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固态硬盘中的NAND闪存可靠性详解
  按照剧情发展的规律,在进入正片之前都会有前传来交代事件的背景,所以在介绍固态硬盘SSD可靠性之前,咱们也先来个前传哈。



第一幕:闪存NAND基础背景

NAND根据cell包含bit的数目分为SLC、MLC、TLC,
NAND里面所有cell的状态采用VT分布图展示,如下图,
SLC包含1 bit,有1,0两个状态,
MLC包含2 bit,有11,10,00,01四个状态,
TLC包含3 bit,有111,011,001,101,100,000,010,110八个状态。



注:横坐标:NAND cell的阈值电压Vt; 纵坐标:每一个Vt对应的bit数目。(其实,现在还有QLC NAND,只是还没投放市场,这里就不涉及了)

介绍完NAND cell的状态,再来show一下NAND的基本操作(以最简单的SLC为例)。

读(Read):



  如上图所示,这是对单一cell进行read的基本操作。 在控制栅极(CG, 也是WL)加上0V的电压,源极(Source)端加上0V以及漏极(Drain, 也是BL)加上1V,然后通过源极与漏极之间电流Icell的大小来判断cell的状态(0或者1)。A点的状态代表存在Icell,所以Cell处于“开态”(ON),称为Erased;B点的状态代表不存在Icell或者Icell很小且可忽视,所以Cell处于“关态”(OFF),称为Programmed。如果对NAND cell阵列操作,原理图如下:



  在需要read的target Page的WL上面加一个R1(一个较小的电压),其他WL的加VpassR, BL方向加1V,

  如果Cell C处于Erased, 对应BL的Sense电路会感应到有电流;如果Cell C处于Programmed, 对应BL的Sense电路不会感应到有电流。

写(Program):

  在控制栅CG加上一个高压20V,基底接0V, 由于电场的存在以及隧穿效应,电子会被俘获在浮栅FG,也就完成了单个Cell的Program操作。

Program之后cell的状态为“0”。



擦除(Erase):


  在控制栅CG接0V,基底加上一个高压20V, 由于电场的存在以及隧穿效应,电子逃离浮栅FG,也就完成了单个Cell的Erase操作。

  Erase之后cell的状态为“1”。需要注意的是,Read、Program都是以Page为最小基本操作单位,而Erase以Block为最小基本操作单位。



第二幕:NAND可靠性概览


  对NAND可靠性影响很大的效应主要有:Read disturb,Program disturb,P/E Endurance以及Data Retention。

1. Read Disturb

  我们在第一幕介绍Read操作的时候提到,Read过程中,需要在Non-Target WL上加一个VpassR, 如果对一个Block里面的Page连续Read很多次的话,就相当于在某一WL一直会有VpassR的Stress。

  如下图,Cell D 由于VpassR长时间的Stress, 会引起浮栅FG弱的电子注入,因为Read disturb主要影响Erased状态的cell,进而表现在Vt图中L0向右飘移。



  在SSD中,针对Read disturb有优化措施,就是尽量避免连续读同一Block的Page,如果在进行了长时间的读操作之后,会加入Erase/Program操作,减小Read stress。

提一下SILC效应:SILC(Stress Induced Leakage Current)是压力诱导漏电流,由于Stress的影响,在Gate氧化层做成缺陷,缺陷会俘获电子。

2. Program Disturb

  在Program时,需要在WL加一个高压20V左右,由于高压的存在会造成其他BL上电子隧穿进入浮栅,再加上由于缺陷引起漏电以及GIDL效应的存在,最后的结果就是Program cell周围的Cell的Vt会向右偏移。


这里简单说一下GIDL效应:

  GIDL(gated-induce drain leakage) 是指栅诱导漏极泄漏电流,当栅漏交叠区处栅漏电压 VDG很大时,交叠区界面附近硅中电子在价带和导带之间发生带带隧穿形成电流,我们把这种电流称之为 GIDL 隧穿电流。随着栅氧化层越来越薄,GIDL 隧穿电流急剧增加。



3. P/E Endurance


  评判一颗NAND的寿命,P/E cycle是一个关键参数。在不断写入与擦除的过程中,器件的氧化层会慢慢变薄,电子的隧穿效应会更容易,最后造成的现象就是VT向右偏移。



4. Data Retention

  在NAND经历一段高温测验之后,电子会逃离浮栅,造成Vt向左偏移。在加上SILC的影响,Vt出现偏移。



【结论】
总结一下这几种效应的VT分布图,如下:

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