90 nm浮柵型P-FLASH器件總劑量電離輻射效應(yīng)研究

朱少立，湯偲愉，劉國柱，曹立超，洪根深，吳建偉，鄭若成

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

非易失性存儲(chǔ)器特別是FLASH存儲(chǔ)器具有高速度、大容量、低功耗以及高可靠性等特點(diǎn)，目前，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器已經(jīng)逐步應(yīng)用于衛(wèi)星遙感、航天探測等對可靠性要求十分嚴(yán)格的輻照空間應(yīng)用中[1]。基于航空航天特殊應(yīng)用的需求，應(yīng)用于航天領(lǐng)域的FLASH存儲(chǔ)器必須對其進(jìn)行全面的輻射效應(yīng)研究和抗輻射性能評估，從而確定其在各種輻射效應(yīng)下的性能和電參數(shù)信息以及抗輻射等級?？臻g輻射引起的總劑量效應(yīng)是電子器件在空間應(yīng)用中需要面對的最重要的問題之一，對FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行總劑量效應(yīng)研究和地面模擬試驗(yàn)具有重要的價(jià)值和意義[2]。隨著FLASH型固態(tài)存儲(chǔ)器在航空/航天領(lǐng)域的不斷增加，國內(nèi)外對FLASH存儲(chǔ)器均進(jìn)行了一系列的總劑量效應(yīng)研究[3-6]，包括NAND/NOR型FLASH型存儲(chǔ)器及FLASH單元的總劑量效應(yīng)研究。自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)也陸續(xù)開展了一系列針對FLASH的總劑量效應(yīng)研究[7-8]，但這些研究主要是針對FLASH固態(tài)存儲(chǔ)器，而對于FLASH器件單元總劑量效應(yīng)的研究相對較少。

本文基于商用FLASH工藝，研究了90 nm P-Channel FLASH器件抗總劑量能力，重點(diǎn)探究了浮柵型P-FLASH單元隨總劑量的變化規(guī)律及編程擦除時(shí)間對浮柵型P-FLASH單元抗總劑量能力的影響。

2 原理及實(shí)驗(yàn)

2.1 原理

浮柵型P-FLASH器件編程與擦除分別采用帶帶隧穿誘導(dǎo)產(chǎn)生熱電子注入及F-N隧穿效應(yīng)機(jī)理，其編程及擦除機(jī)理如下。

2.1.1 編程

浮柵型P-FLASH器件采用帶帶隧穿誘導(dǎo)產(chǎn)生熱電子注入的編程方式，其器件剖面圖及電子注入機(jī)理能帶分析如圖1所示。P-FLASH器件編程狀態(tài)的各端口偏置情況分別為：Gate 10 V，Sub 0 V，Drain-6 V，Source浮空，其中Drain端電壓為脈沖電壓。如圖1所示，在高場作用下，在漏極與柵極重疊的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對，在漏極負(fù)偏壓的作用下，空穴被漏極收集而形成漏極電流，大部分電子會(huì)被襯底收集形成襯底電流，而其中小部分電子在襯底高電場的作用下不斷加速而獲得足夠高的能量，因而越過氧化層勢壘形成注入電子，從而完成對FLASH器件的編程。在編程過程中，僅有一小部分重疊區(qū)產(chǎn)生的電子會(huì)獲得足夠高的能量而越過氧化層勢壘，因此該編程方式編程效率低，功耗高[9]。

2.1.2 擦除

浮柵型P-FLASH器件擦除采用F-N隧穿機(jī)理，其擦除機(jī)理如圖2所示。P-FLASH器件擦除過程中各端口偏置狀態(tài)為：Gate-17 V，Sub 0 V，Drain浮置，Source 0 V，其中Gate端為脈沖電壓。如圖2所示，在柵極施加負(fù)偏壓，在控制柵及襯底之間形成垂直電場，導(dǎo)致能帶發(fā)生彎曲，浮柵收集的電子在控制柵與襯底形成的垂直電場作用下，通過F-N隧穿的方式穿過氧化層到達(dá)襯底并被襯底收集，從而實(shí)現(xiàn)對FLASH器件的擦除操作。F-N隧穿屬于直接隧穿方式，電子在穿過氧化層的過程中易在氧化層中形成隧穿通道而對氧化層產(chǎn)生損傷，從而導(dǎo)致電子陷阱的產(chǎn)生。隨著擦除次數(shù)的增加，電子陷阱中心在隧道氧化層中累積會(huì)降低電子的隧穿效率。因此，經(jīng)過N次編程/擦除循環(huán)操作后，F(xiàn)LASH器件編程/擦除的速度會(huì)逐漸變慢[10]。

圖1 帶帶隧穿（Band to Band Tunneling）誘導(dǎo)熱電子注入編程機(jī)理示意圖

圖2 F-N擦除機(jī)理示意圖

2.1.3 總劑量電離效應(yīng)

浮柵型FLASH器件總劑量電離效應(yīng)主要表現(xiàn)為閾值電壓（VT）的漂移、關(guān)態(tài)漏電（Ioff）及跨導(dǎo)gm的退化。編程后FLASH單元總劑量電離輻射效應(yīng)損傷機(jī)理主要包括：（1）在隧道氧化層和阻擋氧化層即浮柵外圍介質(zhì)中產(chǎn)生電荷，這些電荷在浮柵電荷產(chǎn)生的電場的作用下注入浮柵中，致使浮柵中凈電荷數(shù)量減少，即空穴注入；（2）在浮柵電荷產(chǎn)生的電場作用下，隧道氧化層中電荷被陷阱俘獲，但由于隧道氧化層很薄，該俘獲對應(yīng)的比例也很??；（3）輻照致光子發(fā)射，浮柵上的電子從電離輻射中獲得的能量超過氧化層勢壘時(shí)，發(fā)射到控制柵或硅襯底，導(dǎo)致浮柵上的電子減少，即電子發(fā)射。擦除后FLASH單元總劑量電離輻射效應(yīng)損傷機(jī)理與編程后類似，包括電子注入和空穴發(fā)射兩個(gè)基本過程。

2.2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選取90 nm浮柵型P-Channel FLASH單元器件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。器件輻照源選取西安原子能研究所鈷60γ射線源對P-FLASH器件進(jìn)行總劑量輻照試驗(yàn)研究，劑量點(diǎn)：50 krad(Si)、100 krad(Si)、150 krad(Si)，劑量率：50 rad(Si)/s。器件輻照過程中，分別采集FLASH輻照前后的轉(zhuǎn)移特性曲線，其編程/擦除態(tài)閾值電壓的測試方法如表1所示。

圖3 P-FLASH浮柵器件結(jié)構(gòu)示意圖

表1 P-FLASH器件閾值電壓測試方法

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

浮柵型P-Channel FLASH單元總劑量電離效應(yīng)研究主要分為以下兩個(gè)方面：（1）浮柵型FLASH器件閾值電壓窗口隨總劑量的變化規(guī)律，并探究了在總劑量輻照過程中浮柵器件開/關(guān)態(tài)特性的變化；（2）編程/擦除時(shí)間對浮柵器件總劑量效應(yīng)的影響，主要探究了不同編程/擦除時(shí)間對浮柵器件閾值電壓漂移量的影響。

3.1 浮柵型P-Channel FLASH單元器件閾值電壓

（VT）窗口與總劑量（TID）的關(guān)系

浮柵型P-FLASH器件編程/擦除態(tài)輻照特性曲線如圖4所示。如圖4（a）所示，隨著總劑量的不斷增大，編程態(tài)P-FLASH器件隨總劑量的變化關(guān)系如下：（1）浮柵型P-FLASH器件閾值電壓VTP向初始態(tài)（負(fù)方向）漂移；（2）浮柵型P-FLASH器件“關(guān)”態(tài)漏電Ioff及“開”態(tài)飽和電流Idsat均無明顯退化；（3）轉(zhuǎn)移特性曲線亞閾值擺幅gm在輻照過程中未發(fā)生明顯退化。如圖4（b）所示，隨著總劑量不斷增大，擦除態(tài)P-FLASH器件隨總劑量的變化關(guān)系如下：（1）浮柵型P-FLASH器件閾值電壓VTE向初始態(tài)（正方向）漂移；（2）浮柵型P-FLASH器件“關(guān)”態(tài)漏電Ioff及“開”態(tài)飽和電流Idsat無明顯退化；（3）轉(zhuǎn)移特性曲線亞閾值擺幅gm在輻照過程中未發(fā)生明顯退化。綜上所述，總劑量的增大僅引起浮柵型P-FLASH器件閾值電壓VT的漂移，器件的“關(guān)”態(tài)漏電Ioff、“開”態(tài)飽和電流Idsat及跨導(dǎo)gm均未發(fā)生明顯退化，因此，浮柵型P-FLASH器件總劑量效應(yīng)僅引起器件閾值電壓的漂移，即總劑量僅引起浮柵器件浮柵內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移[12]。

圖4 浮柵型P-FLASH器件轉(zhuǎn)移特性曲線（I D-V G）隨總劑量（TID）變化趨勢

浮柵型P-FLASH存儲(chǔ)PGM/ERS閾值漂移量隨TID變化關(guān)系如圖5所示。當(dāng)TID=50 krad(Si)時(shí)，擦除態(tài)閾值漂移量ΔVTE約為0.35～0.46 V左右，編程態(tài)閾值漂移量 ΔVTP約為 0.94～1.11 V左右；當(dāng) TID=100 krad(Si)時(shí)，擦除態(tài)閾值漂移量ΔVTE約為0.59～1.03 V左右，編程態(tài)閾值漂移量 ΔVTP約為1.57～1.81 V左右；當(dāng)TID=150 krad(Si)時(shí)，擦除態(tài)閾值漂移量ΔVTE約為1.03～1.38 V左右，編程態(tài)閾值漂移量VTP約為2.27～2.50 V左右。如圖所示，浮柵型P-FLASH器件其閾值電壓漂移量隨總劑量的變化曲線近似為線性關(guān)系，對于編程態(tài)P-FLASH器件，總劑量每增加100 krad（Si），器件閾值電壓漂移量ΔVTP增加-1.37 V；對于擦除態(tài)P-FLASH器件，總劑量每增加100krad（Si），器件閾值電壓漂移量 ΔVTE增加 0.80V。

3.2 浮柵型P-FLASH器件編程與擦除時(shí)間對總劑量電離效應(yīng)的影響

本文分別研究了浮柵型P-FLASH器件編程與擦除時(shí)間對器件總劑量的影響，采用1/10編程脈沖分別對浮柵器件進(jìn)行編程/擦除操作，然后研究浮柵器件在同一輻照環(huán)境下的總劑量效應(yīng)。

圖5 浮柵型P-FLASH存儲(chǔ)單元編程態(tài)/擦除態(tài)閾值電壓漂移量與總劑量的關(guān)系

3.2.1 編程態(tài)浮柵型P-FLASH器件編程時(shí)間對總劑量效應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)分別采用1個(gè)/10個(gè)編程脈沖對浮柵型P-FLASH器件進(jìn)行編程操作，各選取3只（編程態(tài)1/編程態(tài)2）浮柵器件在同一輻照環(huán)境下進(jìn)行總劑量輻照。輻照后編程態(tài)浮柵型P-FLASH器件轉(zhuǎn)移特性曲線如圖6所示，器件閾值電壓的漂移量ΔVTP如表2所示。

圖6 不同編程脈沖數(shù)量下浮柵型P-FLASH器件轉(zhuǎn)移特性曲線

由圖6可得，在總劑量輻照過程中：（1）增加編程脈沖數(shù)量可有效降低浮柵型P-FLASH器件閾值電壓的漂移量；（2）兩種編程脈沖條件下，浮柵器件的“關(guān)”態(tài)漏電Ioff、“開”態(tài)飽和電流Idsat及跨導(dǎo)gm均未發(fā)生明顯退化，即編程脈沖數(shù)量的增加不會(huì)導(dǎo)致器件輻照機(jī)理的改變。如表2所示：（1）增加編程脈沖數(shù)量，可提高浮柵器件的編程效率，編程態(tài)2比編程態(tài)1閾值電壓提高了約1.2 V左右；（2）輻照過程中，編程態(tài)2器件閾值電壓漂移量較編程態(tài)1小約0.7 V左右。如前2.1.3節(jié)所述，編程態(tài)浮柵型FLASH器件的總劑量輻照機(jī)制主要是空穴的注入及電子的發(fā)射，在空穴的注入過程中伴隨著與隧道氧化層陷阱中心的符合；而隨著編程脈沖數(shù)量的增加，溝道中的熱電子會(huì)不斷地注入到浮柵中，這部分高能電子會(huì)導(dǎo)致隧道氧化層的不斷退化，即在隧道氧化層與硅襯底界面處引入更多的界面電子陷阱中心，大大增加由輻照所產(chǎn)生空穴被復(fù)活的概率，從而降低了空穴向浮柵內(nèi)的注入，導(dǎo)致編程態(tài)2浮柵器件閾值電壓漂移量變小[13]。

表2 不同編程脈沖數(shù)量條件下浮柵型P-FLASH器件閾值電壓的漂移量

3.2.2 擦除態(tài)浮柵型P-FLASH器件編程時(shí)間對總劑量效應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)分別采用1/10個(gè)擦除脈沖對浮柵型P-FLASH器件進(jìn)行擦除操作，各選取3只（擦除態(tài)1/擦除態(tài)2）浮柵器件在同一輻照環(huán)境下進(jìn)行總劑量輻照。輻照后擦除態(tài)浮柵型P-FLASH器件轉(zhuǎn)移特性曲線如圖7所示，器件閾值電壓的漂移量ΔVTE如表3所示。

圖7 不同擦除脈沖數(shù)量下浮柵型P-FLASH器件轉(zhuǎn)移特性曲線

如圖7所示，在總劑量輻照過程中：（1）增加編程脈沖數(shù)量，可有效增加浮柵型P-FLASH器件閾值電壓的漂移量；（2）兩種編程脈沖條件下，浮柵器件的“關(guān)”態(tài)漏電電流Ioff、“開”態(tài)飽和電流Idsat及跨導(dǎo)gm均未發(fā)生明顯退化，即編程脈沖數(shù)量的增加同樣不會(huì)導(dǎo)致器件輻照機(jī)理的改變。如表3所示：（1）增加編程脈沖數(shù)量，可提高浮柵器件的編程效率，編程態(tài)2比編程態(tài)1閾值電壓提高了約1.2 V左右；（2）輻照過程中，編程態(tài)2器件閾值電壓漂移量較編程態(tài)1小約0.6 V左右。如前2.1.3節(jié)所述，擦除態(tài)浮柵型FLASH器件的總劑量輻照機(jī)制主要是電子的注入及空穴的發(fā)射，浮柵型FLASH器件擦除采用F-N直接隧穿的方式，擦除過程中高能電子直接隧穿通過氧化層，會(huì)對氧化層產(chǎn)生損傷進(jìn)而引入更多的電子陷阱中心；在輻照環(huán)境下，隧道氧化層中的電子陷阱中心極易在浮柵電荷電場作用下注入到浮柵中，從而加劇擦除態(tài)浮柵器件閾值電壓的漂移量，因此導(dǎo)致編程態(tài)2浮柵器件閾值電壓漂移量變大[13]。

表3 不同擦除脈沖數(shù)量條件下浮柵型P-FLASH器件閾值電壓的漂移量

4 結(jié)論

本文研究了90 nm浮柵型P-Channel FLASH單元的總劑量電離輻射效應(yīng)，主要研究了FLASH單元隨總劑量增加的變化規(guī)律及編程/擦除時(shí)間對FLASH單元抗總劑量能力的影響。研究表明：（1）隨著總劑量的增加，浮柵型P-FLASH器件“開”態(tài)驅(qū)動(dòng)能力（Idsat）、“關(guān)”態(tài)漏電（Ioff）及跨導(dǎo)（gm）未發(fā)生明顯退化，但擦除/編程態(tài)的閾值窗口明顯減小，且呈現(xiàn)編程態(tài)閾值電壓（VTP）下降幅度較擦除態(tài)（VTE）快的特征；（2）編程/擦除時(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致FLASH單元閾值電壓漂移量，對于編程態(tài)FLASH單元，編程時(shí)間的增大導(dǎo)致閾值電壓漂移量增大，而對于擦除態(tài)器件FLASH單元，擦除時(shí)間的增加導(dǎo)致閾值電壓漂移量減小。綜上所述：（1）總劑量的增加僅引起浮柵型P-FLASH單元閾值電壓的漂移，即浮柵內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移；（2）編程/擦除時(shí)間的增加導(dǎo)致FLASH單元閾值電壓漂移量的差異，主要是由于編程/擦除應(yīng)力時(shí)間的增加，導(dǎo)致隧道氧化層及界面處陷阱電荷的引入所引起的。