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金属浮栅提升NAND性能

news 2026/7/1 1:39:57

NAND Flash 存储单元的核心是浮栅（Floating Gate），其材料选择直接决定了器件的电荷保持能力、编程/擦除效率、耐久性和可靠性。浮栅材料需满足高功函数、良好的电荷俘获与保持特性、以及与工艺兼容等要求。

主流浮栅材料及其特性对比

材料类型	典型材料	关键特性	优势	劣势/挑战	主要应用阶段/场景
传统多晶硅	掺杂多晶硅 (Poly-Si)	功函数适中 (~4.1 eV)，与CMOS工艺完全兼容，导电性好。	工艺成熟，成本低，导电性优异，易于实现均匀的电荷注入和存储。	随着器件尺寸微缩，栅氧化层变薄，电荷通过隧穿氧化层泄漏（应力诱导漏电流，SILC）的问题加剧，影响数据保持力。	绝大多数2D NAND Flash（从SLC到TLC/QLC）长期使用的主流材料。
金属浮栅	氮化钛 (TiN)、钨 (W)、钴 (Co) 等金属或其硅/氮化物	功函数可调（TiN ~4.6 eV），更高的电荷存储密度，更好的物理和化学稳定性。	更高的功函数能有效抑制电荷从浮栅向控制栅的泄漏（即栅极漏电流），提升数据保持力。金属的费米能级钉扎效应有助于稳定阈值电压。	与现有硅工艺的集成复杂度增加（如刻蚀、CMP工艺挑战），材料界面态可能影响电荷隧穿效率。	在先进制程（如1x nm及以下）的2D NAND和部分3D NAND中被研究或采用，用于替代部分或全部多晶硅浮栅，以应对微缩带来的可靠性挑战。
电荷俘获型材料	氮化硅 (Si₃N₄)	材料本身是绝缘体，包含大量电荷陷阱位点，通过俘获电荷而非导电层存储信息。	本质抗串扰：电荷被局域化在陷阱中，相邻单元间电荷横向扩散少，特别适合高密度3D堆叠结构。简化工艺：无需形成导电浮栅，降低了堆叠层间的工艺复杂度。	电荷俘获深度和密度直接影响存储窗口和耐久性。编程/擦除速度可能略低于导电浮栅结构。	3D NAND（如BiCS, V-NAND）的主流技术。采用“氧化物-氮化物-氧化物”（ONO）或类似叠层作为存储介质，替代了传统的浮栅结构。

材料选择的核心考量因素1.数据保持力 (Data Retention)：浮栅材料的功函数越高，电荷从浮栅逃逸所需的能量势垒越高，数据保存时间越长。金属浮栅在此方面具有先天优势。

编程/擦除效率：材料影响电荷通过隧穿氧化层注入和抽出的难易程度。多晶硅与氧化硅界面特性成熟，隧穿效率高。
耐久性 (Endurance)：材料在反复编程/擦除循环下的稳定性。电荷俘获材料（如氮化硅）的陷阱在反复充放电后可能退化，而导电浮栅的界面损伤是主要失效机制。
工艺兼容性与可扩展性：对于3D NAND，需要将存储单元垂直堆叠数十至数百层。电荷俘获型（CTF）结构因无需刻蚀和填充导电浮栅，工艺更简单，成为3D NAND的必然选择。
单元间串扰 (Cell-to-Cell Interference)：在超小尺寸下，导电浮栅中存储的电荷可能通过电容耦合干扰相邻单元。电荷俘获型材料将电荷局域在绝缘氮化硅层中，能极大抑制这种串扰。

技术演进与总结

2D NAND 时代：掺杂多晶硅是绝对主流的浮栅材料，其平衡了性能、可靠性和成本。
向3D NAND 演进：为了克服微缩极限和实现高密度堆叠，行业转向了“电荷俘获”技术。在3D NAND中，氮化硅 (Si₃N₄)作为电荷存储层，替代了传统的导电浮栅。这本质上是一种材料级的革新，从“导电存储”变为“绝缘体陷阱电荷存储”。
金属浮栅的探索：在寻求进一步提升2D及早期3D NAND性能时，金属浮栅（如TiN）作为多晶硅的替代或复合层被深入研究，旨在利用其高功函数改善数据保持，但最终在3D NAND的大规模量产中，工艺更简单的电荷俘获方案胜出。

因此，NAND Flash浮栅的选材是一个随技术节点和目标演进的决策：传统2D结构依赖多晶硅，而现代高密度3D NAND则普遍采用氮化硅基的电荷俘获层。金属浮栅作为一种重要的性能增强选项，在特定场景和研究中持续受到关注。