3D_NAND_flash存储器总剂量效应研究_朱晓锐.pdf

1引言航天技术的快速发展日渐扩展了我国自主高分辨率对地探测技术领域，对星载存储设备的容量提出了越来越高的要求1-2。空间环境中存在各种高能带电粒子，总剂量效应会由此导致 NAND flash 出现功能故障和电荷泄漏等现象3-4。当前总剂量试验研究主要针对平面 NAND flash 进行，但由于平面NAND flash 容量有限，已不能满足现有需求。故此，针对 3D 工艺大容量 NAND flash 存储器开展总剂量试验研究。通过在不同总剂量下对 3D NANDflash 存储器进行试验，分析存储阵列中不同存储层的数据误码率及可靠性，并为星载存储电子系统数据保护控制程序的设计提供应用指导。23D NAND flash 存储器简介如图 1 所示为 3D NAND flash 存储阵列结构图。3D NAND flash 在 Z 轴方向交替沉积金属层和氧化层，每个金属层形成连接该层中多个存储单元的字线，通过刻蚀出存储单元区域并沉积顶部氧化层（TOX）、氮化硅层以及底部氧化层（BOX），最终形成垂直的围绕柱体的 3D NAND flash 存储器单元结构5-7。NAND flash 存储器的结构分为存储阵列和外围电路。3D NAND flash 存储器总剂量效应研究朱晓锐，唐越，邓玉良，殷中云，陈剑锋，方晓伟（深圳市国微电子有限公司，深圳 518000）摘要:针对大容量 NAND flash 在空间环境应用时容易由总剂量诱发故障的问题，设计相关实验对 3D NAND flash 存储器样片进行辐照测试，研究其总剂量效应的发生规律。采用钴 60 射线源作为辐照源，以 10 krad（Si）80 krad（Si）条件进行辐照实验，找到 3D NAND flash 存储器的编程功能以及擦除功能开始出现故障时对应的总剂量程度，以及读取功能仍然正常的总剂量条件。研究重点关注位于上下边缘的层对总剂量的敏感度，以及由其导致的不同层之间的错误比特数“U”型曲线。围绕试验结果，对不同的辐照场景下主控芯片的设计及应用情况做了详细讨论。关键词：3D NAND flash 存储器；总剂量试验；错误比特数；参数退化DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.02.005中图分类号:TN406文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）02-0019-04Study on Total Ionizing Dose Effects of 3D NAND Flash MemoryZHU Xiaorui,TANG Yue,DENG Yuliang,YIN Zhongyun,CHEN Jianfeng,FANG Xiaowei(Shenzhen State Microelectronics Co.,Ltd,Shenzhen 518000,China)Abstract:In order to solve the problem that the failure of large-capacity NAND flash is easilyinduced by total ionizing dose when it is applied in space environment,relevant experiments are designedto test the irradiation of 3D NAND flash memory samples,and the occurrence law of total ionizing doseeffect is studied.Using Co-60 ray source as irradiation source,the irradiation experiment is carried outunder the condition of 10 krad(Si)80 krad(Si),and the corresponding total dose degree when the pro-gramming function and erasing function of 3D NAND flash memory began to fail,and the total dosecondition when the reading function is still normal are found.The study focuses on the sensitivity of thelayers located at the upper and lower edges to the total ionizing dose,and the U curve of the number ofwrong bits between different layers caused by it.Based on the experimental results,the design and appli-cation of the main control chip in different irradiation scenarios are discussed in detail.Key words:3D NAND flash memory;Total ionizing dose testing;Error bits;Parameter degradation作者简介：朱晓锐（1992），男，广东省揭阳市人，硕士，工程师，主研方向：大容量存储器。收稿日期：2022-09-22微处理机MICROPROCESSORS第 2 期2023 年 4 月No.2Apr.，2023微处理机2023 年存储阵列受辐照影响主要表现为存储数据出错；外围电路受辐照影响主要表现为参数退化，甚至功能故障。例如电荷泵电路在辐射过程中 MOS 管阈值电压会发生漂移，开关速度变慢，擦除时间随辐射剂量的增加逐步变长，直至电荷泵电路无法继续升压，擦除功能失效8。总剂量试验选用国内工艺的 3D NAND flash SLC存储器芯片作为样片，该芯片每个 die 有 2012 个存储块（block），每个 block 有 384 个页（page），每个 page的容量为 16kByte。试验样片数量为 16 只，以检测不同剂量下的器件表现。3总剂量试验总剂量试验的辐照源为钴 60 射线源。16 只试验样片在试验前进行参数测试并记录电参数值。同时选择 100 个 block 写入数据并读出校验，记录错误比特数。辐照总剂量分别为 10/20/80krad(Si)。试验中不进行中间测试，测试在辐照后进行。3.1辐照前后数据错误比较如图 2 所示为单个芯片辐照前后 100 个 block中所有 page 的错误比特数统计。图中圆形点为辐照前的不同 page 错误比特数，三角形点为 50krad(Si)总剂量辐照后的不同 page 错误比特数。经过总剂量辐照后，所有 page 的错误比特数都显著增加。辐照后，平均的 page 错误数据量由辐照前的 52bit 增加至 63bit，增加量约 21%。芯片退火后，对芯片重新进行擦除、编程和读取操作，芯片错误比特数又恢复到辐照前水平。因此，可以确认辐照后存储单元错误比特数的增加是由 NANDflash 电荷存储层的电荷损失导致的软错误。由图 2 可以看出，辐照前芯片每个 page 的错误比特数均比较接近，在 5065 之间。辐照后，可以明显地看到不同 page 之间的错误比特数有较大的差异。详细测试结果如图 3 所示。对芯片的错误比特进行统计，其分布图有一个较长的“尾巴”。这表明与大多数 page 相比，某些 page 的错误比特明显更高。针对不同 page 错误数量存在较大差异的现象，需要展开进一步分析。3.2不同层的总剂量效应对比在 3D NAND flash 存储器中，数据存储在 3D垂直单元串（string）上。不同 page 数据分布在不同层（layer）的存储单元。试验芯片的存储阵列中 layer与 page 地址分布如表 1 所示。基于不同层的分布对辐照前后单芯片的错误比特数进行统计，结果如图 4 所示。图 2芯片辐照前后错误比特数对比图 1 3D NAND flash 单元串结构图图 3芯片辐照前后 page 错误比特数分布string1string5379383layer string00126162633783713771713367373061236637251117string23802814368374string3string4349101516369370375376381382表 1不同 page 地址在单元串上的分布图 4芯片辐照前后不同层错误比特数202 期图中圆形点为辐照前的每层存储单元中所有page 错误比特数的和；三角形点为 50krad(Si)总剂量辐照后的每层存储单元中所有 page 错误比特数的和。可见，在辐照前芯片不同层的错误比特数较低，并且每层存储单元的错误数量都比较接近。辐照后，每一层的数据错误比特数均比辐照前多。同时，辐照后 64 层的单元串错误比特数呈现出“U”型曲线。这表明，相比于中间的层，单元串两边边缘的层在总剂量辐照下，电荷损失更严重，导致数据错误比特数更多。同时也说明了图 3 的长尾分布是由于边缘层的较高错误比特数导致的。为验证辐照剂量对 NAND flash 存储器储存电荷能力的影响，从 10krad(Si)开始，每间隔 10krad(Si)，对不同的 NAND flash 存储器芯片进行总剂量辐照，并统计比较不同剂量下的错误比特数，结果如图 5所示。可见，在 10krad(Si)、20krad(Si)和 30krad(Si)下，芯片的错误比特数差异不大。随着辐照剂量增大，芯片每一层的错误比特数也逐渐增大。60krad(Si)的错误数量约为 10krad(Si)的 1.7 倍；70krad(Si)的错误数量约为 10krad(Si)的 2.1 倍；80krad(Si)的错误数量约为 10krad(Si)的 3.4 倍，这表明辐照剂量越大，导致的存储电荷流失越严重。在不同的辐照剂量下，64 层的单元串错误比特数均呈现出“U”型曲线，且辐照剂量越大该现象越明显。这表明，相比于单元串中间层，两边的层对于辐照剂量的敏感度更高。在图 1 中已经看到，3D NAND flash 由于自身工艺流程特点决定了垂直的圆柱形存储孔呈现出锥形形状。因此，底层存储单元的直径会比顶层和中间层的存储单元的直径小，两者的直径差（D）取决于锥角（）和 3D 存储单元串的高度（H），关系式如下：底层存储单元的直径越小，其电荷存储层所存储的电荷越少，总剂量效应会导致的电荷流失就越快。总剂量试验后，芯片底层的错误比特数也会越多。同时，由于顶层单元相对更靠近 BEOL 金属层，因此相比于中间层或底层单元，顶层单元受到更高的剂量增强效应，导致在总剂量试验后，顶层存储单元的错误比特数会更多。3.3功能故障和参数退化结果样片在辐照后都出现不同程度的参数退化。从20krad(Si)剂量辐照开始出现编程和擦除故障，但读取功能均正常。推断其功能故障是由于电荷泵电路在辐射过程中发生退化从而导致所有需要高压的器件操作都出现问题。详细实验分析如下：页读取电流实验结果如图 6 所示。所有样片在辐照后的读取功能均正常，页读取电流在辐照后增加，辐照剂量越大电流增大越多，但从 40krad(Si)辐照后，电流趋于稳定。电流至少增大 27%（10krad(Si)剂量下），最多增大 73%（80krad(Si)剂量下）。页编程电流实验结果如图 7 所示。所有样片在10krad(Si)辐照下编程操作正常但编程电流增大，在20krad(Si)辐照下编程功能故障。编程电流最多增大了 209%（80krad(Si)剂量下）。擦除电流实验结果如图 8 所示。样片在 10krad(Si)和 20krad(Si)辐