运用XtraROM技术解决传统 NAND Flash微型化难题

旺宏(Macronix) Senior Segment Marketing Manager Ralf Kilguss

在现今高度信息化、电子化的社会，存储器的应用已经是无处不在，而这其中又以非挥发性存储器(Non-Volatile Memory；NVM)因具有高速、高密度、低耗电、体积轻巧、坚固耐用，以及电源关闭后信息储存内容不会消失(即非挥发)…等特性，无论是在工作场所使用的USB、小笔记本电脑、笔记本电脑、平板电脑，或是日常生活中的手机、HD影视、MP3播放器、录音笔、电子宠物、可戴式Gadget、数码镜头？摄影机…等消费性装置，皆可看到其做为信息储存元件的踪影。

根据工研院近期所公布的数据显示，光是2012年全球移动存储器市场的部份，预期规模便可高达77亿美元，至2016年更会成长至130亿美元，显见即便受到欧美经济不振及希腊问题干扰…等因素的影响，市场对于存储器的需求仍相当惊人，「毕竟每一台电子产品都会需要藉由可独立运作的NVM，以便协助其执行各项功能。」

微型化导致漏电流问题，传统技术发展遇上严重瓶颈

旺宏(Macronix) Senior Segment Marketing Manager Ralf Kilguss表示，就存储器的发展总体情势来观察，虽然市场上已有多项应用技术可用来制造非挥发性存储器产品，如SONOS-Type技术(即Charge Trapping，以XtraROM架构为代表)、ROM&Fuse、非常具有进一步发展潜力的RRAM及Phase Change技术…等，但目前业者普遍采用的仍是以浮动闸(Floating Gate)技术(包括NOR Flash及NAND Flash存储器架构)为大宗。

特别是NAND Flash，「根据市场研究机构DRAMeXchange的预估，由于NAND Flash以数据储存为主要应用，虽然其处理速度较NOR Flash为慢，但随着各种消费性电子产品规模日趋扩大，2012年该款产品营收将较前一年度成长12%，而整体产值也可望在今年超越DRAM的水准。」

不过在面对半导体制程不断演进，各项元件尺寸变得越来越小的今日，浮动闸技术在存储器微型化过程方面却遇上了严重的瓶颈。Kilguss说，这是由于该技术是将其电荷储存于导体的多晶矽(poly silicon)之内，因此其底部Tunnel oxide必须保有一定的厚度，一旦当其厚度不足时，常会发生Direct tunneling与Frenkel-Poole tunneling…等电子穿隧效应现象，使得其容易有严重的漏电流问题产生，并进而影响该存储器的品质与可靠性。

Kilguss表示：「就一般的经验来看，Tunnel oxide的厚度不能小于8nm。」而这也导致浮动闸非挥发性存储器(floating-gate non-volatile memory)的制造商无论是计划要由垂直亦或是水平方向缩小产品尺寸，都会受到一定的局限，无法无限制地予以微型化。

损坏区块、写入？读取干扰、耐久性有限等问题有待克服

另一方面，当人们缩小浮动闸非挥发性存储器的体积，也代表着能储存于多晶矽内的电荷数会随着同步变少。根据2005年Kinam Kim于VLSI-TSA国际研讨会所发表的数据显示，若我们将浮动闸尺寸由120nm缩小至40nm时，在Vth为4V的条件设定下，所能储存的电子数会快速从约3,000个以上下滑至只有80个左右(由于相同尺寸下NAND Flash所包含电子数较NOR Flash为小，该效应对于此类型存储器影响会更为严重)，并使其电荷流失容差( Charge Loss Tolerance) 值的预期寿命由原先超过10年大幅减少至5年。

总电子数小，即表示当有相同数量电荷流失时，造成的影响会更严重。这也让小尺寸的浮动闸非挥发性规格存储器─尤其是NAND Flash，得面临到如何因应「数据保存」与「提高可靠性」的棘手难题。

除此之外，NAND Flash还有随P/E(program/erase)循环次数而自然增长的损坏区块(Bad Block)、不稳定电流或过敏元件造成相邻位置发生错误动作的写入？读取干扰(Write/Read Disturbance)、需再藉由平均抹写储存区块技术(Wearing Leveling)以延长其耐久性(Endurance)，以及长效数据保存具有一定的危险性…等众多问题需要克服。

以写入？读取干扰为例，受到相邻选用页面与未选用页面彼此之间读？写电压差异的影响(选用页面在读取时是0V，写入时是20V；而未选用页面读取时是5V，写入时是8V)，使得未选用页面单元会因而持续受压，导致数据容易产生自然流失的现象。Kilguss表示，当闸道节点的体积随着现代半导体制程越变越小时，此状况还会更加恶化。

兼顾存储器弹性与可靠性，旺宏推出HybridFlash新产品

除此之外，当NAND Flash进行读取作业期间，单一或多个位元组之值由「1」转换至「0」之时，也很容易有读取干扰错误(Read Disturb Error)的问题发生。「如果有大量(有时可高达数万个，视技术而定)针对个别页面所进行的读取作业在抹除动作之前发生时，错误状况会更严重。」这也就表示，当我们对NAND Flash的读取次数增加时，其未更正位元错误更正率(Raw Bit Error Rate；RBER)也会跟着递增，一旦当其递增所累积的错误位元数量太多，超出错误检查及校正技术(Error Checking and Correcting；ECC)所能更正的范畴时，NAND Flash的可靠性及数据保存能力即会下降至人们无法接受的程度。「此问题无法单靠内建的ECC机制来完全解决。」

为了改善NAND Flash在微型化过程所遇到的上述种种问题，提供嵌入式储存装置更高品质的解决方案，旺宏于近期推出了该公司新一代的产品─HybridFlash，以兼顾存储器追求弹性与可靠性的目标。「HybridFlash是由XtraROM、Flash Memory及Controller此三部份所共同组成，可分别做为其OS Storage、boot loader/code update，以及interface使用。」Kilguss说。

由于XtraROM具有可针对顾客的DRM scheme进行ASIC设计、无需Bad Block管理及额外ECC、没有读取干扰问题、遮罩图层(Masker Layer)要比应用其他技术更少、延展性更佳、专用12寸晶圆厂产能…等多项优势，因此不必如同采用其他技术的NAND Flash需要搭配额外Backup code image，在尺寸缩小后仍可保有相当的可靠性。

XtraROM在多方面均较NAND Flash有优异表现

对于内容及OS，HybridFlash还提供了相当稳固的介质，不仅数据在摄氏85度的条件下可保存长达20年，在摄氏-40℃~85℃的情况下仍可正常作业，透过安全控制器进行内容防护的设计，更使得其可避免黑客、病毒及其他外部篡改的威胁。

Kilguss表示，该公司曾经对3组XtraROM的单一页面，在温度摄氏25℃、Vcc为3.6V的环境条件下，以每秒数据量1MByte的频率进行重覆读取，以测试数据在XtraROM内是否会受到影响。结果在经过连续168小时，重覆读取超过109次的测试之后，由3组XtraROM各随机抽取80个单元(总共240个)，发现其中无任何错误发生。「如果是对一般SLC/MLC NAND Flash在相同条件下进行这样的试验，通常在1个小时内就会有读取干扰错误问题产生。」

与SLC NAND Flash或MLC Synchronous NAND Flash相较，XtraROM无论是在Random Read、Sequential Write、Random Write或Read Cycle上都有较佳的表现，因此现阶段无论是在封闭式消费系统(如打印机、STB、DTV)、网络装置(交换器、路由器、Base Station)、工业应用(PLC、IPC、Rugged PDA/Tablet、POS)，以及家电用品(咖啡机、烤炉及电冰箱)…等应用范畴中经常被使用。

「HybridFlash还可以用来取代传统安装或散布Windows、Office、Visio、Project、Visual Studio、 Visual FoxPro、Adobe Acrobat、Games…等软件的CD/DVD光盘片。」Kilguss说，只要将其数据写入至HybridFlash中，除了能够让其得到更长期的保存、免受病毒侵袭、无需浪费时间等待下载之外，Netbook、Tablet、Smart Phone及Slim NB…等运算装置也能省下不少留给光盘机等设备的空间，把装置做得更为小型化。

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