3D NAND 閃存的層間差異特性的研究

黃三維，李英閣，韓國軍

廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006

近年來，隨著NAND 閃存存儲容量的快速增長和成本的大幅下降，以NAND 閃存為存儲介質的固態硬盤的市場占比已經超過機械硬盤，成為最主要的數據存儲設備。NAND 閃存存儲密度的提升主要依靠半導體制造精度的提升和每單元存儲多比特技術的應用。提升半導體制造精度是提高NAND 閃存存儲密度最直接的辦法，但推動生產精度提升所需的投入越來越大，半導體制造工藝的發展已進入瓶頸期。每單元存儲多比特的技術能夠成倍的提升閃存的存儲容量，但是每單元存儲的比特數的增多也會使各個狀態閾值電壓分布更容易產生重疊，導致誤碼率的增加[1]。

在NAND 閃存存儲容量的增長速度減慢的同時，當今社會對于存儲的需求卻與日俱增。因此，為了持續推動NAND 閃存存儲密度的增大，研究者們提出了3D 堆疊技術。不同于以往存儲單元只分布在平面上，3D 堆疊技術利用了NAND閃存芯片垂直方向上的空間，將存儲單元在垂直方向進行堆疊，從而實現即使在使用較老的生產工藝的情況下都能極大地提高NAND 閃存的存儲容量[2]。3D 堆疊技術在使得NAND 閃存的存儲密度得到極大提升的同時，也導致了NAND 閃存的結構更加復雜、信道噪聲更加多樣，給NAND閃存的可靠性帶來了更大的挑戰。

2018 年，Wu 等[3]發現一個塊的不同層的字線受到讀干擾的影響是非均勻的。2019 年，Luo 等[4]指出3D NAND 閃存相比平面閃存出現3 種新的噪聲，其中1 種為層間制程差異噪聲，即不同層的存儲單元因為堆疊而產生的物理結構上的差異而產生的噪聲。目前對層間制程差異噪聲的研究還主要停留在靜態的分析上，即在一定的情況下不同層的存儲單元的原始誤碼率的差異。本文對層間差異進行動態的分析，即不同層的原始誤碼率和閾值電壓分布差異隨著編程擦除磨損次數和數據保存時間的變化進行了深入分析。

1 3D NAND 閃存

圖1 為3D NAND 閃存基本存儲單元的2 種類型，1 種是FG 型，1 種是CT 型。2 種存儲單元都是以圓柱形通道為中心，其他層依次以同心圓的方式一層一層包裹通道，各層從內到外依次是：通道屏蔽層、電荷儲存層、絕緣屏蔽層、控制門[5?6]。

圖1 3D NAND 閃存存儲單元結構及其組織方式

1.1 3D NAND 閃存的字線和邏輯頁

3D NAND 閃存的1 個塊的不同頁以一定的規律分布在不同層的不同字線上。1 個存儲單元存放1 bit、2 bit、3 bit 數據分別稱為SLC、MLC、TLC 類型存儲單元，分別對應每個字線劃分為1 個、2 個、3 個邏輯頁，每個字線的邏輯頁以地址高低劃分為高頁、中頁、低頁[7]。如圖2，堆疊層數為64 層、每層有12 個字線的3D NAND 閃存，其最高和最低的幾層因為受到的噪聲過大而設計為SLC 型或者MLC 型，中間的層數為TLC 型。MLC 類型的層使用單步編程，同時對低頁和高頁進行編程。TLC 類型的層使用兩步編程方式，第1 步對低頁進行編程，第2 步對中頁和高頁進行編程。

圖2 鎂光MT29F1T08EEHAF 型號芯片的塊結構

1.2 層間特性差異

由于3D NAND 閃存的制作工藝問題，不同層的存儲單元在物理結構上存在一定的差異，使不同層的存儲單元在特性上產生區別。在3D NAND閃存的制造過程中，需要在垂直方向上構造通道。理想情況下，垂直通道圓柱體不同部位的直徑應該是相等的，但是在實際生產中，受重力等因素的影響，層數越高的存儲單元的直徑會更大。隨著3D NAND 閃存堆疊層數的不斷上升，通道的高度也會上升，通道形變程度也會更加嚴重[8]。

為了緩解通道的層間差異隨著層數的增加而不斷增大的問題，閃存生產商使用了串堆疊技術。串堆疊技術在垂直方向上將3D NAND 閃存分成多個部分，先對底部的層進行堆疊，然后在已堆疊的層的基礎上繼續進行堆疊，從而降低每次堆疊的通道的高度，降低了存儲單元的層間差異。串堆疊技術雖然解決了層間差異隨著層數增加而增大的問題，但是也增加了閃存的加工成本。

2 實驗平臺與實驗設計

我們使用NFA100-E 閃存芯片測試儀作為實驗平臺，實現閃存芯片的控制功能。NFA100-E 設備有4 個獨立的通道，能夠完成對芯片的擦除、編程、讀取、寄存器設置和寄存器讀取操作。首先選取測試芯片的一些塊作為測試塊，并通過實驗平臺的驅動，將在終端機上生成的測試數據寫入到這些測試塊中。待對測試芯片進行特定的噪聲處理后，對芯片進行掃描并將數據導出到終端機上，進行數據分析。

實驗使用的芯片是鎂光的3D NAND 閃存芯片，其參數如表1 所示。

表1 實驗芯片參數

實驗芯片為鎂光生產的懸浮柵型3D 閃存芯片，型號為MT29F081TEEHAF。如圖2 所示，此型號的芯片在垂直方向上堆疊了66 層，中間的62 層的存儲單元被設計為每單元存儲3 bit，上下分別有兩層被設計為每單元存儲低于3 bit 的層，一層為每單元存儲1 bit，另一層為每單元存儲2 bit。芯片的每個塊包含2 304 個頁，每層有12個字線。此芯片使用了串堆疊技術，分兩次對所有的層進行堆疊，首先對下半部分的層進行堆疊，然后在已經完成堆疊的下半部分層之上進行上半部分層的堆疊。

2.1 閾值電壓分布掃描方法

NAND 閃存的存儲單元以其存儲的電荷量表示存儲的數據的值，存儲單元存儲的電荷量可以表現為閾值電壓的大小。因此，可以通過測量存儲單元閾值電壓的大小從而判斷其存儲的數據值。每個存儲單元的理想狀態下的閾值電壓應接近一個固定值，但存儲單元受到多種噪聲和干擾的影響，使存儲單元的閾值電壓發生不同程度的偏移，存儲單元的閾值電壓分布呈現一定的模式。

通過閃存芯片的參考電壓偏移功能，能夠得到存儲單元在不同參考電壓取值時的狀態，判斷存儲單元的閾值電壓所在的區間[9?10]。如圖3 所示，閾值電壓在R1到R2區間內的存儲單元的狀態為P1，閾值電壓在R2到R3區間內的狀態為P2，其他狀態同理。以閾值電壓值在V1到V2區間內，狀態為P2的存儲單元A 為例，在參考電壓R2取值小于等于V1，且R3 取值大于等于V2時，判決為狀態P2；在R2取值大于等于V2，且R1取值小于等于V1時，判決為狀態P1。根據R2取值分別為V1和V2時判決狀態的差異，則能夠判斷存儲單元的閾值電壓取值在V1到V2的區間內。為了獲取所有編程狀態的閾值電壓分布，首先選擇1 個塊寫入隨機數據；其次，不斷重復參考電壓偏移和數據讀取操作，以得到存儲單元在不同參考電壓偏移下的讀取數據；最后，將讀取的數據進行處理，得到每個存儲單元閾值電壓所在的區間。

圖3 通過參考電壓偏移得到存儲單元的閾值電壓所在區間

2.2 加速芯片老化方法

為了能夠快速得到芯片在經過長時間電荷泄漏后的性能情況，根據式(1)的阿倫尼烏斯公式計算與芯片常溫下的老化時間等效的高溫下的老化時間，實現通過對芯片進行高溫處理從而加速芯片的老化速度[11]。

本實驗中使用到的高溫等效老化時間如表2所示。

表2 高溫老化等效時間

2.3 實驗流程

因為實驗芯片的一個塊內存在所有層的存儲單元，因此我們以塊為單位進行測試。經過測試我們發現實驗芯片每層的12 個字線在誤碼率和閾值電壓分布上的特性基本一致，又因為實驗芯片一個塊包含的頁較多，為了加快測試速度，我們在1 個塊每層的12 個字線中抽取了4 個字線進行測試。為了得到不同噪聲下的閃存可靠性，我們隨機選取一個芯片內的幾個塊，并磨損到不同的編程擦除循環次數；然后對芯片的幾個測試塊的所有頁寫入相同的隨機生成數據；最后對芯片進行加熱老化，并在老化到測試時間點時對每個塊的測試頁進行閾值電壓掃描。

在獲取每個測試點的數據之后，需要對原始誤碼率和閾值電壓分布進行計算。使用默認參考電壓下讀取出的數據與隨機寫入數據進行對比，計算得到原始誤碼率。為了便于后續的分析，使用高斯分布對掃描得到的閾值電壓分布進行擬合。使用內德米德單純形法對掃描得到的分布和構建的高斯分布的均方差進行最小值優化，并使用掃描閾值電壓分布的均值和方差作為初值輸入，得到擬合的高斯分布參數，最后使用計算得到的高斯分布的參數構建高斯分布作為測試點的閾值電壓分布[10，12]。

3 結果分析

我們從原始誤碼率和閾值電壓分布2 個方面對3D NAND 閃存的特性受層間差異的影響進行分析。通過對測試分布擬合出來的高斯分布的均值和方差對閾值電壓分布進行分析，同時觀察到在實驗測試的編程擦除循環次數和數據保存時間下，分布的方差變化較小，因此主要對分布的均值進行分析。

3.1 BER 受層間差異的影響

如圖4 所示，層間差異將導致不同層的存儲單元的原始誤碼率出現較大的差異。實驗芯片不同層的原始誤碼率有十分明顯的差異，并且在編程擦除循環次數增大或者數據保存時間變久之后，不同層的原始誤碼率仍然保持相似的變化規律。

圖4 不同噪聲下各層的原始誤碼率

從圖4 中觀察到以下4 個現象：1) 低頁、中頁、高頁的原始誤碼率隨層數的變化情況不同，并且串堆疊的高低2 個串的各層的原始誤碼率的變化也有區別。2)低頁、中頁、高頁的原始誤碼率在中間相鄰2 個層都存在非常大的差異。這是因為實驗芯片在生產過程中使用了串堆疊技術，不同串交界處的兩層分別是2 個串的通道圓柱體半徑最小和最大的2 個部分，因此這兩層的存儲單元的特性會產生較大的差異。3)隨著編程擦除循環次數的增大，不同層之間的原始誤碼率的差異增大。因為層間存在差異，不同層受到編程擦除磨損的影響不同，導致經過磨損之后不同層的誤碼率的差異增大。4) 隨著數據保存時間的增大，不同層的誤碼率的差異會顯著增大，并且編程擦除循環次數越大，不同層的原始誤碼率差異越顯著。因為層間差異導致不同層的存儲單元對電荷泄漏的屏蔽能力不同，不同層經過一定時間的電荷泄漏之后的誤碼率也不同。受磨損更嚴重的層電荷保留能力也越差，誤碼率的增長也比其他層更多。

3.2 閾值電壓分布均值受層間差異的影響

圖5 為層間差異將導致不同層的各個編程狀態的閾值電壓分布的均值出現較大的差異，但仍然有一定的規律。串堆疊的高低2 個串的閾值電壓分布均值變化情況也不相同。

圖5 不同噪聲下各層的閾值電壓分布均值

式中：ms,l為l 層的s狀態分布的均值，μs為s狀態各層分布均值的均值，Stotal稱為總層間差異。根據式(2)計算了各編程狀態的各層分布均值的方差，并將各狀態的方差求和記為總層間差異，作為衡量各層閾值電壓分布均值差異大小的指標。

計算了各個噪聲下的總層間差異后，可以得到圖6。隨著數據保存時間的增大，層間差異將導致不同層的不同編程狀態的閾值電壓分布的均值的大小的差異更加明顯。層間差異使3D NAND 閃存的不同層的存儲單元的半徑大小出現差異，存儲單元半徑大小的不同會導致存儲單元的電荷屏蔽層的厚度存在差異，從而導致不同層的存儲單元對電荷的保留能力產生差別。因此不同層的存儲單元在經過相同的數據保存時間后，其電荷泄漏的嚴重程度也不相同。數據保存時間越長，不同層的存儲單元因為電荷泄露產生的閾值電壓分布偏移情況差異越大。

圖6 各層的閾值電壓分布均值的方差之和

隨著編程擦除循環次數的增大，層間差異將導致不同層的不同編程狀態的閾值電壓分布的均值的差異增大。在一定的編程擦除磨損次數下，因磨損而產生的屏蔽層陷阱數量大致相同，屏蔽層的面積較小的存儲單元陷阱的密度更高，也更加容易產生電荷泄漏。在一定的擦除循環次數范圍內，擦除循環次數越大，不同層的閾值電壓分布均值的差異也越大。

4 結論

3D NAND 閃存在堆疊過程中會出現垂直通道圓柱體的半徑不一致的情況，導致不同層的存儲單元存在不同程度的差異，使不同層的存儲單元在性能上出現一定的差別。實驗分析得出以下結論：

1)串堆疊的使用將導致不同串的交界處的幾個層的原始誤碼率和各個編程狀態的閾值電壓分布均值產生較大的差異，并且不同串的相同高度的層的存儲單元性能也存在差異。

2)不同層的存儲單元受到相同的編程擦除磨損后，部分層的性能下降相比其他層更大，并且在一定的擦除循環次數范圍內，擦除循環次數越大，不同層性能差異越大。

3)層間差異導致不同層存儲單元對電荷的保留能力不同，受擦除循環影響更加嚴重的層電荷保留能力越差。

本實驗對使用了串堆疊技術的3D 閃存芯片不僅進行了各層的原始誤碼率測試，還對各層的閾值電壓分布進行了測試。相比其他對3D 閃存層間差異的研究，我們對層間差異受噪聲的影響進行了動態分析。根據實驗結果，當3D 閃存的擦除循環次數達到一定的次數或者數據保存達到一定時間，不同層的差異較大，需要對不同層使用不同的處理方式。