群聯研究改進了 3D NAND 耐用性測試方法

對於電子設備及其組成部件而言，耐用性至關重要。最近， 群聯 研究人員發現，在測試 3D NAND 快閃記憶體模組的耐用性時，用於預測裝置壽命的業界標準測試方法非常不準確。研究人員提出了他們的發現和建議，以在 2023 年解決這個問題 IEEE國際可靠性物理研討會.

請注意：本文基於研討會上發表的原始論文。它將為技術性較低的讀者進行高水準的總結，然後也為喜歡它們的讀者提供一些更多的技術細節。

仔細看看原先的測試方法

預測電子設備壽命的長期行業標準是使用阿倫尼烏斯方程式的高溫加速方法。但是，這是什麼意思？

“高溫加速” 這意味著研究人員不是透過讓設備正常老化來測試設備的壽命，而是找到了一種透過將設備置於遠高於標準工作溫度的溫度來加速設備老化速度的方法。這樣，他們就可以更快地偵測到在標準操作條件下可能需要數年時間才會出現的故障或缺陷。

阿累尼烏斯方程 表示溫度和反應速率之間的關係以及溫度如何加速這些反應。

為了 NAND快閃記憶體產品，壽命定義為設備在標準下達到預定義誤碼率所需的時間 工作溫度.

對於那些更喜歡更科學的觀點的人，這裡有更深入的解釋：

NAND快閃記憶體產品的壽命定義為裝置工作溫度（30^哦攝氏度至40^哦C) 當誤碼率 (BER) 達到特定水準時，即糾錯碼 (ECC) 能力的上限（見圖 1）。

根據 JEDEC 文件，電子設備的壽命可以透過使用阿倫尼烏斯方程式的溫度加速方法來估算，即：

等式中，T₁ 和T₂ 分別是烘烤溫度和裝置工作溫度。 t₁ 和T₂ 是在 T 處的保留時間₁ 和T₂， 分別。 k 是波茲曼常數。乙_A 是活化能，代表溫度對資料保留特性影響的強度。請注意，較大的 E_A （斜率越大）代表保留時間具有更強的溫度效應。在此模型中，假設 E_A 是一個恆定值且與烘烤溫度無關。自從E_A 是一個已知因素，通常由 NAND 供應商提供，裝置壽命 t₂ 在裝置工作溫度 T₂ 透過偵測記憶體失效時間t即可計算出對應的值₁ 烘烤溫度T₁ （見圖2）。

群聯發現了什麼

在研究中，群聯工程師發現，阿倫尼烏斯方程中的一個因素（假設為恆定不變的值）實際上可能會根據烘烤溫度在 3D NAND 快閃記憶體裝置中變化。這是因為 3D NAND 快閃記憶體中單元尺寸的縮放、單元之間的距離以及隧道層的工作原理與 2D NAND 快閃記憶體中的這些因素不同。這種差異不可避免地導致對設備壽命的嚴重高估。

技術細節：

群聯最近的研究發現，E_A 可能不會保持不變，並且會隨著 3D NAND 快閃記憶體的烘烤溫度而變化（見圖 3）。

t被明確定義為BER達到某個值時的保留時間。實驗中，各種 記錄了在寬範圍的烘烤溫度下提取E_A。測得的 t 沒有遵循傳統的阿倫尼烏斯模型（沒有落入一條直線），並且表現出兩階段行為。更高的E_A 在 T > 85 時觀察到^哦C，同時降低E_A 在 T < 85 時提取^哦C. 由於目前鑑定方法評估的裝置壽命通常是透過從較高溫度區域的資料點外推到工作溫度區域來提取的，因此異常的兩階段現象將導致保留壽命的顯著高估。

一般來說，活化能E的值_A 是由物理機制決定的。因此，上述兩階段特徵顯示固位失敗是由不只一種物理機制引起的。

在群聯的研究中， 首次透過實驗驗證了 3D NAND 中不同保留溫度和編程/擦除 (P/E) 循環條件下的相應物理機制。事實證明，這種獨特的兩階段特徵與三種不同的物理機制有關（見圖4和圖5）。

在較低溫度下，BER 的增量往往主要是透過直接隧道 (DT) 製程捕獲的氮化矽 (SiN) 電子垂直損耗。在較高溫度下，主要物理機制取決於 P/E 循環條件。低P/E 循環裝置中的BER 增量源自於透過熱輔助隧道效應(ThAT) 進行的SiN 捕獲電子橫向遷移，而在高P/E 循環裝置中，BER 的增量主要是由SiN 捕獲電子通過熱輔助隧道效應(ThAT) 的垂直損失引起的。由弗蘭克爾-普爾 (FP) 發射，隨後進行正電荷輔助隧道 (PCAT) 過程。

研究結果帶來了新的（且更準確的）終身鑑定方法

透過群聯團隊的研究，我們發現了 3D NAND 快閃記憶體壽命測試的不準確性，並向整個產業做出了解釋。為了解決這種不準確的問題，團隊設計並提出了兩種新的測試方法，目前正在群聯的可靠性鑑定過程中使用。

多重活化能量鑑定方法

該方法包括不同溫度下的一系列活化能（事實證明該常數並不那麼恆定），以獲得更準確的壽命預測。

技術細節：

在此測試方法的第一步中，應實施在寬範圍烘烤溫度下的保留特性，以提取多個 E_A 價值觀。為了簡化解釋，我們假設只有兩種不同的活化能 E_一、高溫 和E_一、LT 獲得（見圖6）。

下一步，設備保留時間 t₂ 在較低的烘烤溫度 T₂ 可以透過測量記憶體失效時間t來計算₁ 在較高的烘烤溫度 T₁，如該等式所示：

最後，一旦₂ 得到，器件壽命t₃ 在裝置工作溫度 T₃ 可以用這個方程式計算：

室溫外推鑑定方法

此方法的工作原理是在室溫下連續測量設備運作期間的誤碼率。收集多個數據點後，研究人員可以使用線性外推法預測設備壽命。

技術細節：

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為什麼群聯的研究和建議很重要

當製造商和消費者購買 NAND 快閃記憶體或包含 NAND 快閃記憶體模組的 SSD 時，了解這些裝置的使用壽命非常重要。 NAND 快閃記憶體供應商對其產品的描述越準確、越透明，客戶對該品牌的信賴度就越高。謝謝 群聯研究人員，3D NAND 快閃記憶體設備和模組的壽命估計將更加準確，這有助於減少因設備故障而導致的意外停機和其他中斷。

群聯電子致力於電子領域的持續研究 技術和先進能力 啟用和支援未來的應用程式和用例。

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