电荷陷阱（Charge Trap）技术推动闪存市场演进
Source: Robert Sheldon, Charge trap technology advantages for 3D NAND flash drives, 19 Jun 2023
在过去的10年中，存储行业经历了一场悄然的转变，这在很大程度上得益于3D闪存的普及。在3D出现之前，大多数闪存固态硬盘使用浮栅单元来存储数据，但现在大多数固态硬盘都建立在包含电荷陷阱单元的3D架构之上。
电荷陷阱闪存（Charge Trap Flash， CTF）具有更好的耐久性和可扩展性，对损坏和泄漏的敏感性较低。电荷陷阱单元还消耗更少的能量，并且编程速度更快。
尽管电荷陷阱单元具有许多好处，但其转换过程并没有引起太多关注，可能部分原因是它们也带来了挑战，特别是在可靠性方面。因此，一些制造商仍然坚持使用浮栅单元，主要用于平面NAND，但也在有限程度上用于3D闪存。其它供应商则大量投资于电荷陷阱技术，并且可能会持续一段时间。
浮栅困境
自问世以来，闪存驱动器一直使用浮栅单元。每个单元包含一个集成在单元结构中的浮栅。当以特定方式施加电压到单元时，浮栅会捕获电子；当以不同方式施加电压时，浮栅会释放电子。
在单层单元驱动器中，当浮栅含有电子时，被视为带电或已编程，该单元的位值被记录为零。否则，该单元被视为未带电或已擦除，其位值被记录为一。对于多层单元、三层单元(TLC)和四层单元(QLC)驱动器，计算更加复杂，但基本原理相同。
在单元内部，一个氧化物层将浮栅与电压传输进出单元的硅基底隔开。氧化物层足够薄，使电子能够在施加电压时在浮栅和基底之间传递。在编程（或写入）操作期间，电子进入浮栅。在擦除操作期间，电子从浮栅中移出。
每次编程/擦除循环都会轻微损坏氧化物层，经过足够多的P/E循环后，氧化物层会侵蚀到足够程度，电子开始从浮栅中泄漏，直到无法保持电荷，单元变得无法使用。
随着单元尺寸缩小和每个单元中包含更多位，它们变得更容易受到损坏的影响。诸如磨损平衡和控制器逻辑的改进等技术有助于延长固态硬盘的使用寿命，但单元最终仍然会发生故障。
对于浮栅单元来说，3D闪存的转变是前所未有的挑战。层数越多，制造和扩展芯片就越困难，特别是在制造商努力减小芯片整体占用空间的情况下。现在有些3D固态硬盘的层数超过200层，而未来还计划推出更密集的3D闪存。
浮栅单元与电荷陷阱技术
由于浮栅单元的局限性，Samsung、Micron、SK Hynix和Kioxia等闪存制造商已经转向电荷陷阱技术来制造大部分闪存存储器。电荷陷阱单元已经存在一段时间，但直到出现3D闪存后，供应商才开始认真考虑将其用于企业级固态硬盘。
在许多方面，电荷陷阱单元的工作方式与浮栅单元类似，通过不同的电压模式将电子移入和移出捕获层。但有一个重要的区别。浮栅单元使用多晶硅作为导体来捕获电子。电荷陷阱单元使用非导电的氮化硅作为绝缘体。
与多晶硅相比，氮化硅对缺陷和泄漏的敏感性较低，并且在支持P/E循环时所需的电压较低。因此，电荷陷阱单元可以使用更薄的氧化物层，并减轻对层的应力，从而比采用浮栅单元的驱动器具有更高的耐久性。电荷陷阱方法还使读取和写入操作更快，能耗更低。
随着浮栅单元变得更小，它们也更容易受到干扰，例如电子无意间从一个浮栅流向另一个浮栅。这些干扰可能导致性能不一致，并导致数据错误。由于电荷陷阱层是绝缘体，因此此类干扰不太可能发生，这使得电荷陷阱单元可以比浮栅单元更小，并因此制造出具有更高耐久性的更密集驱动器。
电荷陷阱的挑战
尽管电荷陷阱闪存技术听起来很有前途，但它们也存在挑战。电子可能被困住，导致退化。电荷陷阱单元也可能会受到数据泄漏的影响，尤其是在温度较高时，电子变得更加活跃，尽管电荷陷阱单元对泄漏的敏感性仍然不及浮栅单元。
根据Akira Goda在他的文章《3D NAND闪存技术的最新进展》中的描述，电荷陷阱单元还可能出现短期数据保持问题。由于单元的设计，被困电荷可能会在很短的时间内发生横向或纵向移动，或者被困在隧道氧化物中。
电荷陷阱闪存市场
尽管电荷陷阱单元存在一些缺点，但3D闪存制造商正积极采用这项技术。他们还采取了措施来解决与电荷陷阱单元相关的潜在问题。例如，供应商正在改进其制造工艺，更新控制器软件，并将新的设计特性引入到他们的固态硬盘中。
Kioxia和Western Digital最近宣布了一款218层的3D闪存，使用TLC或QLC配置存储1TB数据，这两种配置都依赖于电荷陷阱单元。互补金属氧化物半导体（CMOS）使用诸如晶片键合和横向收缩等特征。该闪存还采用了直接键合到阵列（CBA）技术的CMOS。通过CBA，CMOS晶片和电池阵列晶片在优化条件下分别制造，然后键合在一起，有助于增强位密度和提供更快的I/O速度。
SK Hynix在其电荷陷阱CMOS方面也采取了类似的做法。该公司最近推出了一款称为4D闪存的238层电路。这里的4D指的是一个带有CMOS层的芯片，位于包含外围逻辑电路的Peri Under Cell（PUC）层的顶部。据SK Hynix称，PUC技术有助于减小芯片尺寸并最大化生产效率。该供应商还声称其先进的电荷陷阱技术改善了读写性能。
尽管Micron在采用电荷陷阱闪存技术方面比其它供应商慢了一些，但该公司目前正在出货一款使用该技术的232层NAND芯片。该芯片还采用了与Kioxia、Western Digital和SK Hynix的芯片相同的堆叠方法。阵列晶片键合到逻辑晶片的顶部，Micron将其称为CMOS下阵列。
Samsung是3D NAND和电荷陷阱技术的先驱之一，其于2013年推出了V-NAND闪存驱动器系列。自那时以来，三星一直是3D NAND行业的全球领导者。三星目前的第七代闪存固态硬盘包括176层，但该公司的第八代固态硬盘目前正在生产中，预计将提供236层。
不断发展的存储世界
闪存驱动器的密度和性能比以往任何时候都更高，同时GB的价格也持续下降。大多数现今的闪存驱动器都基于使用电荷陷阱单元的3D架构，取代了作为首选技术的浮栅单元。由于电荷陷阱固态硬盘的广泛应用，这项技术很可能在相当长的一段时间内存在，并且应该会在每一代新产品中继续改进。