NAND型Flash存儲(chǔ)器總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

盛江坤，邱孟通，姚志斌，何寶平，黃紹艷，劉敏波，肖志剛，王祖軍

(西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

NAND型Flash存儲(chǔ)器是一種非易失性存儲(chǔ)器，具有編程和擦除速度快、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、存儲(chǔ)密度大、功耗小及重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備中常用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。近幾年，美國(guó)航天局和歐空局在其衛(wèi)星產(chǎn)品中加強(qiáng)了NAND型Flash存儲(chǔ)器的應(yīng)用，涉及氣象衛(wèi)星、地球資源探測(cè)衛(wèi)星及空間探測(cè)器等諸多領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)也已開(kāi)展了基于NAND型Flash存儲(chǔ)器的星載固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)的研究與應(yīng)用[1]?？臻g應(yīng)用表明，NAND型Flash存儲(chǔ)器抗總劑量能力較差[2-3]，使NAND型Flash存儲(chǔ)器的總劑量效應(yīng)研究成為空間電子元器件輻射效應(yīng)研究的一個(gè)重要方面。

從20世紀(jì)末開(kāi)始，國(guó)外針對(duì)NAND型Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行了大量抗總劑量性能的測(cè)試考核與效應(yīng)研究[4-6]。國(guó)內(nèi)對(duì)Flash存儲(chǔ)器的輻射效應(yīng)研究主要集中在一種容量小、常用作指令存儲(chǔ)的NOR型Flash存儲(chǔ)器上[7-8]。本文從輻照偏置和工藝尺寸兩方面開(kāi)展NAND型Flash存儲(chǔ)器的總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

1 NAND型Flash存儲(chǔ)器

NAND型Flash存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。其主要由存儲(chǔ)陣列、電荷泵電路、譯碼電路、緩存電路及控制邏輯電路等組成。

NAND結(jié)構(gòu)通過(guò)多位直接串聯(lián)形成一串聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩端各有一選通晶體管，以保證串聯(lián)結(jié)構(gòu)同位線(xiàn)(BL)和地線(xiàn)(SL)相連，字線(xiàn)(WL)與存儲(chǔ)單元的控制柵相連。共享同一字線(xiàn)的存儲(chǔ)單元構(gòu)成邏輯頁(yè)，同一組字線(xiàn)上的所有存儲(chǔ)單元構(gòu)成邏輯塊。頁(yè)是編程操作的基本單位，塊是擦除操作的基本單位。

電荷泵電路用于產(chǎn)生各類(lèi)操作需要的高電壓；譯碼電路將電荷泵產(chǎn)生的電壓施加到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元上；緩存電路用于緩存讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)；控制邏輯電路負(fù)責(zé)與用戶(hù)通信，并控制存儲(chǔ)器執(zhí)行各類(lèi)操作。

存儲(chǔ)單元的編程和擦除操作通過(guò)FN隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)(圖2)。執(zhí)行編程操作時(shí)，在控制柵上加高壓，使電子從襯底進(jìn)入浮柵，提高存儲(chǔ)單元的閾值電壓，此時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為0；執(zhí)行擦除操作時(shí)，在襯底上加高壓，使浮柵上的電子回到襯底，降低存儲(chǔ)單元的閾值電壓，此時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為1。

圖1 NAND型Flash存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

圖2 存儲(chǔ)單元的編程(a)與擦除(b)

進(jìn)行讀出操作時(shí)，使串聯(lián)結(jié)構(gòu)上的選通晶體管和其他存儲(chǔ)單元處于導(dǎo)通狀態(tài)，在需要讀出的存儲(chǔ)單元上施加判讀電壓，判讀電壓的值介于編程狀態(tài)和擦除狀態(tài)的閾值電壓之間，通過(guò)判斷整個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)判斷存儲(chǔ)單元上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在西北核技術(shù)研究所60Co γ射線(xiàn)源上進(jìn)行，輻照劑量率為0.5 Gy(Si)/s。實(shí)驗(yàn)選取鎂光公司4種不同型號(hào)的NAND型Flash存儲(chǔ)器。被測(cè)器件信息列于表1。

表1 被測(cè)器件信息

實(shí)驗(yàn)所用的測(cè)試系統(tǒng)為自主研制的NAND型Flash存儲(chǔ)器總劑量效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)可對(duì)被測(cè)器件的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)、擦寫(xiě)時(shí)間、擦寫(xiě)功能、指令響應(yīng)及靜態(tài)電流進(jìn)行測(cè)試。

NAND型Flash存儲(chǔ)器的測(cè)試方法分為刷新測(cè)試和非刷新測(cè)試。非刷新測(cè)試模式下，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)器件執(zhí)行讀出操作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)測(cè)試。刷新測(cè)試模式下，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)器件順序執(zhí)行擦除、編程和讀出操作，通過(guò)測(cè)量R/B信號(hào)低電平保持時(shí)間得到擦寫(xiě)時(shí)間，通過(guò)讀出被測(cè)器件狀態(tài)寄存器的值及讀出操作來(lái)判斷擦寫(xiě)功能是否失效。兩種測(cè)試模式下通過(guò)監(jiān)測(cè)被測(cè)器件R/B信號(hào)電平是否正常轉(zhuǎn)換來(lái)判斷指令響應(yīng)是否正常。靜態(tài)加電條件下通過(guò)高端法測(cè)量靜態(tài)電流。

針對(duì)MT29F2G08AAD，實(shí)驗(yàn)選用靜態(tài)加電、不加電及動(dòng)態(tài)3種輻照偏置，來(lái)研究輻照偏置對(duì)器件總劑量效應(yīng)的影響。靜態(tài)加電和不加電輻照偏置下，輻照一定總劑量后，對(duì)器件執(zhí)行刷新測(cè)試或非刷新測(cè)試，然后循環(huán)上述過(guò)程。動(dòng)態(tài)輻照偏置下，對(duì)器件循環(huán)執(zhí)行刷新測(cè)試或非刷新測(cè)試。執(zhí)行刷新測(cè)試或非刷新測(cè)試時(shí)，向器件寫(xiě)入的數(shù)據(jù)為55H。針對(duì)表1所列的4種器件，通過(guò)開(kāi)展靜態(tài)加電輻照偏置下的總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，來(lái)研究不同工藝尺寸器件的總劑量效應(yīng)的異同性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 輻照偏置對(duì)總劑量效應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)中僅發(fā)現(xiàn)0到1的翻轉(zhuǎn)，即浮柵上的電子消失。圖3為MT29F2G08AAD在不同輻照偏置下數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率隨總劑量的變化。

圖3 MT29F2G08AAD在不同輻照偏置下數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率隨總劑量的變化

總劑量在200～700 Gy(Si)之間時(shí)，3種輻照偏置下的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率均迅速升高，且翻轉(zhuǎn)率相當(dāng)。根據(jù)NAND型Flash存儲(chǔ)器的工作原理，靜態(tài)加電和不加電輻照偏置下，存儲(chǔ)陣列的偏置均為柵極浮空；動(dòng)態(tài)輻照偏置下，雖因循環(huán)讀出而在相應(yīng)存儲(chǔ)單元的柵極上施加正電壓，但正電壓維持的時(shí)間很短，在整個(gè)輻照時(shí)間中占的比例很小，因此動(dòng)態(tài)條件下存儲(chǔ)陣列的輻照偏置與另外兩種偏置相似，從而使總劑量相同時(shí)器件在3種偏置狀態(tài)下的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率相當(dāng)。

當(dāng)總劑量達(dá)800 Gy(Si)左右時(shí)，靜態(tài)加電和動(dòng)態(tài)輻照偏置下數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率變?yōu)?，這種現(xiàn)象是由讀出功能失效造成的。隨輻照劑量的積累，電荷泵電路的輸出電壓降低，譯碼電路的漏電流增大[9]。這些因素使施加在存儲(chǔ)單元控制柵上的電壓降低，造成整個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)無(wú)法正常導(dǎo)通，進(jìn)而導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)為1的存儲(chǔ)單元又被重新讀為0，因此測(cè)試時(shí)表現(xiàn)為數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率降低。動(dòng)態(tài)輻照偏置下，電荷泵啟動(dòng)的時(shí)間僅占讀出時(shí)間的5%左右，所以靜態(tài)加電和動(dòng)態(tài)兩種輻照偏置下器件的讀出功能失效閾值相差不大。

不加電輻照偏置下的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率在總劑量大于800 Gy(Si)時(shí)繼續(xù)升高，在總劑量達(dá)到1 000 Gy(Si)時(shí)變?yōu)?00%，即回讀數(shù)據(jù)全部為FFH，這并非是由存儲(chǔ)單元全部翻轉(zhuǎn)造成的，而是由讀出功能失效引起的。

圖4 MT29F2G08AAD在600 Gy(Si)和700 Gy(Si)時(shí)的翻轉(zhuǎn)位圖

圖4為靜態(tài)加電輻照的MT29F2G08AAD在600 Gy(Si)和700 Gy(Si)時(shí)的翻轉(zhuǎn)位圖，其他總劑量點(diǎn)及不同偏置的翻轉(zhuǎn)位圖與圖4相似。從圖4可看出，器件的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)呈一定的隨機(jī)特性，在塊的起始頁(yè)和結(jié)束頁(yè)翻轉(zhuǎn)數(shù)較多，這一階段的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)是由存儲(chǔ)單元閾值電壓漂移造成的。在電離輻射作用下，浮柵周?chē)难趸瘜又挟a(chǎn)生電子空穴對(duì)，未發(fā)生復(fù)合的電子在電場(chǎng)的作用下被迅速掃出氧化層，空穴在電場(chǎng)的作用下向浮柵移動(dòng)，一部分進(jìn)入到浮柵中與電子復(fù)合，另一部分陷在氧化層中，形成氧化層正電荷，同時(shí)，浮柵上的電子在輻照后獲得足夠的能量而躍過(guò)氧化層勢(shì)壘。這些因素都會(huì)造成浮柵上的電荷損失，使存儲(chǔ)單元的閾值電壓發(fā)生負(fù)向漂移[10]。輻照劑量較小時(shí)，閾值電壓雖漂移，但尚未小于判讀電壓，因此未出現(xiàn)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)；當(dāng)輻照劑量累積到一定程度時(shí)，閾值電壓小于判讀電壓，就會(huì)檢測(cè)到0到1的翻轉(zhuǎn)。由于生產(chǎn)工藝及脈沖電壓擾動(dòng)等因素，存儲(chǔ)單元的閾值電壓呈一定的隨機(jī)分布特性，因此數(shù)據(jù)位的翻轉(zhuǎn)亦呈一定的隨機(jī)分布特性。

圖5為MT29F2G08AAD歸一化總擦除時(shí)間和編程時(shí)間隨總劑量的變化。從圖5可看出，靜態(tài)加電和動(dòng)態(tài)輻照偏置下，擦除時(shí)間和編程時(shí)間的變化趨勢(shì)相同，均在輻照劑量累積一定程度后因外圍電路性能退化而變長(zhǎng)。但操作時(shí)間的變長(zhǎng)并不是連續(xù)的，圖6為MT29F2G08AAD在不同總劑量下的擦除時(shí)間分布。從圖6可看出，擦除時(shí)間的變化是階躍性的，按約375 μs的倍數(shù)增長(zhǎng)。編程時(shí)間的變長(zhǎng)同樣是階躍性的，但編程時(shí)間變長(zhǎng)的頁(yè)數(shù)較少，因此編程時(shí)間的增長(zhǎng)率較低。

擦除時(shí)間和編程時(shí)間呈階躍性變長(zhǎng)主要由NAND型Flash存儲(chǔ)器的工作機(jī)制[11]造成。擦除和編程的操作流程均為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，一次擦除或編程操作結(jié)束后將對(duì)操作結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，若操作成功則退出操作，若不成功則再進(jìn)行一次操作。

如果循環(huán)一定次數(shù)后擦除或編程操作仍不成功，則退出操作流程，并提示操作失敗。因此當(dāng)操作時(shí)間增大到一定值后，器件的擦除功能和編程功能將失效。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，600 Gy(Si)時(shí)，進(jìn)行靜態(tài)加電輻照的4個(gè)器件均擦除成功；700 Gy(Si)時(shí)，3個(gè)器件的全部塊地址擦除失敗，1個(gè)器件的兩個(gè)塊地址擦除失??；800 Gy(Si)時(shí)，4個(gè)器件全部塊地址擦除失敗。這表明靜態(tài)加電輻照偏置下器件的擦除功能失效閾值在600～800 Gy(Si)之間。進(jìn)行動(dòng)態(tài)輻照的3個(gè)器件分別在621、657及661 Gy(Si)時(shí)全部塊地址擦除失敗。實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)編程功能失效，僅監(jiān)測(cè)到編程時(shí)間的變長(zhǎng)。從擦除時(shí)間和編程時(shí)間的變化及擦除功能失效閾值看，靜態(tài)加電輻照偏置和動(dòng)態(tài)輻照偏置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是動(dòng)態(tài)輻照偏置下電荷泵啟動(dòng)的時(shí)間在整個(gè)輻照時(shí)間中占的比例較小，僅占約20%。

圖5 擦除時(shí)間及編程時(shí)間隨總劑量的變化

圖6 不同總劑量下擦除時(shí)間的分布

不加電輻照偏置下，編程時(shí)間在功能失效前略有上升，而擦除時(shí)間無(wú)明顯變化，總劑量達(dá)1 000 Gy(Si)后，操作時(shí)間突然降低至接近0，且所有編程操作和擦除操作均失敗，回讀的數(shù)據(jù)全部為FFH，與非刷新測(cè)試的結(jié)果相似，說(shuō)明不加電輻照偏置下的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率變?yōu)?00%是由讀出功能失效造成的。不加電輻照下失效現(xiàn)象不同于另外兩種偏置的失效現(xiàn)象，表明不同輻照偏置下引起功能失效的敏感電路不同。

實(shí)驗(yàn)中被測(cè)器件的指令響應(yīng)正常。靜態(tài)偏置下進(jìn)行非刷新測(cè)試時(shí)未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表明輻照并未對(duì)存儲(chǔ)單元造成致命的損傷，重新執(zhí)行擦除和編程操作后，可補(bǔ)充浮柵上損失的電荷，這一現(xiàn)象為NAND型Flash存儲(chǔ)器的航天應(yīng)用提供了啟示，即在保存的數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)前，對(duì)衛(wèi)星上的Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行重新寫(xiě)入，可提高數(shù)據(jù)的保存時(shí)間，直至器件的功能失效。不加電輻照偏置下器件的功能失效閾值高于靜態(tài)加電和動(dòng)態(tài)輻照偏置的情況，表明器件在冷備份狀態(tài)下會(huì)有更長(zhǎng)的壽命。

3.2 不同工藝尺寸器件的總劑量效應(yīng)

圖7分別為4種器件數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率、擦除時(shí)間及靜態(tài)電流隨總劑量的變化，其功能失效閾值列于表2。

圖7 4種器件的翻轉(zhuǎn)率、擦除時(shí)間及靜態(tài)電流隨總劑量的變化

表2 4種器件功能失效閾值

4種器件的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為先升高、后由于讀出功能失效而變?yōu)?。翻轉(zhuǎn)數(shù)迅速增加是由存儲(chǔ)單元閾值電壓漂移造成的，存儲(chǔ)單元閾值電壓的漂移不僅與氧化層厚度有關(guān)，還與氧化層介電常數(shù)及輻照前浮柵電荷量等參數(shù)有關(guān)[10]。另外，對(duì)于當(dāng)前工藝下的NAND型Flash存儲(chǔ)器，考慮到數(shù)據(jù)的可靠性原因，氧化層的厚度已不能隨工藝尺寸等比例縮小[3]，因此，翻轉(zhuǎn)數(shù)并不隨器件的工藝尺寸單調(diào)變化。

4種器件的擦除時(shí)間先變長(zhǎng)，增長(zhǎng)到一定值后產(chǎn)生功能失效。對(duì)于1G、2G和4G器件，其擦除功能的失效閾值隨工藝尺寸的減小而增大，這與常見(jiàn)的器件抗總劑量性能隨工藝尺寸的變化規(guī)律相符合。但8G器件卻并不符合此規(guī)律，擦除功能在400 Gy(Si)處即發(fā)生失效，其原因可從影響電荷泵輸出電壓的因素進(jìn)行分析。

電荷泵的輸出電壓為：

(1)

其中：VDD為電荷泵供電；Vφ為時(shí)鐘信號(hào)高電平；Vth為MOS管閾值電壓；C為時(shí)鐘耦合電容；CS為電荷泵每一級(jí)的寄生電容；Iout為電荷泵輸出電流；f為時(shí)鐘頻率；N為電荷泵級(jí)數(shù)。

由式(1)可看出，大的負(fù)載電流會(huì)降低電荷泵的輸出電壓，進(jìn)而對(duì)擦除功能造成影響。8G器件的塊容量是其他3種器件的兩倍，在執(zhí)行擦除操作時(shí)需更大的電流，因此更易產(chǎn)生擦除失敗。輻照前，8G器件小部分塊擦除時(shí)間與其他3種器件相同，均為400 μs左右，但大部分塊擦除時(shí)間大于800 μs，是其他器件的兩倍，這也反映出大的負(fù)載電流對(duì)擦除功能的影響。

1G、2G和4G器件功能失效時(shí)靜態(tài)電流均有較大的增長(zhǎng)，且器件的靜態(tài)電流開(kāi)始增大時(shí)，相同總劑量下工藝尺寸越小的器件靜態(tài)電流變化越小，而8G器件在功能失效時(shí)靜態(tài)電流卻無(wú)明顯變化，這也從側(cè)面說(shuō)明了8G器件功能失效的原因與其他器件不同。

4 小結(jié)

本文對(duì)鎂光公司的4種NAND型Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行了不同輻照偏置下的總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及不同工藝尺寸器件的靜態(tài)加電輻照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，器件在靜態(tài)加電和動(dòng)態(tài)輻照偏置下的總劑量效應(yīng)相似，而與不加電輻照偏置下的總劑量效應(yīng)不同，表明不同輻照偏置下引起功能失效的敏感電路不同。不同工藝尺寸器件的各敏感參數(shù)變化趨勢(shì)相似，受各種因素的綜合影響，其并不隨工藝尺寸單調(diào)變化。

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