Nand Flash學習筆記3-Read Disturb

Read Disturb,讀干擾,主要是讀頁操作,會對同一個塊內其它頁造成干擾,隨着Flash製程的提高、一個物理塊頁數更多、和單個Cell存儲的信息更多(TLC、QLC),此問題會變得更加突出。嚴重的情況下會導致讀回來的數據出錯,導致數據丟失。
在SLC Flash上,對一個塊讀1KK次纔會出現讀干擾問題。到了MLC Flash上,100K次讀甚至20K讀就可以會出現讀干擾問題。比如說,在手機上單曲循環一首歌,放十幾天發現歌曲數據損壞,都比較難以接受。
讀干擾原理:
Flash的基本架構和基本操作原理,可以參考之前的文章。

圖0 Flash內部架構
當讀某個頁時,整個塊上WL和BL增加的電壓如圖0(a)。可以看到,在塊內其它頁上,柵極也需要增加電壓Vpass使得cell處於導通。Vpass(6V左右)小於編程電壓Vprog(10V),但是也會產生輕微的FN隧穿效應,稱爲弱編程(Weak Programmimg)。


公式0 隧穿效應和電場強度的關係
Eox:添加在隧穿氧化層的電場強度,取決於柵極的電壓和浮柵裏的電荷數
Jfn:FN隧穿效應的電流密度。
由公式0可以看到,隧穿效應的大小和Eox爲超線性相關。由於Vpass較於Vprog小很多,所以造成的影響是很細微的,但是對塊內的頁都會影響。

圖1 Flash Cell內部結構
圖1,tono和tox分別爲兩個氧化層的厚度,Vthi是襯底的電勢,Eox計算公式和Eox、JFN關係如下,可以看到Eox和(Vg-Vth)近似線性關係。

公式1 Eox電場強度的關係

圖2Eox和隧穿效應電流密度JFN的關係

讀干擾特性:
下面是以2Y-nm MLC Flash作爲實驗對象。

圖 3 MLC Flash塊編程後,塊內Vth分佈情況

圖 4 多次讀操作後,塊內Vth分佈情況
圖4表示重複對塊一個頁重複讀0、250K、500K和1KK次,整個塊內的電壓閾值分佈情況。圖3-B表示上述實驗,處於ER狀態的Cell電壓閾值分佈情況。可以看到,讀干擾對低閾值電壓影響更大,那是因爲,Vth越低,Eox越大,隧穿效應會更加明顯。

圖 5 不同讀次數後,塊內不同狀態Vth的平均值
圖5可以看到隨着讀次數的增加,由於讀干擾的影響,ER狀態的Cell平均閾值電壓增加最快,P1和P2狀態其次。P3狀態由於閾值電壓較高,讀干擾的影響低於Data Retention(數據保持)影響,所以平均閾值電壓降低。

     圖 6 不同讀次數後,塊內不同狀態Vth的標準差
圖6,可以看到P1、P2、P3狀態的閾值分佈離散程度更高,這是因爲讀干擾和Data Retention共同影響。P0的離散程度更小,是因爲實驗無法檢測到大部分的ER狀態的電壓閾值,所以結果不準確。

讀干擾對RBER影響

圖7 RBER、讀干擾和PECS的關係
由於PECS越大,會有電子滯留在隧穿氧化層中,導致絕緣性下降,導致在同樣電場強度下,隧穿效應更強。因此,PECS越大,讀干擾影響越明顯。


圖8 讀干擾前、後閾值電壓分佈
由圖8可以看到,即使使用最優讀電壓Va,也會把ER狀態部分Cell識別爲P1狀態的,或把部分P1狀態Cell識別爲ER狀態,從而產生錯誤。如果出錯的數超過ECC糾錯閾值,那麼數據就無法正常讀回。

解決方案:
主要是需要Nand Flash主控採取方法來避免讀干擾的影響。
1. 記錄塊的讀次數,超過閾值的時候,把數據轉移。
2. 週期性檢測塊的某些頁,檢測到有異常,把數據轉移。
3. 動態調整Vpass來減少讀干擾造成的影響(如果Vpass可調的話)
4. 使用更強的糾錯算法,如LDPC
5. 把重複讀到的數據重映射到SLC塊或者其它地方
6. 你們來補充..
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