有了2D NAND，为什么要升级到3D呢？

2D NAND和3D NAND都是非易失性存储技术（NVM Non-VolatileMemory），属于Memory（存储器）的一种。那么有了2D NAND，为什么要升级到3D呢？

定义

非易失性存储技术是一种能够在断电后保持存储数据的存储器技术，与易失性存储器不同，非易失性存储器不需要持续的电源供应来保持存储的数据，包括ROM（Read-Only Memory）与Flash Memory 两种。

Flash Memory，即闪存，闪存是一种基于电荷存储的非易失性存储器技术，广泛应用于固态硬盘（SSD）、USB闪存驱动器、存储卡等设备。Flash Memory包括NOR与NAND。而NAND又分2D NAND 与 3D NAND。

 

2D NAND，也称为平面NAND，已经达到了其容量发展的极限。2D NAND 容量增长受到有限宽度和长度尺寸内可以容纳多少存储单元的限制。由于存储单元只能在一个平面上布置，随着存储容量的增加，每个存储单元的面积变小，导致存储单元之间的相互影响增加，容易产生电荷干扰和数据损失。2D NAND的写入速度相对较慢。在编程和擦除操作中，需要消耗较长的时间来将电荷注入或移除存储单元中，这会导致写入操作的延迟。

而3D NAND正是为了克服 2D NAND 的容量限制而开发的。3D NAND 架构可在不牺牲数据完整性的情况下扩展到更高的密度。与存储单元水平堆叠的2D NAND 不同，3D NAND 使用多层垂直堆叠，以实现更高的密度、更低的功耗、更好的耐用性、更快的读写速度和更低的成本。由于将如此多的垂直单元封装成较小的宽度和长度尺寸，因此 3D NAND 在相同的长度和宽度尺寸下具有比 2D NAND 更大的容量。

存储单元结构对比

 

2.1 2D NAND结构

控制栅（Control Gate）：位于顶部，控制下面的浮动栅。通过控制栅的电压，可以控制电子是否可以进入或从浮动栅中离开。

浮动栅（Floating Gate）：位于控制栅下方，被绝缘层包裹，用于存储电子。电子流入或从浮动栅中离开来表示数据的1和0。

Single-Si Channel：这是连接源极（S）和漏极（D）的硅沟道。电子通过这个通道从源极流向漏极，根据浮动栅的电荷状态来控制这个流动，从而读取存储的信息。

2.2 3D NAND结构

控制栅（Control Gate）：3D NAND的控制栅是环绕着存储柱的立体结构。

氮化硅（Nitride）：3D NAND使用电荷陷阱存储电子。电子被存储在氮化硅中，氮化硅是包裹在多晶硅沟道周围，代替了2D NAND中的浮动栅。这种电荷陷阱层使NAND具有非易失性的数据存储能力。

Poly-Si Channel：与2D NAND的单晶硅通道不同，3D NAND中的通道是垂直构建的，并由多晶硅材料构成，形成一个立体的存储柱。

我们再进一步解剖3D-NAND的结构，如图：

Silicon wafer base layer：这是3D NAND结构的基础，即硅片。

Silicon bit cell gates：是控制电子流动的门结构，它们决定了是否允许电子进入或离开Silicon channel，从而实现数据的存储和读取。

Silicon dioxide gate dielectric：位于控制栅和Silicon channel之间的绝缘层，其功能是保持控制栅和Silicon channel之间的电气隔离。

Silicon channel：其内部流动的电子被控制栅的电压控制，用以存储信息。

Silicon dioxide tunnel dielectric：它使电子在写入操作中通过隧道效应流入到Silicon nitride charge trap，以及在擦除操作中从Silicon nitride charge trap中移除。

审核编辑：刘清