NAND VT Distribution 和失效模式

Vt Distribution是NAND Flash非常重要的一个特性。

1 从NMOS Vt到FGNMOS Vt

阈值电压(Vt或Vth)的概念是从MOS(Metal-Oxide-Semicondutor)来的。MOS的工作原理就像一个水库，Gate就是闸，闸抬起来(VGate≥Vth)电流就可以流过沟道(Channel)，闸放下去(VGate

对于NMOS来说，

• 当VGate

• 当VGate>Vth，Drain端电流随VDS(Drain→Source电压)增加呈指数增长

NMOS中间增加的Floating Gate(FG) 就成了 FGNMOS，而NAND 的基本单元 CELL 便是一个 FNMOS。Control Gate(CG)上的电压不能像NMOS那样直接控制channel的开启或关闭，而是通过CG-Oxide-FG构成的电容耦合(coupling)至FG上，再利用VFG来控制channel。耦合系数为α，一般小于1。

• Erase: 当FG里面没有电子或电子较少的时候，较小的VCG(VFG)即可以使沟道开启，这个VCG即VT1

• Program: 当FG里面存有一些电子的时候，需要更高的VCG才能克服FG中电子带来的负面影响。换言之VCG为VT0时，沟道才开启。很明显VT0>VT1

• Program→Erase，电子被拉出FG，Vth: VT0→VT1；Erase→Program，电子被拉入FG，Vth: VT1→VT0

通过判断CELL的导通电压，就可以知道CELL状态。

2 Vt Distribution

如果一个Cell对应一个Vt值，那么在一根WL下的10k个Cell呢？肯定是一种Distribution. 因为现实中Cell的结构尺寸不可能分毫不差，掺杂浓度也不可能完全一样，所以对应Cell里面存储的电子数量(Vt)就会有一些偏差。或者说不同状态(Erase vs Program)的Vt是在一定范围内分布的。

CELL被编程到1个状态后，注入到浮删电子数量呈正态分布。因为量子效应，不可能精确控制每种状态，每次注入相同数量电子, 导通电压呈正态分布,。

把Vth做为横坐标，具有某个Vth值的Cell数量作为纵坐标，这样就有了NAND Flash最常用的表征手段：Vt Distribution.

下面这张图介绍了NAND Read的过程，信息量有点大，不过没关系，先弄清楚SLC和MLC即可大致理解NAND是如何读取数据的了。

• SLC: Vread在两个Vt Distribution中间即可分辨出该WL下所有Cell的Vt值了，即读出了数据；

• MLC: 需要读2次才能判断所有Cell的Vt值。注意读是有先后顺序的：先读VB，判断出lower page的"0"和"1"；然后读VA和VC，判断upper page的"0"和"1"；

• TLC: 读取顺序为VD→VB/VF→VA/VC/VE/VG

4 由Vt 电压判断数据

4.1 正常读取数据

读取数据中心电压：正太分布之间波谷所在位置电压。波谷所在位置，是CELL编程后，最不可能分布的电压位置。

VT曲线状态之间分布的越远，发生误判的概率越小，每个编程状态分布是正态分布（normal distribution），写入数据后，CELL导通电压最集中分布在正太分布中心位置(波峰)，实际上不可能控制得这么精确，只是大部分导通电压都在波峰位置附近。

正常读数据时，NAND会在CELL上加，正态分布波谷所在位置电压，然后通过电流检测，判断CELL状态。如果CELL 的 VT 导通， 值为1，未导通值为 0.

4.2 读数据出错处理

当使用正态分布波谷电压读到数据出错后，使用read retry档位，使NAND读取电压偏离中心电压，尝试读回正确数据。

4.3 磨损导致 VT 恶化

当NAND使用太久后，1个CELL上，每个状态之间电压分布就会变矮变宽。因为使用久后，电子键更脆弱，容易断裂。电子容易从FN 跑出来，导致每个状态分布重叠面积过大，不同状态导通电压交叉。

当在CELL上加理论READ电压，处于READ电压附件的两个编程状态都可能导致CELL导通，这样就不能区分CELL所处的状态，导致数据出错。

4.4 温度对 VT 的影响

低温写

低温时，电子能量较低，发生量子隧传概率较低，浮删中捕获到的电子较少

衬底到浮删电场较小，MOS栅极需要加的正向导通电场(电压)随之变小

表现为低温下，Vread左移

高温写

高温时，电子能量较高，发生量子隧传概率较高，浮删中捕获到的电子较多

衬底到浮删电场较强，MOS栅极需要加的正向导通电场(电压)随之变大

表现为高温下，Vread右移

参考：

NAND VT曲线_wanshiyingg的博客-CSDN博客_nand vt 分布

https://zhuanlan.zhihu.com/p/77975234