群联研究改进了 3D NAND 耐用性测试方法

发现传统测试方法中的微小差异使群联能够开发新的、更准确的工艺

作者刘亨利 | 2023年10月2日 | 全部, 精选, 技术

对于电子设备及其组成部件而言，耐用性至关重要。最近，群联研究人员发现，在测试 3D NAND 闪存模块的耐用性时，用于预测设备寿命的行业标准测试方法非常不准确。研究人员提出了他们的发现和建议，以在 2023 年解决该问题 IEEE国际可靠性物理研讨会.

请注意：本文基于研讨会上发表的原始论文。它将为技术性较低的读者进行高水平的总结，然后还为喜欢它们的读者提供一些更多的技术细节。

仔细看看原来的测试方法

预测电子设备寿命的长期行业标准是使用阿伦尼乌斯方程的高温加速方法。但是，这是什么意思？

“高温加速” 这意味着研究人员不是通过让设备正常老化来测试设备的寿命，而是找到了一种通过将设备置于远高于标准工作温度的温度来加速设备老化速度的方法。这样，他们就可以更快地检测到在标准操作条件下可能需要数年时间才会出现的故障或缺陷。

阿累尼乌斯方程 表示温度和反应速率之间的关系以及温度如何加速这些反应。

为了 NAND闪存产品，寿命定义为设备在标准下达到预定义误码率所需的时间工作温度.

对于那些更喜欢更科学的观点的人，这里有更深入的解释：

NAND闪存产品的寿命定义为设备工作温度（30^哦摄氏度至40^哦C) 当误码率 (BER) 达到特定水平时，即纠错码 (ECC) 能力的上限（见图 1）。

根据 JEDEC 文件，电子设备的寿命可以通过使用阿伦尼乌斯方程的温度加速方法来估算，即：

等式中，T₁ 和T₂ 分别是烘烤温度和器件工作温度。 t₁ 和T₂ 是在 T 处的保留时间₁ 和T₂，分别。 k 是玻尔兹曼常数。乙_A 是活化能，代表温度对数据保留特性影响的强度。请注意，较大的 E_A （斜率越大）代表保留时间具有更强的温度效应。在此模型中，假设 E_A 是一个恒定值并且与烘烤温度无关。自从E_A 是一个已知因素，通常由 NAND 供应商提供，器件寿命 t₂ 在器件工作温度 T₂ 通过检测内存失效时间t即可计算出相应的值₁ 烘烤温度T₁ （见图2）。

群联发现了什么

在研究中，群联工程师发现，阿伦尼乌斯方程中的一个因素（被假设为恒定不变的值）实际上可能会根据烘烤温度在 3D NAND 闪存器件中发生变化。这是因为 3D NAND 闪存中单元尺寸的缩放、单元之间的距离以及隧道层的工作原理与 2D NAND 闪存中的这些因素不同。这种差异不可避免地导致对设备寿命的严重高估。

技术细节：

群联最近的研究发现，E_A 可能不会保持不变，并且会随着 3D NAND 闪存的烘烤温度而变化（见图 3）。

t被明确定义为BER达到某个值时的保留时间。实验中，各种 记录了在宽范围的烘烤温度下提取E_A。测得的 t 没有遵循传统的阿伦尼乌斯模型（没有落入一条直线），并且表现出两阶段行为。更高的E_A 在 T > 85 时观察到^哦C，同时降低E_A 在 T < 85 时提取^哦C. 由于当前鉴定方法评估的器件寿命通常是通过从较高温度区域的数据点外推到工作温度区域来提取的，因此异常的两阶段现象将导致保留寿命的显着高估。

一般来说，活化能E的值_A 是由物理机制决定的。因此，上述两阶段特征表明固位失败是由不止一种物理机制引起的。

在群联的研究中， 首次通过实验验证了 3D NAND 中不同保留温度和编程/擦除 (P/E) 循环条件下的相应物理机制。事实证明，这种独特的两阶段特征与三种不同的物理机制有关（见图4和图5）。

在较低温度下，BER 的增量往往主要是通过直接隧道 (DT) 工艺捕获的氮化硅 (SiN) 电子垂直损耗。在较高温度下，主要物理机制取决于 P/E 循环条件。低 P/E 循环器件中的 BER 增量源于通过热辅助隧道效应 (ThAT) 进行的 SiN 俘获电子横向迁移，而在高 P/E 循环器件中，BER 的增量主要是由 SiN 俘获电子通过热辅助隧道效应 (ThAT) 的垂直损失引起的。弗兰克尔-普尔 (FP) 发射，随后进行正电荷辅助隧道 (PCAT) 过程。

研究结果带来了新的（且更准确的）终身鉴定方法

通过群联团队的研究，我们发现了 3D NAND 闪存寿命测试的不准确性，并向整个行业做出了解释。为了解决这种不准确的问题，该团队设计并提出了两种新的测试方法，目前正在群联的可靠性鉴定过程中使用。

多重活化能量鉴定方法

该方法包括不同温度下的一系列活化能（事实证明该常数并不那么恒定），以获得更准确的寿命预测。

技术细节：

在此测试方法的第一步中，应实施在宽范围烘烤温度下的保留特性，以提取多个 E_A 价值观。为了简化解释，我们假设只有两种不同的活化能 E_一、高温和E_一、LT 获得（见图6）。

下一步，设备保留时间 t₂ 在较低的烘烤温度 T₂ 可以通过测量内存失效时间t来计算₁ 在较高的烘烤温度 T₁，如该等式所示：

最后，一旦₂ 得到，器件寿命t₃ 在器件工作温度 T₃ 可以用这个方程计算：

室温外推鉴定方法

该方法的工作原理是在室温下连续测量设备运行期间的误码率。收集多个数据点后，研究人员可以使用线性外推法预测设备寿命。

技术细节：

为什么群联的研究和建议很重要

当制造商和消费者购买 NAND 闪存或包含 NAND 闪存模块的 SSD 时，了解这些设备的使用寿命非常重要。 NAND 闪存供应商对其产品的描述越准确、越透明，客户对该品牌的信赖度就越高。谢谢群联研究人员，3D NAND 闪存设备和模块的寿命估计将更加准确，这有助于减少因设备故障而导致的意外停机和其他中断。

群联电子致力于电子领域的持续研究技术和先进能力启用和支持未来的应用程序和用例。