【技术基础帖】SSD可靠性分析前传之NAND闪存可靠性概览

Long_龙1993 2021-08-08

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NAND闪存可靠性概览

我见青山多妩媚，料青山见我应如是。

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SSD可靠性之前，咱们也先来个前传哈。

第一幕：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。

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很小且可忽略，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，就是尽量避免持续读同一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。