基于SOI技術(shù)的單層多晶EEPROM和SONOS EEPROM抗總劑量輻照特性研究*

肖志強 李蕾蕾 張 波 徐 靜 陳正才

1)(電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054)

2)(中國電子科技集團公司第五十八研究所，無錫 214035)

3)(西安電子科技大學微電子學院，西安 710071)

(2010年4月6日收到;2010年5月24日收到修改稿)

基于SOI技術(shù)的單層多晶EEPROM和SONOS EEPROM抗總劑量輻照特性研究*

肖志強1)2)?李蕾蕾2)3)張 波1)徐 靜2)陳正才2)

1)(電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054)

2)(中國電子科技集團公司第五十八研究所，無錫 214035)

3)(西安電子科技大學微電子學院，西安 710071)

(2010年4月6日收到;2010年5月24日收到修改稿)

在自行研發(fā)的0.8 μm SOI工藝平臺上開發(fā)了基于 SOI技術(shù)的單層多晶硅 EEPROM(electrically erasable programmable read only memory)和SONOS(silicon-oxide-nitride-oxide-silicon)EEPROM，并進行了抗總劑量輻照實驗研究，分析了各種EEPROM結(jié)構(gòu)在抗總劑量輻照下的失效機理.結(jié)果表明基于SOI技術(shù)的SONOS EEPROM具有良好的抗總劑量輻照性能，為抗輻照EEPROM電路中的存儲單元結(jié)構(gòu)選取提供了依據(jù).

EEPROM，SOI SONOS，輻照，浮柵

PACS:85.40.－e

1.引 言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對低功耗、大容量、高可靠性存儲器的需求越來越大［1，2］.然而，隨著微電子器件沿著摩爾定律的不斷發(fā)展，等比例縮小原則逐漸表現(xiàn)出其對技術(shù)水平的挑戰(zhàn)性.而業(yè)界廣泛使用的浮柵 EEPROM(electricallyerasable programmable read only memory)結(jié)構(gòu)，隨著工藝尺寸不斷縮小，其浮柵下氧化層的厚度已接近極限而難以再縮小，不能滿足存儲器進一步發(fā)展要求［3］.因此業(yè)界將焦點重新投注在曾經(jīng)備受爭議的SONOS(silicon-oxide-nitride-oxide-silicon)結(jié)構(gòu)上，采用SONOS結(jié)構(gòu)有機會進一步縮小器件尺寸，從而實現(xiàn)更大容量的存儲器［3，4］.

近年來，隨著航空航天以及軍事武器裝備的發(fā)展，對其微電子器件及電路系統(tǒng)的高可靠抗輻照能力提出了更高的要求.國外諸多學者對常用的雙層多晶EEPROM，單層多晶硅EEPROM以及抗輻照特性進行了研究［5，6］，國內(nèi)也有許多研究機構(gòu)、學者致力于不同結(jié)構(gòu)的EEPROM特性及其抗輻照特性的研究［7—13］，但是對基于 SOI(silicon on insulator)襯底的SONOS結(jié)構(gòu)的抗總劑量輻照特性還未見報道.本文在自行研發(fā)的0.8 μm SOI工藝平臺上開發(fā)了基于 SOI技術(shù)的單層多晶硅 EEPROM和 SONOS EEPROM結(jié)構(gòu)并研究了其抗總劑量輻照特性，分析了各種器件的失效機理.為了便于對比研究，本文同時在0.8 μm工藝平臺上開發(fā)了體硅單層多晶EEPROM結(jié)構(gòu)并進行了抗總劑量輻照特性研究.

2.器件結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1.體硅單層多晶EEPROM

圖1是體硅單層多晶EEPROM結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是具有H型柵的體硅單層多晶EEPROM版圖.其中，CG是控制柵，tun是隧道孔，WE是擦寫控制端.其工作原理是:“寫入”時將CG上的電勢耦合到隧道二極管上，提供電子，并使電子發(fā)生隧穿，通過隧道氧化層(隧道孔下的氧化層)存儲在隧道氧化層上的浮柵上.反之，可耦合產(chǎn)生一個反向強電場，把電荷拉出氧化層完成“擦除”.由于浮柵上的電荷數(shù)量在“寫入”和“擦除”后不同，影響了讀取選擇管的閾值，并反映在讀取電流(即漏端電流)上，由此判斷存儲信息是“1”或“0”.由于在隧道孔下做了埋層，故在該單元進行“寫入”和“擦除”時主要還是依靠 FN 隧道效應［14］.

圖1 體硅單層多晶H型柵EEPROM單元剖面圖

圖2 體硅單層多晶H型柵EEPROM單元版圖

2.2.SOI單層多晶EEPROM

如前所述，在航空航天等空間環(huán)境中使用的電子器件需要有抗輻照能力.由于SOI技術(shù)具有天然的抗單粒子翻轉(zhuǎn)和抗瞬時輻照能力［15］，因此我們將單層多晶硅EEPROM結(jié)構(gòu)與SOI技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了基于SOI的單層多晶硅EEPROM器件.圖3是基于0.8 μm SOI工藝平臺的單層多晶EEPROM剖面圖，圖中隱埋氧化層(Box)厚度(tBox)為375 nm，頂層氧化層厚度(tTox)為205 nm，場氧化層厚度(tFox)為 320—400 nm.圖 4是 SOI單層多晶 H型柵EEPROM單元版圖及存儲管等效電容圖，該單元由讀取選擇管、寫選擇管、隧道二極管和BN埋層電容組成.SOI單層多晶EEPROM的工作原理與體硅單多晶EEPROM相同.

2.3.SOI SONOS EEPROM

隨著EEPROM器件尺寸不斷縮小，至20世紀90年代初期，人們發(fā)現(xiàn)廣泛使用的浮柵 EEPROM器件的集成度受到了限制，為了維持其正常工作特性，7 nm的隧道氧化層厚度幾乎已經(jīng)成為浮柵器件所能承受的極限［3］.隨著集成度的進一步提高，EEPROM器件的尺寸持續(xù)縮小，SONOS結(jié)構(gòu)存儲器件又重新被重視.圖5為本文所開發(fā)的SOI SONOS EEPROM器件結(jié)構(gòu)示意圖.SONOS EEPROM不同于浮柵EEPROM將電荷存儲在浮柵上，而是將被存儲的電荷存儲在Si3N4絕緣介質(zhì)層上.由于信息存儲在絕緣介質(zhì)中，一個單獨缺陷將不再會導致器件存儲信息的失效［3］，這大大提高了器件的耐久性.目前國際普遍認為SONOS EEPROM工作由兩種機制決定［3］.在進行“寫入”時:1)電子依靠FN隧穿效應從襯底穿越由氧化層導帶彎曲形成的三角形勢壘，到達Si3N4層;2)溝道載流子直接隧穿到Si3N4層.“擦除”時:1)Si3N4中的電荷利用 Frenkel-Poole機制發(fā)射至襯底;2)Si3N4中的電荷直接隧穿至襯底.而SONOS EEPROM的耐久特性及保持特性與FN隧穿效應和Frenkel-Poole發(fā)射兩種機制有關(guān).

圖3 SOI單層多晶硅EEPROM單元剖面圖

圖4 SOI單層多晶H型柵EEPROM單元版圖及存儲管等效電容圖 (a)單元版圖，(b)存儲管等效電容圖

圖5 SOI SONOS EEPROM器件結(jié)構(gòu)示意圖

3.抗總劑量輻照實驗及結(jié)果討論

文獻［5］表明，與浮柵EEPROM結(jié)構(gòu)相比，單層多晶硅EEPROM結(jié)構(gòu)具有更好的抗輻照能力，故本文對浮柵EEPROM結(jié)構(gòu)的抗輻照能力不再贅述.而大量研究結(jié)果表明，SOI結(jié)構(gòu)具有良好的抗單粒子特性［16］，基于此，本文將 SOI技術(shù)與單層多晶硅EEPROM結(jié)構(gòu)相結(jié)合，開發(fā)了基于 SOI襯底的單層多晶EEPROM器件.由于SONOS EEPROM結(jié)構(gòu)有望成為下一代存儲器的主流結(jié)構(gòu)，而目前對基于SOI襯底的SONOS EEPROM結(jié)構(gòu)的抗總劑量輻照特性研究甚少，因此本文開發(fā)了 SOI SONOS EEPROM器件.同時，便于對比研究，也開發(fā)了體硅單層多晶EEPROM結(jié)構(gòu).對上述3種器件結(jié)構(gòu)進行了總劑量輻照實驗，從輻照前后的擦寫閾值電壓變化來考察器件的抗總劑量輻照能力.進行輻照實驗時，器件所有端口接地.

3.1.體硅單層多晶EEPROM輻照實驗

實驗所需器件在自行研發(fā)的0.8 μm硅基工藝平臺上實現(xiàn)，其主要參數(shù)如下:隧道窗口尺寸為0.8 μm×0.8 μm，隧道氧化層厚度為8 nm，場氧化層厚度(tFox)為320—400 nm.輻射源為 X射線，輻照劑量率為100 rad(Si)/s，輻照總劑量分別為 12，24，60，102，204，300，504 krad(Si).器件閾值電壓(Vt)隨輻照總劑量的變化關(guān)系如圖6所示.從圖中可見，隨著輻照總劑量的增加，“擦寫”閾值電壓逐漸減小，而“寫入”閾值電壓逐漸增大.當輻射總劑量達到300 krad(Si)時，器件的擦寫閾值窗口仍有3 V;輻射總劑量達到504 krad(Si)時閾值窗口仍有1.9 V.

3.2.SOI單層多晶EEPROM輻照實驗

圖6 體硅單層多晶EEPROM閾值電壓變化曲線

實驗中所用的SOI單層多晶EEPROM器件是基于自行研發(fā)的0.8 μm SOI工藝平臺上實現(xiàn)的.其中隧道窗口尺寸為0.8 μm×0.8 μm，隧道氧化層厚度為8 nm，結(jié)構(gòu)如圖4所示.實驗所用輻射源為 X射線，輻照劑量率為100 rad(Si)/s，輻照總劑量分別為:5，10，20，60，100，200 krad(Si).器件閾值電壓(Vt)隨輻照總劑量的變化關(guān)系如圖7所示.圖7表明:器件在經(jīng)過總劑量為5 krad(Si)的X射線照射后，性能發(fā)生顯著退化.當器件經(jīng)過“寫”操作后，閾值電壓應較原始狀態(tài)的閾值電壓(沒有經(jīng)過輻照)升高，但在經(jīng)過5 krad(Si)的X射線照射后，該器件的閾值電壓降至負值，說明器件經(jīng)輻射后損壞.同樣，被“擦”過 的器件經(jīng)輻照后，閾值電壓從負值變?yōu)檎担脖砻髌骷褤p壞.

圖7 SOI單多晶EEPROM閾值電壓變化曲線

這是因為，經(jīng)輻照后，被寫過的器件的氧化層中產(chǎn)生了大量的電子-空穴對，而此時浮柵電勢為負，電子-空穴對經(jīng)過快速中和后，剩余電子在氧化層電場的作用下漂移至有源區(qū);而剩余空穴一部分緩慢地固定下來，另一部分躍至浮柵，致使閾值電壓降低.被擦過的器件在被輻照時，其氧化層中也產(chǎn)生大量的電子-空穴對，由于此時浮柵電勢為正，經(jīng)快速中和后，剩余空穴一部分固定在氧化層中，另一部分在電場作用下向有源區(qū)漂移;而剩余電子在電場作用下移動至浮柵，導致浮柵電勢降低，閾值電壓增大.但是當輻射總劑量超過器件承受能力范圍后，不僅在氧化層中充斥著大量的電子-空穴對，同時導致柵氧被破壞，產(chǎn)生缺陷，形成通道，使得因輻照產(chǎn)生的電子或者空穴極易通過該缺陷從氧化層進入浮柵，而此種電子、空穴的數(shù)量又遠遠大于浮柵上本來存儲的電荷數(shù)，因此超劑量的輻照不僅使得器件狀態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)，并且將其狀態(tài)長期固定下來.

3.3.SOI SONOS EEPROM輻照實驗

鑒于γ射線比X射線有更強的穿透力，更能反映器件的抗輻照性能，在對SOI SONOS EEPROM進行總劑量輻照實驗時，采用 Co60-γ射線源，劑量率為50 rad(Si)/s，使用HP4145A參數(shù)分析儀對器件進行參數(shù)測量.該器件同樣采用0.8 μm SOI CMOS工藝加工，器件的襯底材料主要參數(shù)見表1.器件閾值電壓(Vt)隨輻照總劑量的變化關(guān)系如圖8所示.實驗發(fā)現(xiàn)，SOI SONOS EEPROM的閾值電壓在經(jīng)首次輻照后變化平緩，當總劑量達到300 krad(Si)時，該器件仍然保持2.3 V的閾值電壓窗口，較初始狀態(tài)閾值電壓減小34%，較首次經(jīng)輻照時的閾值電壓減小8%;而單層多晶EEPROM器件在輻照總劑量達到300 krad(Si)時，其閾值電壓較初始狀態(tài)減少50%，較首次被輻照時的閾值窗口減小49.1%.這說明SOI SONOS EEPROM器件在滿足工作要求時，抗總劑量特性更加穩(wěn)定，更適合應用于空間環(huán)境.其原因在于 SOI SONOS EEPROM被輻照時，Si3N4層中產(chǎn)生了電子-空穴對，由于電子遷移較大，在電場作用下電子離開了 Si3N4層，而遷移率較低的空穴卻留在Si3N4層中，導致 Si3N4電勢升高，此時閾值電壓朝負方向變化.

表1 SOI SONOS EEPROM的襯底材料主要參數(shù)

對以上3種結(jié)構(gòu)的EEPROM進行的輻照實驗表明，SOI單層多晶 EEPROM的抗總劑量特性最差，實驗所用的體硅單層多晶EEPROM和SOI單層多晶EEPROM的根本區(qū)別在于基底材料不同，致使SOI單層多晶EEPROM存儲單元中形成了較多的SiO2層.俘獲陷阱的數(shù)量與 SiO2層的體積成正比，即在相同能量下，SiO2層體積越大，載流子俘獲陷阱越多.最終，在器件經(jīng)過輻照后，留在器件體內(nèi)的額外載流子多少，直接影響器件的抗總劑量性能.

圖8 SOI SONOS EEPROM閾值電壓變化曲線

綜上原因，基于SOI技術(shù)的單層多晶 EEPROM結(jié)構(gòu)在抗總劑量輻照方面較之體硅單層多晶EEPROM結(jié)構(gòu)具有劣勢.但是，本文所開發(fā)的 SOI SONOS EEPROM結(jié)構(gòu)，卻表現(xiàn)出較優(yōu)異的抗總劑量輻照能力.因此，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用諸如本文所開發(fā)的SOI SONOS EEPROM結(jié)構(gòu)等，不僅可以回避SOI單層多晶EEPROM在抗總劑量輻照方面的劣勢，而且在其他很多方面都表現(xiàn)突出，尤其是在耐久性方面:

1)由于SOI SONOS EEPROM采用ONO堆棧結(jié)構(gòu)，電荷存儲在絕緣體介質(zhì)中，介質(zhì)材料的單個缺陷不會導致存儲單元信息泄露;

2)SOI SONOS EEPROM生長在 SOI襯底上，各器件間被物理隔離，其電路具有天生的良好抗單粒子能力;

3)SOI SONOS EEPROM工藝與標準CMOS工藝兼容，工業(yè)化推廣應用難度小，成本低，利于系統(tǒng)集成;

4)SOI SONOS EEPROM存儲單元面積較小，且利于等比例縮小，可應用到130 nm以下工藝中，利于提高集成度;

5)SOI SONOS EEPROM工作電壓較低，功耗較小，可用于移動通信，RF ID等便攜電子產(chǎn)品;

6)SOI SONOS EEPROM存儲單元的抗總劑量特性在經(jīng)過本征退化后，基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，具有良好的耐久性，可用于軍事、航天、航空等高可靠需求領域［17］.

4.結(jié) 論

SONOS的存儲器早在30年以前就已應用于實際產(chǎn)品［18］，小規(guī)模應用于高工作溫度和高可靠性領域.隨著SONOS技術(shù)不斷改進，它已成為浮柵存儲器的強勁對手.最新的SONOS存儲器讀取速度快，數(shù)據(jù)維持時間久，有更多的讀/寫周期.更重要的是，相對于浮柵存儲器，SONOS在等比例縮減方面物理限制小，使其成為非揮發(fā)性存儲器件的首選.再加之SOI工藝本身就具有抗閂鎖、低功耗、抗單粒子效應等優(yōu)點，SOI SONOS EEPROM在抗輻照要求較高的軍民領域都將是重要的存儲單元選取對象.

［1］Kuesters K H，Ludwig C，Mikolajick T，Nagel N，Specht M，Pissors V，Schulze N，Stein N，Willer J 2006ICSICT′06.8th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit TechnologyShanghai，Oct.23—26 p740

［2］Fang S H，Cheng X L，2007Chinese Journal of Electron Devices30 1211(in Chinese)［房少華、程秀蘭 2007電子器件 30 1211］

［3］White M H，Adams D A，Bu J 2000IEEE Circuit.Devic.16 22

［4］Takeuchi H，King T J 2003IEEE Electr.Device Lett.24 309

［5］Wellekens D，Groeseneken G，Houdt J V，Maes H E 1993IEEE Trans.Nuc.Sci.40 1619

［6］Cellere G，Pellati P，Chimerton A，Modelli A，Larcher L，PACSagrella A 2001IEEE Trans.Nuc.Sci.48 2222

［7］Fang S H，Cheng X L，Huang Y，Gu H H 2007Acta Phys.Sin.56 6634(in Chinese)［房少華、程秀蘭、黃 曄、顧懷懷 2007物理學報56 6634］

［8］Guo H X，Chen Y S，Zhang Y M，Han F B，He C H，Zhou H 2002Acta Phys.Sin.51 2315(in Chinese)［郭紅霞、陳雨生、張義門、韓福斌、賀朝會、周 輝2002物理學報51 2315］

［9］He B P，Guo H X，Gong J C，Wang G Z，Luo Y H，Li Y H 2004Acta Phys.Sin.53 3125(in Chinese)［何寶平、郭紅霞、龔建成、王桂珍、羅尹虹、李永宏2004物理學報53 3125］

［10］Li L L，Liu H X，Yu Z G，Hao Y 2006Acta Phys.Sin.55 2459(in Chinese)［李蕾蕾、劉紅俠、于宗光、郝 躍 2006物理學報 55 2459］

［11］Yu Z G，Lu F，Xu Z，Ye S Y，Huang W，Wang W Y，Xu J Y，2000Acta Electr.Sin.28 90(in Chinese)［于宗光、陸 鋒、徐 征、葉守銀、黃 衛(wèi)、王萬業(yè)、許居衍 2000電子學報 28 90］

［12］He C H，Geng B，Yang H L，Chen X H，Wang Y P，Li G Z 2003Acta Phys.Sin.52 180(in Chinese)［賀朝會、耿 斌、楊海亮、陳曉華、王燕萍、李國政 2003物理學報 52 180］

［13］He C H，Geng B，Yang H L，Chen X H，Li G Z，Wang Y P 2003Acta Phys.Sin.52 2235(in Chinese)［賀朝會、耿 斌、楊海亮、陳曉華、李國政、王燕萍 2003物理學報 52 2235］

［14］Du P Y，Lue H T，Wang S Y，Huang T Y，Hsieh K Y，Liu R，Lu C Y 2008IEEE Tran.Elect.Dev.55 2230

［15］Wu A M，Chen J，Zhang E X，Yang H，Zhang Z X，Wang X 2007Functional Materials Information38 866(in Chinese)［武愛民、陳 靜、張恩霞、楊 慧、張正選、王 曦2007功能材料信息38 866］

［16］Cai J R 2004Electronisc and Packing4 20(in Chinese)［蔡菊容2004電子與封裝4 20］

［17］White M H，Adams D A，Murray J R，Wrazien S，Zhao E，Wang Y，Khan B，Miller W，Mehrotra R 2004Non-Volatile Memory Technology SymposiumOrlando，USA，November 15—17，2004 p51

［18］Wallinger T 2007Semiconductor International30 49

PACS:85.40.－e

Total dose characteristics of single poly EEPROM and SONOS EEPROM on SOI*

Xiao Zhi-Qiang1)2)?Li Lei-Lei2)3)Zhang Bo1)Xu Jing2)Chen Zheng-Cai2)
1)(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China)
2)(The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Wuxi 214035，China)
3)(School of Microelectronics，Xidian University，Xi’an 710071，China)(Received 6 April 2010;revised manuscript received 24 May 2010)

Devices of single poly electrically ersable programmable read only memory(EEPROM)and silicon-oxide-nitrideoxide-silicon(SONOS)EEPROM on silicon on insulator(SOI)are fabricated on self-built 0.8 μm SOI process.And through a set of experiments on EEPROMs of these configurations and comparisons，SOI SONOS EEPROM is successfully developed with good and stable total dose radiation hardened characteristics.These provide stronger proofs to choose EEPROM in radiation hardened circuits.

electrically ersable programmable read only memory，silicon on insulator silicon-oxide-nitride-oxide-silicon，radiation，floating gate

*國家科技重大專項(批準號:2009ZX02306-04)資助的課題.E-mail:xiaosteven@sohu.com

*Project supported by the National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China(Grant No.2009ZX02306-04).