Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные характеристики, особенности и тенденции развития микросхем флэш-памяти, постановка задач работы
1.1. Основные технологии изготовления микросхем флэш-памяти и тенденции их развития
1.2. Анализ наблюдаемых видов функциональных отказов в микросхемах флэш-памяти от воздействия ИИ КП
1.3. Комплексный анализ проблемной ситуации и постановка задачи экспериментального исследования функциональных сбоев в микросхемах флэш-памяти
1.4. Выводы по разделу 46
Глава 2. Инженерная модель и методики оценки стойкости микросхем флэш-памяти по эффектам функциональных сбоев от воздействия они-зирующих излучений космического пространства
2.1. Инженерная модель потери заряда в ячейках флэш памяти 47
2.2. Методики экспериментальных исследований функциональных сбоев от воздействия ОЯЧ
2.3. Методика экспериментальных исследований функциональных отказов флэш-памяти при дозовом воздействии
2.4. Выводы по разделу 74
Глава 3. Базовые алгоритмы и технические средства оценки стойкости микросхем флэш-памяти по эффектам функциональных отказов
3.1. Базовые алгоритмы оценки стойкости микросхем флэш- памяти к воздействию ионизирующих излучений космического пространства по эффектам функциональных отказов
3.2. Аппаратно-программные средства экспериментального комплекса
3.3. Выводы по разделу 94
Глава 4. Экспериментальная апробация методических и технических средств исследований функциональных сбоев в микросхемах флэш-памяти от воздействия ИИ КП
4.1. Экспериментальные результаты исследований стойкости микросхем флэш-памяти к воздействию ОЯЧ и рекомендации по ее повышению
4.2. Экспериментальные результаты исследований дозовой стойкости микросхем флэш-памяти и рекомендации по ее повышению
4.3. Выводы по разделу 118
Заключение 119
Список использованных источников 123
Список сокращений 134
- Комплексный анализ проблемной ситуации и постановка задачи экспериментального исследования функциональных сбоев в микросхемах флэш-памяти
- Методики экспериментальных исследований функциональных сбоев от воздействия ОЯЧ
- Аппаратно-программные средства экспериментального комплекса
- Экспериментальные результаты исследований дозовой стойкости микросхем флэш-памяти и рекомендации по ее повышению
Комплексный анализ проблемной ситуации и постановка задачи экспериментального исследования функциональных сбоев в микросхемах флэш-памяти
Основные производители в 2006 году полагали невозможным использование покрывающего управляющего затвора в процессах с технологическими нормами менее 50 нм из-за сложности формирования трехслойной ONO-структуры между близкорасположенными соседними затворами. Однако в действительности использование данного подхода удалось сделать возможным вплоть до 25 нм технологических норм.
Архитектура ячейки с плавающим затвором с проектными нормами 20 нм была впервые представлена Intel-Micron в 2012 году. В данной архитектуре было реализовано сразу несколько решений, сделавших возможным масштабирование NAND памяти с плавающим затвором до проектных норм 20 нм и менее. В качестве межзатворного диэлектрика вместо ONO-структуры была использована многослойная High-K изоляция, что позволило восстановить высокое значение коэффициента электростатической связи затворов без использования покрывающего управляющего затвора. При этом толщина диэлектрика изменяется от примерно 12 нм ONO-структуры до 68 нм многослойной High-K структуры, что позволяет обеспечить низкие утечки как при больших полях во время записи/стирании, так и малых полях при хранении. В качестве материалов для межзатворной изоляции могут использоваться комбинации таких диэлектриков как АЮх, НГОх, ZrOx, DyScOx, TiOx, HfAlOx, HfSiOx, ZrAlOx, ZrSiOx, LuAlOx, GdOx [4].
Управляющий затвор в планарной ячейке должен иметь высокую работу выхода, чтобы обеспечить отсутствие обратной инжекции с управляющего затвора при стирании, что обуславливает отказ от использования поликремниевого затвора. Вместо него могут быть использованы различные материалы, такие как TiN, WN, TaN и TaSiN [5].
Для уменьшения электростатической связи соседних затворов была использована Low-K изоляция, в которой в качестве диэлектрика выступает воздушный зазор. Технология воздушного зазора была впервые применена уже для технологии с 25 нм нормами, поэтому дальнейшее масштабирование (уменьшение расстояния между соседними затворами) возможно только при отказе от покрывающего управляющего затвора и переходе к планарной архитектуре ячейки, что и было сделано при переходе к 20 нм технологическим нормам (рисунок 4).
Структура ячеек памяти с проектными нормами 90 и 20 нм Технология на основе плавающего затвора, по мнению основных производителей, приближается к пределу масштабирования при технологических нормах 10-12 нм (хотя подобные прогнозы делались с 2004 года). И уже последние несколько поколений lx, ly, lz (принятые обозначение технологических процессов в диапазоне 20-10 нм) были компромиссом между уменьшением стоимости и потерями как надежностных, так и скоростных показателей блоков памяти, которые компенсировались возрастающей эффективностью работы контроллеров памяти.
Технологии флэш-памяти с ловушками заряда в настоящее время используются только для планарной NOR-памяти и 3D-NAND памяти. Основными производителями коммерческих изделий на основе данной технологии являются компании Spansion с ее технологией MirrorBit (рисунок 5) и Cypress, использующая SONOS технологию [6], а также Samsung, применяющая технологию на основе ловушек заряда для 3D-NAND памяти.
Во флэш-памяти с ловушкой заряда электроны хранятся в захватывающем слое точно так же, как электроны в плавающем затворе, с той разницей, что захватывающий слой является диэлектриком, а плавающий затвор проводником. Использование непроводящего слоя для хранения заряда решает одну из главных проблем флэш-памяти с плавающим затвором, связанную с износом туннельного окисла и формированием проводящего пути, образованного дефектами окисла, из-за высоких напряжений необходимых при записи. Так как в памяти с ловушкой заряда захватывающий слой является диэлектриком, образование такого проводящего пути не приводит к потере всего хранимого заряда, а только малой его части в непосредственной близости от проводящего пути. Floating-gate cell Gate ONOJ »»
Другое преимущество непроводящего слоя для хранения заряда - возможность делать этот слой непрерывным, общим для всех ячеек памяти, что значительно уменьшает сложность технологического процесса и, соответственно, сокращает стоимость производства. Возможность использования слоя для захвата заряда крайне малой толщины (вплоть до 1 нм) также эффективно решает проблему взаимовлияния соседних ячеек.
Оптимальным диэлектриком для хранения заряда является нитрид кремния, это связано с его хорошей совместимостью со стандартным кремниевым процессом и возможностью использования ловушек в нитриде кремния для хранения заряда [8]. Для функционирования NAND памяти требуется обеспечить окно программирования/стирания, как минимум, +6В/-5В. Однако так как нитрид является диэлектриком, он не имеет свободных электронов, которые могут быть удалены для получения отрицательного порогового напряжения. Достичь отрицательного порогового напряжения можно только с помощью инжекции дырок, что требует или много большего напряжения стирания или использования туннельного диэлектрика со специально сконструированным барьером.
Флэш-память с элементом хранения на основе нано-кристаллов Другая перспективная технология, которая пока не нашла широкого применения в серийных продуктах - это использование для хранения заряда нано-кристаллов проводника (полупроводник или металл), расположенных в диэлектрическом слое (рисунок 6). Захват заряда в памяти с полупроводниковыми нано-кристаллами (такими как Si, Ge и SiGe) происходит преимущественно за счет поверхностных состояний на границе нано-кристаллов с энергетическим уровнем глубоко в запрещенной зоне кремния. Однако этот механизм имеет проблемы связанные с надежностью, так как поверхностные состояния могут быть сильно чувствительны к изменениям в технологическом процессе и флуктуациям параметров технологических операций, а надежного метода задания параметров глубоких центров в настоящее время не существует. Эта же проблема характерна и для памяти на основе ловушек заряда.
Методики экспериментальных исследований функциональных сбоев от воздействия ОЯЧ
Не редкими являются случаи, когда функциональный отказ не имеет явных внешних проявлений или проявляется схожим образом с другими эффектами. В качестве примера такого поведения можно привести результаты проведенных автором исследований микросхем NAND флэш-памяти разных производителей: K9K4G08U0M (ф. Samsung), и MT29F4G08 (ф. Micron). При облучении ионами Кг в данных микросхемах наблюдались скачки тока потребления до значений более 100 мА, которые ошибочно могут быть приняты за проявление тиристорного эффекта (ТЭ). Однако в отличие от ТЭ ток самопроизвольно (без проведения сброса питания микросхемы) возвращался к номинальному значению. Как видно из рисунка 40 значение тока потребления варьируется от десятков до сотен миллиампер. 0.16
После облучения наблюдался катастрофический отказ микросхем. Однако далеко не каждое подобного рода событие приводило к отказу. Зарубежные источники также сообщают о наличии данного эффекта в микросхемах NAND флэш-памяти. В исследованиях [94, 95] данный эффект называют high current spikes phenomena.
Причины возникновения подобных скачков тока потребления требуют дальнейших исследований при известной архитектуре и топологии схемы. В работе [94] сделано предположение, что скачки тока вызваны сбоями в генераторе повышенного напряжения. В работе [95] данное предположение опровергается и делается предположение, что скачки тока потребления вызваны переходом управляющих цепей в запрещенное состояние в результате воздействия ОЯЧ.
В описанном случае целесообразно применять второй подход, основанный на совместном применении ускорителей ионов и лазерных сфокусированных установок.
Существенным преимуществом лазерных сфокусированных установок является возможность воздействия одновременно только на одну локальную область, и сразу же проводить функциональный контроль, в то время как при воздействии потока ионов и протонов частицы могут воздействовать на разные области и практически одновременно вызывать возникновение разных эффектов, один из которых может препятствовать регистрации другого. Таким образом, с помощью применения лазерных методов для эффектов, выявленных на ускорителях частиц, можно определить область возникновения на кристалле, сечение и пороговые ЛПЭ ОЯЧ возникновения. Коэффициенты пропорциональности между энергией лазерного излучения и линейными потерями энергии ОЯЧ определяются стандартной процедурой калибровки (ЦДКТ 1.027.004-2013).
Локализованные с помощью применения лазерных методов области возникновения различных видов функциональных отказов
На основании изложенных методических подходов оценки стойкости микросхем флэш-памяти к воздействию ОЯЧ в главе 3 будет предложен алгоритм определяющий последовательность проведения исследований и выбор режимов работы микросхемы при облучении, позволяющий получить параметры чувствительности к различным видам функциональных отказов от воздействия ОЯЧ, с учетом возможного реального режима работы микросхемы. 2.3. Методика экспериментальных исследований функциональных отказов флэш-памяти при дозовом воздействии
Анализ доступных экспериментальных результатов позволяет выделить следующие виды возможных функциональных отказов микросхем флэш-памяти при дозовом воздействии: 1) Искажение записанной информации в ячейках памяти в результате потери заряда с элемента хранения. 2) Отказы периферийных цепей (генератора повышенного напряжения, усилителей считывания, контроллера состояний и др). Причины, приводящие к данного рода отказам подробно описаны в главе 1.
В работе [78] проведен расчет дозы необходимой для разряда ячейки, достаточного для того, чтобы считывающая схема распознала ячейку как стертую. В результате данного расчета для микросхемы флэш-памяти изготовленной с проектными нормами 0,23 мкм была получена доза отказа 120 крад. Также в работе [78] утверждается, что чувствительность к дозовому фактору определяется периферийной цепью и на порядок выше, чем чувствительность накопителя и методики оценки дозовой стойкости разрабатывались автором работы [78] с учетом данного положения. Однако в ходе проведенных автором диссертации и представленных на рисунке 42 экспериментальных исследований микросхем S29AL008 изготовленных также по технологии с проектными нормами 0,23 мкм первые ошибки наблюдались уже при дозе 31 крад.
Причинами данного расхождения может быть то, что при расчетах в работе [78] автором не учитывался вклад потери заряда в результате фотоэмиссии электронов с плавающего затвора в результате взаимодействия с излучением, что по данным [96] неправильно, а также неизвестные параметры технологии. — Образец №1 Образец №2
В работе [97] на основании полученных экспериментальных результатов предполагается, что переход к технологиям с проектными нормами менее 100 нм теоретически может повысить стойкость ячеек памяти к накопленной дозе и стойкость микросхемы по прежнему будет определятся управляющими узлами. Однако по данным экспериментальных исследований [98] дозо-вой стойкости коммерческих микросхем с проектными нормами менее ЮОнм, стойкость генератора повышенного напряжения (наиболее критичного из периферийных узлов в микросхемах флэш-памяти прошлых поколений) составила более 600 крад, в то время как потеря информации в ячейках памяти обнаружена уже при 10 крад.
На основании приведенных данных можно утверждать, что в современных микросхемах флэш-памяти ячейки могут быть наиболее чувствительным элементом к дозовому воздействию, и данный факт необходимо учитывать в методиках исследования дозовой стойкости микросхем флэш-памяти. Также необходимо учитывать, что при перезаписи информации заряд в ячейках памяти восстанавливается. В случае если бы при проведении исследований [99] перезапись в контрольных точках проводилась с шагом ме нее 10 крад, потеря информации в ячейках памяти не была бы своевременно выявлена и уровень стойкости мог бы быть сильно завышен.
Таким образом, для корректной оценки стойкости ячеек флэш-памяти автором предлагается подход предполагающий проведение облучения нескольких образцов выборки только в режиме считывания, исключая режим программирования. Данный подход позволяет избежать восстановления заряда в ячейках памяти при проведении перезаписи.
Выше было показано, что для современных микросхем флэш-памяти в результате потери заряда при воздействии ОЯЧ могут наблюдаются переходы как из состояния логического «0» в состояние логической «1», так и в обратном направлении. Аналогичное поведение наблюдается и при дозовом воздействии. Важно отметить, что как при возникновении ОС в ячейках памяти, так и при дозовом воздействии для микросхем флэш-памяти прошлого поколения в основном наблюдались переходы ячейки только из состояния логического "0" (запрограммированное) в состояние логической "1" (стертое).
Аппаратно-программные средства экспериментального комплекса
Описанные результаты позволили выявить причины функциональных отказов микросхем флэш-памяти S29GL064N в аппаратуре КА, проявлявшихся в невозможности загрузки исполняемого кода (в том числе и в модулях аппаратуры находившихся в отключенном состоянии) и принять необходимые меры по коррекции программного обеспечения, позволившие восстановить его работоспособность.
В данном случае напряжение питания в аппаратуре составляло 3,3 В, поэтому оценки параметров чувствительности проводились при данном напряжении. Однако напряжение питания может оказывать существенное влияние на уровень стойкости микросхем флэш-памяти к воздействию ОЯЧ В качестве примера такой зависимости можно привести данные исследований микросхем S29GL064N, в которых проводилась оценка влияния напряжения питания на параметры чувствительности к эффектам одиночных сбоев. Облучение микросхем во время проведения данных исследований проводилось ионами неона при нормальном падении частиц и под углом 45. При нормальном падении частиц облучение проводилось при крайних значениях диапазона рабочих напряжений питания (2,7В и 3,6В), при номинальном напряжении питания (3,3В) и дополнительно при напряжениях питания 1В, 5В и 6В. Облучение под углом 45 проводилось при трех значениях напряжения питания: 2,7 В, 3,3 В, 3,6 В. При этом контроль сохранности информации после каждого облучения проводился для крайних значений диапазона рабочих напряжений и при номинальном питании. Результаты представлены на рисунках 60 и 61.
Из представленных результатов видно, что напряжение питания при облучении не оказывает влияния на сечение ОС. В тоже время наблюдается зависимость сечения ОС от напряжения при проведении контроле сохранности информации после воздействия. Причины такого поведения подробно были рассмотрены в главе 2 и обусловлены наличием частично разряженных ячеек с пороговым напряжением в пограничном состоянии.
Для иллюстрации проявления функциональных сбоев в режиме считывания будут рассмотрены результаты исследований микросхем WE128K32 (ф. White Electronics). Данная микросхема представляет собой модуль состоящий из четырех одинаковых кристаллов производства ф. Atmel. Фото корпуса, маркировки и декапсулированной с двух сторон микросхемы показано на рисунке 62. Разработанный автором и представленный в главе 3 аппаратно-программный комплекс позволяет проводить тестирование всех кристаллов модуля одновременно. Однако в силу конструктивных особенностей исполнения модуля (два кристалла с одной стороны корпуса и два с тыльной) на доступных в данный момент испытательных средствах возможно одновременное облучение ионами только двух кристаллов.
При проведении исследований данных микросхем в режиме хранения никаких одиночных эффектов не проявлялось при наборе необходимого по нормативным документам флюенса 10 см" . В тоже время при проведении облучений ионами криптона на этапе 3 (режим считывания) базового алгоритма наблюдались функциональные сбои, которые выражались в резком возрастании числа зафиксированных сбоев. На рисунке 63 представлены зависимости числа ошибочных бит для каждого из кристаллов, а также тока потребления всего модуля в целом.
В ходе облучения регистрировались возрастания тока потребления до 11 мА, которые не приводили к нарушению функционирования микросхем. В тоже время наблюдались два возрастания тока потребления до значений около 20 мА. При регистрации таких возрастаний наблюдались функциональные сбои, в результате возникновения которых по всем адресам считывались неверные данные (OxFF). При первом возрастании тока наблюдался функциональный сбой в первом кристалле микросхемы, при этом во втором кристалле сбоев не наблюдалось. При следующем возрастании наблюдалось обратное: во втором кристалле фиксировались сбои, а в первом сбои отсутствовали. В течении 10-30 с функционирование самопроизвольно восстанавливалось при этом нарушений сохранности информации не наблюдалось.
Одним из наиболее критичных видов функциональных отказов является самопроизвольный запуск операции стирания микросхемы в результате сбоя в управляющих узлах от воздействия ОЯЧ. Данный вид отказа проявляется в режиме хранения и выявляется по критерию повышения тока потребления при проведении исследований на этапе 2 базового алгоритма. Далее будут представлены результаты, иллюстрирующие проявление данного эффекта, а также предложена апробированная методика предотвращения возникновения данного вида отказов.
По данным проведенного автором анализа данных собственных исследований и литературных источников [114] можно утверждать, что функциональный отказ, связанный с запуском операции стирания является характерным для микросхем производства ф. Spansion (AMD). Автором проводились исследования около 10 типов различных микросхем данного изготовителя с проектными нормами от 90 нм до 320 нм при этом и во всех исследованных микросхемах наблюдалось проявление данного вида отказа. Часто самопроизвольное стирание наблюдается также в микросхемах NAND-флэш-памяти ф. Samsung, реже в микросхемах флэш-памяти других производителей.
Поведение тока потребления микросхем AM29F160D ((JxSpansion) при возникновении данного эффекта проиллюстрировано на рисунке 64. Наблюдается кратковременное увеличение тока потребления до уровня 18...27 мА, данное значение соответствует типичному току потребления в режиме стирания.
Экспериментальные результаты исследований дозовой стойкости микросхем флэш-памяти и рекомендации по ее повышению
Таким образом, для систем с применением микросхем флэш-памяти, в которых нарушение сохранности информации обусловлено потерей заряда с элемента хранения, но при этом не наблюдается функционального отказа управляющих узлов можно предложить способ обеспечения стойкости алгоритм которого представлен на рисунке 70.
1. Определение критической накопленной дозы при которой происходит потеря информации в ячейках памяти
2. Оценка зависимости накопленной дозы от времени в условиях реальной эксплуатации и определение времени накопления критической дозы
3. Отслеживание программным обеспечением РЭА времени хранения информации по каждому блоку микросхемы и проведение процедуры обновления информации в блоке если время хранения информации приближается к времени накопления критической дозы Алгоритм обеспечения стойкости микросхем флэш-памяти по эффектам нарушения сохранности информации обусловленной потерей заряда.
Периодическое обновление информации в данном случае можно реализовать разными способами в зависимости от конкретного случая применения. Самым простым является копирование информации из требующего перезаписи блока флэш-памяти в резервный блок или в ОЗУ, проведение стирания информации в блоке и копирование информации в обратном направлении. Для микросхем флэш-памяти NAND-типа, используемых для хранений больших объемов информации с частой перезаписью можно применять алгоритмы, обеспечивающие одинаковую частоту обновления информации всех блоков памяти в процессе эксплуатации. В качестве таких алгоритмов можно использовать алгоритмы, разработанные для обеспечения равномерного износа всех блоков микросхем флэш-памяти NAND-типа [117] при условии, что время полного обновления информации накопителя будет меньше времени набора критической дозы.
Эффективность данного способа обеспечения стойкости РЭА подтверждается результатами проведенных автором исследований поведения при до-зовом воздействии порогового напряжения ячеек с плавающим затвором изготовленных ОАО «НИИМЭ и Микрон» с проектными нормами 180 нм. Главным параметром для ячеек на основе транзисторов с плавающим затвором является величина «окна памяти» - разницы между пороговыми напряжениями транзистора при наличии и отсутствии заряда на плавающем затворе. При проведении исследований часть тестовых транзисторов облучалась в запрограммированном состоянии (в ячейке логический «0») и часть в стертом (в ячейке логическая «1»). В промежуточных контрольных точках проводилось измерение «окна памяти», перепрограммирования не проводилось. Величина «окна памяти» рассчитывалась как разница между измеренным напряжением нуля/единицы и расчетным значением уровня единицы/нуля соответственно. Расчетное значение вычислялось путем прибавления к пороговому значению до воздействия величины максимального изменения данного порога при каждом уровне набранной дозы для всех образцов выборки, облучавшихся при одинаковой температуре. Фиксация порогового напряжения осуществлялась при значении тока стока 1 мкА.
Результаты контроля величины «окна памяти» при разных уровнях накопленной дозы представлены на рисунке 71. Наблюдается снижение величины «окна памяти» при уровне ЗООкрад в более чем в два раза по сравнению со значением до воздействия. После завершения облучения была проведена перезапись ячеек, при этом как видно из рисунка 6 величина «окна памяти» восстановилась до своего первоначального значения.
Таким образом, если обеспечить высокий уровень стойкости управляющих узлов микросхемы, путем применения периодического обновления информации в ячейках памяти можно существенно повысить стойкость микросхемы в условия реальной эксплуатации.
Однако не всегда отказы ячеек памяти связаны с потерей заряда. Другой характер нарушения работоспособности ячеек флэш-памяти наблюдался при проведении автором исследований функциональных отказов в микросхемах флэш-памяти с информационной емкостью 32 Гбит TH58DVG5S0ETAK0 (ф. Toshiba). Данные микросхемы изготовлены с проектными нормами 43 нм. Особенностью данной технологии является применение оксида гафния в качестве диэлектрического слоя отделяющего плавающий и управляющий за-творы[119].
Во время проведения исследований стойкости данных микросхем первые ошибки в режиме считывания наблюдались уже при уровне воздействия 7 крад. Ошибки распределялись случайным образом по накопителю и определялись как считывание логической «1» (стертое состояние ячейки) вместо логического «О» (запрограммированное состояние ячейки). Адреса ошибок при повторном считывании оставались неизменными. При этом информацию в ячейках восстановить было невозможно. С целью выявления причин такого поведения был проведен отжиг облученных микросхем при температуре 125 С в течении суток. После проведения отжига микросхем и считывания информации ошибок зафиксировано не было. Таким образом, можно предположить, что функциональный отказ вызван компенсацией заряда на плавающем затворе зарядом, накопленным в диэлектрических слоях окружающих плавающий затвор. В данном случае предложенный способ повышения дозо-вой стойкости путем периодического обновлении информации в накопителе неприменим. Применимость периодического обновления информации должна определяться при проведении экспериментальных исследований.
Как показывает анализ результатов экспериментальных исследований, проведенных автором, напряжение питания микросхемы при считывании сохранности информации может оказывать существенное влияние на определение уровня стойкости микросхем флэш-памяти. На рисунке 72 представлено процентное соотношение случаев, когда в первую очередь отказ наблюдался при крайних значениях напряжения питания и когда функциональный отказ наблюдался одновременно при считывании во всем диапазоне напряжений питания.
