Wenn es um elektronische Geräte – und die Komponenten, aus denen sie bestehen – geht, ist Haltbarkeit von größter Bedeutung. Kürzlich, Phison Forscher fanden heraus, dass die branchenübliche Testmethode zur Vorhersage der Lebensdauer eines Geräts beim Testen der Haltbarkeit von 3D-NAND-Flash-Modulen äußerst ungenau war. Die Forscher präsentierten ihre Ergebnisse und Empfehlungen zur Lösung des Problems auf der 2023 IEEE International Reliability Physics Symposium.
Bitte beachten Sie: Dieser Artikel basiert auf dem Originalpapier, das auf dem Symposium vorgestellt wurde. Es wird für weniger technisch versierte Leser auf einem hohen Niveau zusammengefasst und enthält dann auch einige weitere technische Details für Leser, die diese bevorzugen.
Ein genauerer Blick auf die ursprüngliche Testmethode
Der langjährige Industriestandard zur Vorhersage der Lebensdauer elektronischer Geräte ist eine hochtemperaturbeschleunigte Methode unter Verwendung der Arrhenius-Gleichung. Aber was bedeutet das?
„Hochtemperaturbeschleunigt“ Das bedeutet, dass Forscher, anstatt die Lebensdauer eines Geräts zu testen, indem sie es normal altern lassen, einen Weg gefunden haben, die Alterungsrate des Geräts zu beschleunigen, indem sie es Temperaturen aussetzen, die viel höher als seine Standardbetriebstemperatur sind. Auf diese Weise können sie Ausfälle oder Defekte schneller erkennen, deren Auftreten unter normalen Betriebsbedingungen Jahre dauern kann.
Die Arrhenius-Gleichung stellt die Beziehung zwischen Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeiten dar und wie die Temperatur diese Reaktionen beschleunigen kann.
Für NAND-Flash-ProdukteDie Lebensdauer ist definiert als die Zeit, die das Gerät benötigt, um standardmäßig eine vordefinierte Bitfehlerrate zu erreichen Betriebstemperaturen.
Für diejenigen, die eine wissenschaftlichere Sichtweise bevorzugen, finden Sie hier eine ausführlichere Erklärung:
Die Lebensdauer eines NAND-Flash-Produkts ist definiert als die Verweildauer bei Betriebstemperatur des Geräts (30 °C).ÖC bis 40ÖC) wenn die Bitfehlerrate (BER) einen bestimmten Wert erreicht, der die Obergrenze der ECC-Fähigkeit (Error Correction Code) darstellt (siehe Abbildung 1).
Laut JEDEC-Dokumenten kann die Lebensdauer elektronischer Geräte durch eine temperaturbeschleunigte Methode unter Verwendung der Arrhenius-Gleichung geschätzt werden, die lautet:
In der Gleichung ist T1 und T2 sind die Backtemperatur bzw. die Betriebstemperatur des Geräts. T1 und T2 sind die Retentionszeit bei T1 und T2, jeweils. k ist Boltzmanns Konstante. EA ist die Aktivierungsenergie und stellt die Stärke des Temperatureffekts auf die Datenspeicherungseigenschaften dar. Beachten Sie, dass größere EA (größere Steigung) bedeutet, dass die Retentionszeit einen stärkeren Temperatureffekt hat. In diesem Modell wird angenommen, dass EA ist ein konstanter Wert und unabhängig von der Backtemperatur. Da EA ist ein bekannter Faktor, der normalerweise vom NAND-Anbieter bereitgestellt wird, die Gerätelebensdauer t2 bei Gerätebetriebstemperatur T2 könnte entsprechend berechnet werden, indem die Speicherausfallzeit t erfasst wird1 bei Backtemperatur T1 (siehe Abbildung 2).
Was Phison herausgefunden hat
Bei ihrer Forschung entdeckten die Phison-Ingenieure, dass einer der Faktoren in der Arrhenius-Gleichung – von dem angenommen wurde, dass es sich um einen konstanten, unveränderlichen Wert handelt – in 3D-NAND-Flash-Geräten tatsächlich je nach Backtemperatur variieren kann. Das liegt daran, dass die Skalierung der Zellengröße, des Abstands zwischen den Zellen und der Tunnelschicht beim 3D-NAND-Flash anders funktioniert als diese Faktoren beim 2D-NAND-Flash. Diese Abweichung führte unweigerlich zu einer groben Überschätzung der Lebensdauer des Geräts.
Technische Details:
In Phisons jüngster Studie wurde entdeckt, dass EA bleibt möglicherweise nicht unverändert und würde mit der Backtemperatur im 3D-NAND-Flash variieren (siehe Abbildung 3).
t ist eindeutig als Retentionszeit definiert, wenn die BER einen bestimmten Wert erreicht. Im Experiment wurden verschiedene t wurde in einem breiten Backtemperaturbereich aufgezeichnet, um E zu extrahierenA. Die gemessen Es folgte nicht dem herkömmlichen Arrhenius-Modell (fiel nicht in eine gerade Linie) und zeigte ein zweistufiges Verhalten. Höheres EA wird bei T > 85 beobachtetÖC, während niedrigeres EA wird bei T < 85 extrahiertÖC. Da die durch die aktuelle Qualifizierungsmethode bewertete Gerätelebensdauer normalerweise durch Extrapolation von Datenpunkten im höheren Temperaturbereich zum Betriebstemperaturbereich extrahiert wird, würde das abnormale zweistufige Phänomen zu einer erheblichen Überschätzung der Aufbewahrungslebensdauer führen.
Im Allgemeinen beträgt der Wert der Aktivierungsenergie EA wird durch physikalische Mechanismen bestimmt. Infolgedessen deuten die oben genannten zweistufigen Merkmale darauf hin, dass der Retentionsfehler durch mehr als einen physikalischen Mechanismus verursacht wird.
In Phisons Forschung Die entsprechenden physikalischen Mechanismen bei verschiedenen Haltetemperaturen und Programmier-/Löschzyklusbedingungen (P/E) in 3D-NAND werden erstmals experimentell validiert. Es wurde nachgewiesen, dass die besondere Zwei-Stufen-Funktion mit drei verschiedenen physikalischen Mechanismen zusammenhängt (siehe Abbildungen 4 und 5).
Bei niedrigeren Temperaturen wird der Anstieg der BER tendenziell durch den vertikalen Verlust von in Siliziumnitrid (SiN) eingefangenen Elektronen durch einen direkten Tunnelprozess (DT) dominiert. Bei höheren Temperaturen hängt der hauptsächliche physikalische Mechanismus vom Zustand des P/E-Zyklus ab. Der Anstieg der BER in Geräten mit niedrigem P/E-Zyklus ist auf die laterale Migration von SiN-eingefangenen Elektronen durch thermisch unterstütztes Tunneln (ThAT) zurückzuführen, während der Anstieg in Geräten mit hohem P/E-Zyklus hauptsächlich durch den vertikalen Verlust von SiN-eingefangenen Elektronen verursacht wird Frenkel-Poole (FP)-Emission, gefolgt vom anschließenden positiv ladungsunterstützten Tunnelprozess (PCAT).
Die Erkenntnisse führen zu neuen (und genaueren) lebenslangen Qualifizierungsmethoden
Dank der Forschung des Phison-Teams konnte die Ungenauigkeit der 3D-NAND-Flash-Lebensdauertests aufgedeckt und der gesamten Branche erklärt werden. Um die Probleme dieser Ungenauigkeit zu lösen, hat das Team zwei neue Testmethoden entwickelt und vorgestellt, die jetzt im Zuverlässigkeitsqualifizierungsprozess von Phison verwendet werden.
Qualifizierungsmethode mit mehreren Aktivierungsenergien
Diese Methode umfasst eine Reihe von Aktivierungsenergien (die Konstante, die sich als nicht so konstant herausstellte) bei verschiedenen Temperaturen, um eine genauere Lebensdauervorhersage zu erhalten.
Technische Details:
Im ersten Schritt dieser Testmethode sollten Retentionseigenschaften in einem weiten Bereich von Backtemperaturen implementiert werden, um mehrere E. zu extrahierenA Werte. Zur Vereinfachung der Erklärung gehen wir davon aus, dass nur zwei unterschiedliche Aktivierungsenergien E vorliegena, HT und Ea, LT erhalten werden (siehe Abbildung 6).
Im nächsten Schritt wird die Geräteaufbewahrungszeit t bestimmt2 bei niedrigerer Backtemperatur T2 könnte durch Messung der Speicherausfallzeit t berechnet werden1 bei höherer Backtemperatur T1, wie in dieser Gleichung gezeigt:
Schließlich einmal t2 erhalten wird, Gerätelebensdauer t3 bei Gerätebetriebstemperatur T3 könnte mit dieser Gleichung berechnet werden:
Qualifizierungsmethode mit Raumtemperaturextrapolation
Bei dieser Methode wird die Bitfehlerrate des Geräts kontinuierlich während des Betriebs bei Raumtemperatur gemessen. Nachdem mehrere Datenpunkte gesammelt wurden, können Forscher die Lebensdauer des Geräts mithilfe einer linearen Extrapolation vorhersagen.
Technische Details:
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Warum Phisons Forschung und Empfehlungen wichtig sind
Wenn Hersteller und Verbraucher NAND-Flash oder SSDs kaufen, die die NAND-Flash-Module enthalten, ist es wichtig zu wissen, wie lange diese Geräte halten. Je präziser und transparenter ein NAND-Flash-Anbieter seine Produkte beschreibt, desto mehr können sich seine Kunden auf die Marke verlassen. Dank an Phison-Forscher, werden die Lebensdauerschätzungen von 3D-NAND-Flash-Geräten und -Modulen genauer sein – was dazu beitragen kann, unerwartete Ausfallzeiten und andere Unterbrechungen aufgrund von Geräteausfällen zu reduzieren.
Phison widmet sich der kontinuierlichen Forschung im Bereich Elektronik Technologie und erweiterte Fähigkeiten um die Anwendungen und Anwendungsfälle der Zukunft zu ermöglichen und zu unterstützen.
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