CN112735498A - 一种存储器译码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种存储器译码方法,本方法针对有横向电荷扩散现象的存储颗粒,通过额外的读操作和编程操作修复电荷流失,利用这些特殊的物理机制,对开放块的译码流程进行优化,能够有效降低边缘字线的误码率,提升可靠性容限,降低其可靠性开销,提高闪存存储系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种存储器译码方法,本方法基于存储颗粒内部固有的物理机制进行特殊存储场景的译码流程优化,属于存储器的固件纠错模块ECC应用技术领域。
背景技术
闪存存储器属于非易失性存储器的一种,具有极高的擦写速度,良好的抗震性能以及较低的功耗。闪存存储芯片主要包括两种闪存架构:NAND型闪存架构和NOR型闪存架构。相对于NOR型闪存,NAND型闪存拥有诸多显著优点。经过多年的市场更新迭代,以NAND型架构闪存为介质的存储系统已广泛应用于当今存储市场,逐步稳固占据非易失性存储市场的主要份额,受到广大消费者以及企业用户的青睐。
最常见的NAND闪存存储器为SSD(固态硬盘)和UFS(通用闪存存储)。其中SSD多用于固定场景存储,存储容量大,可靠性要求高,兼容性好,体积大,功耗高;UFS多用于移动终端存储,相对于SSD的主要优点为体积小,功耗低,适合高密度集成。在如今数据大爆炸时代,NAND闪存存储器的应用覆盖了绝大部分存储领域:企业数据中心,5G相关领域,人工智能以及移动手机和平板电脑等。
无论是SSD还是UFS,其大致都由存储颗粒和控制芯片组成,其中控制芯片主要基于存储颗粒对存储器进行控制,管理和优化。在控制芯片中有ECC(Error CorrectionCode)模块,主要对NAND闪存读出的错误数据进行纠正,提高系统可靠性。而一旦闪存颗粒中的错误情况超出ECC纠错能力,就会出现译码失败的情况,造成数据丢失,产生极大的可靠性开销。
对于不同的存储器而言,闪存存储颗粒都是其性能的核心部分之一。自NAND闪存面世以来,其工艺技术在不断的发展上升,每个Memory Cell能够存储的电荷从1 bit上升到如今最多的4 bit。除此以外,NAND闪存存储的空间结构也发生了很大的变化,如图1所示,其内部存储结构经历了从平面2D到立体3D的转变,使得存储密度有了极大的提升。
图2为NAND闪存存储单元的基本物理结构图。从本质上来说,NAND闪存为MOS(金属-氧化物半导体)晶体管,如图从上到下物理单元为依次为控制删,氧化层,存储层,遂穿层,沟道。根据存储层材料的不同,NAND闪存颗粒又分为FG(Floating-Gate,浮栅)型和CT(Charge-Trap,电荷俘获)型两大类。
图3为3D NAND闪存的存储阵列图。每行存储条带构成一个字线(WL,WL,Word-Line),根据Memory Cell中存储电荷的数量,每个字线由一个或者多个逻辑页(Page)组成。Block(块)为NAND基本的擦除单元,由若干个堆叠层组成,每个堆叠层包含若干个字线。
在NAND闪存存储器的日常使用情景中,用户数据不会一直填满整个Block区域。这意味着,存在一些Block,其中既有编程过的字线,又存在未编程的字线,这样的Block称为Open Block(开放块)。3D CT 型NAND闪存在物理结构上存在共用存储层的情况,OpenBlock中,若一条字线,其共用存储层的下一条字线处于未编程状态,且能够进行常规编程操作,将这样的字线成为边缘字线(Edge Word-Line)。由于3D CT NAND闪存的结构特殊性,使得共用一个存储层的字线之间存在由电荷密度梯度差为应力导致的LCM(横向电荷扩散)。特别地,对于Open Block来说,与边缘字线共用同一存储层的下一条字线处于未编程状态,它们之间的浓度梯度差尤其明显,所以边缘字线存在严重的横向电荷泄露问题(图4),面临极大的可靠性风险,其出现译码失败概率要远高于其余字线。
NAND闪存基本的擦、写、读操作都是通过在控制删或者衬底上施加不同的电压实现的。如图5所示,对目标字线进行读操作时,在施加的读电压电场影响下,CT存储层扩散的电荷会有一部分重新回到存储层,达到数据恢复的效果;另外,在对某个字线进行编程操作时,在Vpass的影响下,会对其余非目标编程字线产生编程干扰的问题。由于寄生电容耦合的影响,Vprogram也会对编程字线最邻近的字线产生叠加干扰。编程操作两种干扰的叠加电场比读操作更强,大量流失的电子通过叠加电场作用进入编程字线临近字线的存储层,对临近字线电荷泄露修复作用比读操作更明显。特别地,这两种操作对开放块边缘字线可靠性问题的修复效果要远比其他场景显著。合理利用这两种操作,可以大大提升开放块的可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种存储器译码方法,本方法可以有效降低类似3D CT NAND闪存存储器开放块边缘字线的错误率,大大提升其错误率忍耐容限,以及译码成功的概率,对数据恢复有非常明显的作用。
为了解决所述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种存储器译码方法,其特征在于:包括以下步骤:
S01)、用户读取存储颗粒开放块中的数据,判断读取数据是否处于边缘位置,若是,则进行步骤S02,若否,则进行步骤S04;
所述开放块是指其中字线既有已编程字线、又存在未编程字线的块;
开放块中,若一条字线的共用存储层的下一条字线处于未编程状态,且能够进行常规编程操作,则这样的字线称为边缘字线;
S02)、舍弃步骤S01读取的数据,对开放块的边缘字线进行第二次读操作,将第二次读出的数据进行硬解码,若译码成功,则将读取数据返回给主机用户,否则进行步骤S03;
S03)、编程该边缘字线对应的共用存储层的下一条字线,再次读边缘字线数据,对读出的数据进行硬解码操作,若译码成功,则将读取数据返回给主机用户,否则进行步骤S05;
S04)、对该数据进行硬解码操作,若译码成功,则将读取数据返回给主机用户,否则进行步骤S05;
S05)、将该数据进行软解码处理,若译码成功,则该读取数据返回给主机用户,否则返回译码失败信息或启动后续更深层次的数据恢复流程。
进一步的,本方法适用于任何有横向电荷扩散现象的存储器类型。
进一步的,步骤S03中,对边缘字线共用存储层的下一条字线进行编程时,写入数据为随机数据或者固定模式的数据。
进一步的,通过存储器的闪存转换层或者在存储颗粒内部的特定位置查找关于读取数据位置的相关信息,从而判断读取数据是否处于边缘字线位置。
本发明的有益效果:本发明适用于任何类似3D CT NAND闪存有横向电荷扩散现象的颗粒,其开放块的边缘字线存在极大的可靠性隐患,而读操作和编程操作对于电荷流失有很显著的修复作用。利用这些特殊的物理机制,对开放块的译码流程进行优化,能够有效降低边缘字线的误码率,提升可靠性容限,降低其可靠性开销,提高闪存存储系统的可靠性。
附图说明
图1是2D与3D结构的NAND闪存内部空间结构图;
图2是NAND闪存存储单元的基本物理结构图;
图3是3D NAND闪存的存储阵列图;
图4是3D CT NAND开放块边缘字线面临的电荷流失现象示意图;
图5是3D NAND闪存颗粒进行读和编程操作时,施加的不同电压对字线的干扰示意图;
5a是读修复示意图,5b是编程修复示意图;
图6为在各种Retention时间的不同读次序下的误码率;
图7为在读操作的基础上编程边缘字线共用存储层的下一条字线后,误码率的变化示意图;
图8为对比不施加任何技术方案,额外读操作和额外编程操作造成的误码率下降示意图;
图9是本发明技术方案流程图;
图10为实施例1的流程图;
图中:1、漏极,2、选择晶体管,3、字线,4、源极,5、沟道,6、控制栅,7、沉积柱,8、沟道,9、氧化隧穿层,10、存储层,11、氧化层,12、控制栅,3(0)表示字线(0),3(1)表示字线(1),3(n-1)表示字线(n-1),3(n)表示字线3(n),13、共用存储层,曲线A表示编程态,曲线B表示擦除态,曲线A与曲线B之间的箭头带头电荷泄露。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
开放块是用户在使用闪存存储器时的一个常见场景,然而由于3D CT NAND闪存颗粒的特殊空间结构,开放块的边缘字线面临着严重的可靠性风险。一旦边缘字线出现译码失败造成数据丢失,用户的使用体验会大打折扣。结合NAND闪存颗粒在进行读和编程操作时所产生的附加物理影响,可以修复由于电荷流失导致的开放块边缘字线的可靠性问题。故本实施例提供一种在开放块边缘字线译码时对数据可靠性提升的方法,针对其译码流程进行改进和优化。
图9所示为本发明技术方案流程图,具体到本实施例,参考图3所示的3D CT NAND闪存阵列图。根据闪存颗粒堆叠的层数以及每个Block所包含的字线数目,可以推算出已编程字线对应的下一条未编程字线的位置。本次实施例为堆叠层数64层的3D CT NAND闪存颗粒,每个Block包含256个字线,并且编程方式为顺序编程(此次实施例中,从word-line[0]顺序编程至word-line[63])。如此推算,每个对叠层包含256/64=4个字线,则word-line[60]至word-line[63]的共用存储层的下一条字线为未编程状态,即是边缘字线。
根据本发明的发明内容,实施案例以如图9所示步骤进行:
步骤1、开放块中,用户数据编程至word-line[63];
步骤2、用户读取该开放块word-line[n]中存储的数据,判断word-line[n]是否位于word-line[60]至word-line[63]之间,若是,则进行步骤3,否则进行步骤5;
步骤3、舍弃word-line[n]第一次读出的数据,进行第二次读操作,然后进行硬解码,若译码成功,则将该数据返回给主机用户,否则进行步骤4;
步骤4、编程word-line[n+4],然后再次读word-line[n]中的数据,对该数据进行硬解码,若译码成功,则将该数据返回给用户;否则执行步骤6;
步骤5、对word-line[n]中的数据进行硬解码,若译码成功,则将该数据返回给主机用户,否则执行步骤6;
步骤6、对word-line[n]读出的数据进行软解码,译码成功则返回给用户;否则返回译码失败信息或启动后续更深层次的数据恢复流程。
本实施例中以一个特殊的3D CT NAND闪存颗粒为例推算了边缘字线的字线号以及他们所对应的共用存储层的下一条字线的位置。其余3D CT NAND闪存颗粒根据内存大小和技术水平(Block大小,堆叠层数,编程方式等)同样可以进行计算找出边缘字线和它们对应的下一条字线。
在本次实施例中,编程操作所写入的数据为随机数据,对于特殊的数据模式同样适用。
在提出本实施例所述方案之前,进行了实际的闪存存储器颗粒的可靠性测试和数据收集。如图6所示,在数据保持(Retention)时间为1080h(室温)时,第二次读操作比第一次读操作误码率降低了57.73%。而对比第二次读操作和第三次读操作数据的误码率,可以看到其变化不明显。所以仅需额外读一次操作,就会对误码率修复达到很可观的效果。在三次读操作的基础上,我们又对边缘字线共用存储层的下一条字线(本文中定义为DummyWord-Line)进行了编程操作。从图7中可以看到,相对于第二和第三次读操作,额外编程操作下的误码率仍然有明显的下降,这说明编程操作的可靠性修复效果要强于额外的读操作。
图8阐释了不同数据保持时间下,额外的读操作和编程操作造成的误码率下降效果图。从图中可以看到,额外读方案以及额外编程方案的误码率都低于基线(不施加任何技术方案),并且,相对于额外读操作方案,额外编程方案的可靠性进一步提升26%。
从本发明的实际测试效果来看,额外的读操作方案仅消耗一次读次数就可以使误码率平均下降56.40%的。编程方案需要更长的操作时间,但是造成的误码率下降可以达到82.01%。综合两个方案的优劣之处,先采取读操作方案,当这个方案不足以使误码率达到译码水准以内时,再采取编程操作,进一步降低误码率。本发明将两种方案合理利用,使开放块的可靠性程度得到了极大的提升,误码率得到明显的下降,有效提高开放块边缘字线译码效率和成功率。
本实施例所述方法利用了3D CT NAND闪存编程干扰对电荷流失恢复的作用,能显著降低开放块中边缘字线的错误率,提升其译码成功的概率。该方法有效的提升了闪存存储系统的可靠性,大大降低了由于开放块误码率过高导致的可靠性开销。
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例,本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换,属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种存储器译码方法,其特征在于:包括以下步骤:
S01)、用户读取存储颗粒开放块中的数据,判断读取数据是否处于边缘字线位置,若是,则进行步骤S02,若否,则进行步骤S04;
所述开放块是指其中字线既有已编程字线、又存在未编程字线的块;
开放块中,若一条字线的共用存储层的下一条字线处于未编程状态,且能够进行常规编程操作,则这样的字线称为边缘字线;
S02)、舍弃步骤S01读取的数据,对开放块的边缘字线进行第二次读操作,将第二次读出的数据进行硬解码,若译码成功,则将读取数据返回给主机用户,否则进行步骤S03;
S03)、编程该边缘字线对应的共用存储层的下一条字线,再次读边缘字线数据,对读出的数据进行硬解码操作,若译码成功,则将读取数据返回给主机用户,否则进行步骤S05;
S04)、对该数据进行硬解码操作,若译码成功,则将读取数据返回给主机用户,否则进行步骤S05;
S05)、将该数据进行软解码处理,若译码成功,则该读取数据返回给主机用户,否则返回译码失败信息或启动后续更深层次的数据恢复流程。
2.根据权利要求1所述的存储器译码方法,其特征在于:本方法适用于任何有横向电荷扩散现象的存储器类型。
3.根据权利要求1所述的存储器译码方法,其特征在于:步骤S03中,对边缘字线共用存储层的下一条字线进行编程时,写入数据为随机数据或者固定模式的数据。
4.根据权利要求1所述的存储器译码方法,其特征在于:通过存储器的闪存转换层或者在存储颗粒内部的特定位置查找关于读取数据位置的相关信息,从而判断读取数据是否处于边缘字线位置。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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