Flash快閃記憶體顆粒和工藝知識深度解析

Wafer即晶圓，是半導體組件「晶片」或「晶元」的基材，從沙子裡面高溫拉伸生長出來的高純度硅晶體柱(Crystal Ingot)上切下來的圓形薄片稱為「晶圓」。採用精密「光罩」通過感光製程得到所需的「光阻」，再對硅材進行精密的蝕刻凹槽，繼續以金屬真空蒸著製程，於是在各自獨立的「晶粒」(Die)上完成其各種微型組件及微細線路。對晶圓背面則還需另行蒸著上黃金層，以做為晶粒固著(Die Attach) 於腳架上的用途。

以上流程稱為Wafer Fabrication。早期在小集成電路時代，每一個6吋的晶圓上製作數以千計的晶粒，現在次微米線寬的大型VLSI，每一個8吋的晶圓上也只能完成一兩百個大型晶元。我們NAND Flash的Wafer，目前主要採用8寸和12寸晶圓，一片晶圓上也只能做出一兩百顆NAND Flash晶元來。

NAND Flash Wafer

Wafer的製造雖動輒投資數百億，但卻是所有電子工業的基礎。晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經由電弧爐提煉，鹽酸氯化，並經蒸餾後，製成了高純度的多晶硅，其純度高達99.99%以上。晶圓製造廠再將此多晶硅融解，再在融液里種入籽晶，然後將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由於硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態的硅原料中逐漸生成，此過程稱為「長晶」。硅晶棒再經過切段，滾磨，切片，倒角，拋光，激光刻，封裝後，即成為集成電路工廠的基本原料——硅晶圓片，這就是「晶圓」。

下圖是NAND Flash生產簡要流程:

Die 就是晶元未封裝前的晶粒,是從硅晶圓(Wafer)上用激光切割而成的小片(Die)。每一個Die就是一個獨立的功能晶元，它無數個晶體管電路組成，但最終將被作為一個單位而被封裝起來成為我們常見的快閃記憶體顆粒，CPU等常見晶元。

什麼是ink Die

在晶圓製造過程中，會對Wafer中的每個Die進行嚴格測試，通過測試的Die，就是Good Die，未通過測試的即為Ink Die。這個測試過程完成後，會出一張Mapping圖，在Mapping裡面會用顏色標記出不良的Die，故稱Ink Die。

Flash晶元封裝分類

目前NAND Flash封裝方式多採取TSOP、FBGA與LGA等方式，由於受到終端電子產品轉向輕薄短小的趨勢影響，因而縮小體積與低成本的封裝方式成為NAND Flash封裝發展的主流趨勢。

TSOP:(Thin smaller outline package)封裝技術，為目前最廣泛使用於NAND Flash的封裝技術，首先先在晶元的周圍做出引腳，採用SMT技術（表面安裝技術）直接附著在PCB板的表面。TSOP封裝時，寄生參數減小，因而適合高頻的相關應用，操作方便，可靠性與成品率高，同時具有價格便宜等優點，因此於目前得到了極為廣泛的應用。

BGA:(Ball Grid Array也稱為錫球數組封裝或錫腳封裝體)封裝方式，主要應用於計算機的內存、主機板晶元組等大規模集成電路的封裝領域，FBGA 封裝技術的特點在於雖然導線數增多，但導線間距並不小，因而提升了組裝良率，雖然功率增加，但FBGA能夠大幅改善電熱性能，使重量減少，信號傳輸順利，提升了可靠性。

採用FBGA新技術封裝的內存，可以使所有計算機中的內存在體積不變的情況下容量提升數倍，與TSOP相比，具有更小的體積與更好的散熱性能，FBGA封裝技術使每平方英寸的儲存量有很大的提升，體積卻只有TSOP封裝的三分之一，與傳統TSOP封裝模式相比，FBGA封裝方式有加快傳輸速度並提供有效的散熱途徑，FBGA封裝除了具備極佳的電氣性能與散熱效果外，也提供內存極佳的穩定性與更多未來應用的擴充性。

LGA:(Land Grid Array) 觸點陳列封裝，亦即在底面製作有數組狀態坦電極觸點的封裝，裝配時插入插座即可，現有227 觸點(1.27mm中心距)和447 觸點(2.54mm 中心距)的陶瓷LGA，應用於高速邏輯 LSI 電路，由於引線的阻電抗小，對高速LSI 相當適用的，但由於插座製作複雜，成本較高，普及率較低，但未來需求可望逐漸增加。

Flash晶元封裝疊Die(Stack Die)

由於NAND Flash單顆Die的容量有限，為了實現更高的容量，需要在一個封裝片內堆疊幾個Die。在Wire Bond的時候，用金線互連。

目前單顆Die的容量最高的為Micron公司的MLC 4GB，目前最先進的堆疊技術可以疊8層，因此理論上MLC單顆封裝片可以做到32GB。Micron公司計劃在09年Q4推出此容量的封裝片。

Flash晶元TSOP封裝和BGA封裝的內部結構

TSOP封裝只需要一個引腳框架，把NAND FLASH Die的Pad打線(Wire Bond)連接到引進框架上面即可。封裝技術簡單，成本低。但其打線方式只能從兩邊打線，因此stack die就比較困難。

BGA封裝與TSOP封裝不同在於其採用了Substrate，用電路板來對引腳走線，因此可以進行四面打線，這樣在進行疊die的時候，就變得更加容易操作。但成本會比TSOP要高。

Flash晶元封裝的尺寸，一些封裝方式尺寸比較:

NAND Flash出貨有兩種產品樣式:

一種是Wafer，即晶圓出貨，這種產品樣式一般客戶採購回去需要再測試和COB封裝等，這種客戶多為快閃記憶體卡大客戶。

一種是封裝片出貨，NAND Flash目前最普遍採用的是48TSOP1的封裝方式，現貨市場均為TSOP的封裝片。

NAND Flash按工藝可分為SLC與MLC

SLC英文全稱(Single Level Cell)即單層式單元儲存。SLC技術特點是在浮置閘極與源極之中的氧化薄膜更薄，在寫入數據時通過對浮置閘極的電荷加電壓，然後透過源極，即可將所儲存的電荷消除，通過這樣的方式，便可儲存1個信息單元，這種技術能提供快速的程序編程與讀取，不過此技術受限於Silicon efficiency的問題，必須要用較先進的流程強化技術，才能向上提升SLC製程技術。

MLC英文全稱(Multi Level Cell)即多層式單元儲存。Intel在1997年9月最先開發成功MLC，其作用是將兩個單位的信息存入一個Floating Gate(快閃記憶體存儲單元中存放電荷的部分)，然後利用不同電位(Level)的電荷，通過內存儲存的電壓控制精準讀寫。MLC通過使用大量的電壓等級，每一個單元儲存兩位數據，數據密度比較大。SLC架構是0和1兩個值，而MLC架構可以一次儲存4個以上的值。因此，MLC架構可以有比較高的儲存密度。

TLC英文全稱(Triple Level Cell)即一個單元可以存儲單元可以存儲3bit，因此需要8個等級的電位進行編碼解碼才能實現。其實TLC是屬於MLC的一種。

SLC和MLC的基本特性表

Flash壞塊的形成

NAND Flash的存儲原理是，在寫入(Program)的時候利用F-N隧道效應(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮柵充電，即注入電荷；在擦除(Erase)的時候也是是利用F-N隧道效應(Tunnel Release隧道釋放)將浮柵上的電荷釋放。

隧道注入和隧道釋放的產生都需要十幾伏的瞬間高電壓條件，這對浮柵上下的氧化層會造成一定損傷，因此這樣重複的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。達到讀寫壽命極限的時候存儲單元就會出現失效，然後就會造成數據塊擦除失效，以及寫入失效，於是就會被標記起來，作為壞塊，並將這個標記信息存放在Spare Area裡面，後續操作這個Block時，需要Check一下這個信息。

Flash固有壞塊

由於製造工藝的原因，通常普通的NAND FLASH從出廠開始就有壞塊了，一般在2‰以下。一般晶元原廠都會在出廠時都會將壞塊第一個page的spare area的第6個byte標記為不等於0xff的值。

NAND Flash的存儲單元是有使用壽命的

NAND Flash的存儲原理是，在寫入(Program)的時候利用F-N隧道效應(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮柵充電，即注入電荷；在擦除(Erase)的時候也是是利用F-N隧道效應(Tunnel Release隧道釋放)將浮柵上的電荷釋放。隧道注入和隧道釋放的產生都需要20V左右瞬間高電壓條件，這對浮柵上下的氧化層會造成一定損傷，因此這樣重複的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。

三星估算的SSD硬碟的壽命

如果每天對SSD寫入4.8GB的數據，假設SSD總容量為16GB，那麼，你至少需要3.34天才能對整個SSD的每個單元擦寫一次；如果此SSD為擦寫次數為100K的SLC單元，那麼，你至少需要3.34×100K天才能使這個SSD完全失效；3.34×100K天＝913年，因此16G的SSD可以使用913年。那麼，如果是MLC的話，也至少可以使用91.3年。

晶圓製程工藝發展歷史

晶元製程工藝是指晶圓內部晶體管之間的連線間距。按技術述語來說，也就是指晶元上最基本功能單元門電路和門電路間連線的寬度。

主流廠商的晶圓製程工藝以及下一代製程工藝的情況，如下表。

晶元製造工藝在1995年以後，從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90納米、75納米、65納米一直發展到目前最新的34納米。

一步步印證了摩爾定律的神奇。以90納米製造工藝為例，此時門電路間的連線寬度為90納米。我們知道，1微米相當於1/60頭髮絲大小，經過計算我們可以算出，0.045微米(45納米)相當於1/1333頭髮絲大小。可別小看這1/1333頭髮絲大小，這微小的連線寬度決定了晶元的實際性能，晶元生產廠商為此不遺餘力地減小晶體管間的連線寬度，以提高在單位面積上所集成的晶體管數量。採用34納米製造工藝之後，與65納米工藝相比，絕對不是簡單地令連線寬度減少了31納米，而是晶元製造工藝上的一個質的飛躍。

目前最先實現34nm工藝的是Intel和Micron聯合投資的IM，此技術被最先應用在了NAND FLASH上面，可見NAND FLASH的製程工藝跳躍是所有IC中最快的。

晶圓技術的發展都是受生產力驅動，必須向更小的製程間距和更大的晶圓尺寸發展。製程從2.0um、0.5um、0.18um、90nm一直到目前的34nm，晶圓尺寸從最初的5英寸發展到目前的12英寸，每次更迭都是一次巨大的技術跳躍，凝聚了人類科技的結晶，也一次次印證了摩爾定律的神奇。

晶圓尺寸的大約每9年切換一次。而晶圓製程由最初的幾年更迭一次，到目前的基本上每年都能更迭一次。

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