有了2D NAND，為什么要升級到3D呢？

2D NAND和3D NAND都是非易失性存儲技術（NVM Non-VolatileMemory），屬于Memory（存儲器）的一種。那么有了2D NAND，為什么要升級到3D呢？

定義

非易失性存儲技術是一種能夠在斷電后保持存儲數據的存儲器技術，與易失性存儲器不同，非易失性存儲器不需要持續的電源供應來保持存儲的數據，包括ROM（Read-Only Memory）與Flash Memory 兩種。

Flash Memory，即閃存，閃存是一種基于電荷存儲的非易失性存儲器技術，廣泛應用于固態硬盤（SSD）、USB閃存驅動器、存儲卡等設備。Flash Memory包括NOR與NAND。而NAND又分2D NAND 與 3D NAND。

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2D NAND，也稱為平面NAND，已經達到了其容量發展的極限。2D NAND 容量增長受到有限寬度和長度尺寸內可以容納多少存儲單元的限制。由于存儲單元只能在一個平面上布置，隨著存儲容量的增加，每個存儲單元的面積變小，導致存儲單元之間的相互影響增加，容易產生電荷干擾和數據損失。2D NAND的寫入速度相對較慢。在編程和擦除操作中，需要消耗較長的時間來將電荷注入或移除存儲單元中，這會導致寫入操作的延遲。

而3D NAND正是為了克服 2D NAND 的容量限制而開發的。3D NAND 架構可在不犧牲數據完整性的情況下擴展到更高的密度。與存儲單元水平堆疊的2D NAND 不同，3D NAND 使用多層垂直堆疊，以實現更高的密度、更低的功耗、更好的耐用性、更快的讀寫速度和更低的成本。由于將如此多的垂直單元封裝成較小的寬度和長度尺寸，因此 3D NAND 在相同的長度和寬度尺寸下具有比 2D NAND 更大的容量。

存儲單元結構對比

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2.1 2D NAND結構

控制柵（Control Gate）：位于頂部，控制下面的浮動柵。通過控制柵的電壓，可以控制電子是否可以進入或從浮動柵中離開。

浮動柵（Floating Gate）：位于控制柵下方，被絕緣層包裹，用于存儲電子。電子流入或從浮動柵中離開來表示數據的1和0。

Single-Si Channel：這是連接源極（S）和漏極（D）的硅溝道。電子通過這個通道從源極流向漏極，根據浮動柵的電荷狀態來控制這個流動，從而讀取存儲的信息。

2.2 3D NAND結構

控制柵（Control Gate）：3D NAND的控制柵是環繞著存儲柱的立體結構。

氮化硅（Nitride）：3D NAND使用電荷陷阱存儲電子。電子被存儲在氮化硅中，氮化硅是包裹在多晶硅溝道周圍，代替了2D NAND中的浮動柵。這種電荷陷阱層使NAND具有非易失性的數據存儲能力。

Poly-Si Channel：與2D NAND的單晶硅通道不同，3D NAND中的通道是垂直構建的，并由多晶硅材料構成，形成一個立體的存儲柱。

我們再進一步解剖3D-NAND的結構，如圖：

Silicon wafer base layer：這是3D NAND結構的基礎，即硅片。

Silicon bit cell gates：是控制電子流動的門結構，它們決定了是否允許電子進入或離開Silicon channel，從而實現數據的存儲和讀取。

Silicon dioxide gate dielectric：位于控制柵和Silicon channel之間的絕緣層，其功能是保持控制柵和Silicon channel之間的電氣隔離。

Silicon channel：其內部流動的電子被控制柵的電壓控制，用以存儲信息。

Silicon dioxide tunnel dielectric：它使電子在寫入操作中通過隧道效應流入到Silicon nitride charge trap，以及在擦除操作中從Silicon nitride charge trap中移除。

審核編輯：劉清