下图所示：

左侧是FG的结构，之前有讲到，中间的浮栅层是Poly栅，有导电的作用。

1.FG的结构与优缺点

FG结构从上到下共有四层：

1）.Control gate控制栅极

主要作为外部电极，实现读写擦操作。

2）.Gate Oxide栅极氧化物

位于Control Gate和Floating Gate之间，起高压隔离的作用，防止电荷泄露从CG 逃逸。

3）.Floating Gate

核心存储层，Poly多晶硅制成，完全被上下两层绝缘层隔离，可以视为一个笼子，关住被存入的电荷。

4）.Tunnel Oxide

位于FG和沟道之间，提供电荷的隧穿路径。

FG的优势主要有以下几个

1）技术成熟，从最早的2D NAND到现在，包括EEPROM等都是浮栅存储方式，工艺成熟成本低。

2）电荷分布均匀，读写的噪声比较低，此外数据精度高，所以能在QLC/PLC这种更多电荷存储状态的产品中发现FG的身影。

与此相对，FG也有自己的缺点：

1）单元间串扰严重，如果集成度继续提高，提升平面方向的密度，相邻string之间的干扰会更加严重。

2）3D 堆叠适配差，Poly是可以导电的多晶硅，所以在工艺中容易造成短路互联，在高密度3D NAND中工艺难度较大。

3）可靠性表现一般，主要是因为Tunnel Oxide在擦写循环中持续被电子隧穿冲击，耐久性会降低，所以FG的擦写周期相对CT架构更有限。

综上，FG更适合做多电荷水平、耐久性要求略低的场景。

2.CT的结构与优缺点

Charge Trap也叫电荷俘获或者电荷陷阱结构，中间是一层氮化物Nitride， 是一层绝缘层。

CT结构从上到下共有四层：

1）.Control gate控制栅极

主要做外部节电进行读写擦的作用

2）.Gate Oxide栅极氧化物

位于Control Gate和Trap层之间，起高压隔离的作用，防止电荷泄露从CG逃逸。

3）.Trap

核心存储层，由氮化物Nitride构成，完全被上下两层绝缘层隔离，可以视为一个陷阱，读者可以想象成沼泽地。介质内部存在大量缺陷能级，捕获电荷之后能将电荷牢牢束缚，使其无法自由扩散。

4）.Tunnel Oxide

位于Trap和沟道之间，提供电荷的隧穿路径。

CT的优势主要有以下几个

1）抗干扰能力强，电荷被Trap以后位置相对固定，Nitride阻止电荷横向飘移，单元间的干扰很小，阈值电压Vt的飘移远低于FG结构，很适合高密度存储。

2）可靠性表现更优，电荷在Trap中分散存储，隧穿与Tunnel Oxide的损伤更小，隧穿层寿命更长，擦写周期也更长，更加适合车规、个人设备等消费场景。

3）工艺适配性好

Nitride可以直接使用ALD原子层沉积进行生长，工艺步骤更少。

4）更加适合3D 堆叠

Nitride不导电，没有短路的风险，更加适配300+层以上的工艺结构。

与此相对，CT也有自己的缺点：

1）高温保持弱于FG

电荷存储在介质陷阱中，其中一部分属于浅陷阱，高温条件下电荷更容易发生逃逸，因此数据保持能力弱于浮栅结构。

2）数据保持不如FG

经过多次擦写循环后，氮化硅内部陷阱会发生退化，造成存储窗口漂移，需要主控搭配复杂的读写算法以及 ECC 纠错来做补偿。

综上，CT更有助于提高NAND的写入耐久度和性能，而FG 则有更好的数据保持能力，更有利于提升单元位密度。

图片来自原 Intel 与 SK 合资的存储企业 Solidigm。FG 型 NAND 在数据保存、传统大容量存储场景表现更优，而 CT 技术则在性能上更占优势。