浮柵器件和普通NMOS器件總劑量效應(yīng)對比研究

董 藝，沈鳴杰，劉 岐

（上海復(fù)旦微電子集團(tuán)股份有限公司，上海 200433）

0 引言

衛(wèi)星集成電路在空間環(huán)境中會受到電離輻射的影響，產(chǎn)生總劑量效應(yīng)[1]?？倓┝啃?yīng)會在集成電路的二氧化硅層產(chǎn)生大量的電子?空穴對并導(dǎo)致界面態(tài)效應(yīng)。集成電路中的NMOS器件對這些效應(yīng)比較敏感，在總劑量效應(yīng)下，NMOS器件會出現(xiàn)漏電流增加以及閾值電壓變化，嚴(yán)重影響器件特性，并使得集成電路的性能和功能出現(xiàn)異常，進(jìn)而導(dǎo)致衛(wèi)星系統(tǒng)無法正常工作[2]。

普通集成電路中的器件以PMOS和NMOS器件為主，但對于Flash[3-5]產(chǎn)品來說，其主要組成單元是存放數(shù)據(jù)的浮柵器件，圍繞浮柵器件的電路稱為外圍電路。外圍電路主要包括用于算法控制的數(shù)字電路和用于高壓擦寫的高壓電路，前者主要由低壓MOS器件組成，后者主要由高壓MOS器件組成。以上不同類型的器件在電離輻射條件下會產(chǎn)生不同的特性變化，特別是Flash產(chǎn)品所特有的浮柵器件的總劑量效應(yīng)，需要抗輻射Flash產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者予以特別關(guān)注。

本文對Flash產(chǎn)品中的多種器件開展總劑量輻照試驗(yàn)，搜集數(shù)據(jù)，以展示不同類型器件對總劑量輻照所產(chǎn)生的不同效應(yīng)，特別是浮柵器件在總劑量輻照下產(chǎn)生的獨(dú)特效應(yīng)。

1 低壓NMOS器件總劑量效應(yīng)

選取某應(yīng)用NOR Flash工藝的低壓NMOS器件作為試驗(yàn)對象。該NMOS器件柵氧化層厚度為7 nm，測試芯片中采用100個NMOS器件進(jìn)行并聯(lián)，每個 NMOS 器件的W/L=4 μm/0.39 μm。衛(wèi)星長期穩(wěn)定在軌工作，至少要能耐受31 krad(Si)的總劑量，再考慮到設(shè)計(jì)余量，會要求宇航用器件的抗總劑量輻射能力至少達(dá)到100 krad(Si)[6]。因此本試驗(yàn)累計(jì)總劑量做到100 krad(Si)，并再追加50 krad(Si)到累計(jì)150 krad(Si)。試驗(yàn)中采用的劑量率為50 rad/s?？倓┝枯椪蘸筮M(jìn)行100 ℃的退火，退火時間依次為24、72、168 h。試驗(yàn)采用加電輻照，對器件的柵端施加3.6 V電壓，輻照后分別對低壓NMOS器件的漏電流和閾值電壓進(jìn)行測量。以上試驗(yàn)方法依據(jù)了相關(guān)航天標(biāo)準(zhǔn)[7]。同時高/低壓NMOS器件和浮柵MOS器件在工藝上同屬于NMOS結(jié)構(gòu)類型器件，因此試驗(yàn)可采用同樣的方法進(jìn)行。整個試驗(yàn)過程為：總劑量輻照在中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所進(jìn)行，輻照時器件放置在自制偏置板上以保證偏置；輻照完成后回上海復(fù)旦微電子集團(tuán)股份有限公司的測試間進(jìn)行器件性能測試。主要試驗(yàn)設(shè)備包括鈷60射線源、PK2存儲器專用測試機(jī)和穩(wěn)壓電源E3631A。試驗(yàn)測試內(nèi)容包括靜態(tài)總劑量試驗(yàn)下被測NMOS器件的主要表征參數(shù)，如漏端電流、MOS器件閾值電壓。

低壓NMOS器件漏電流在總劑量輻照前后的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。漏電流測量時NMOS器件的柵端接0 V，漏端接3.6 V。試驗(yàn)樣品中，1#和2#沒有采用任何抗總劑量加固設(shè)計(jì)，3#和4#采用了環(huán)柵的抗總劑量版圖加固設(shè)計(jì)。

表1 低壓NMOS器件漏電流的總劑量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 TID test result of low voltage NMOS leakage current

測試數(shù)據(jù)中的負(fù)值是由于在所測量電流過小接近于0 nA的情況下，PK2機(jī)臺測試電流會由于精度問題出現(xiàn)不低于-20 nA的負(fù)值。從表1試驗(yàn)結(jié)果看出，采用環(huán)柵加固后的低壓NMOS器件在總劑量輻照后漏電流沒有任何增加，但不進(jìn)行加固的器件在總劑量100 krad(Si)和150 krad(Si)下漏電流增加劇烈[8]。該試驗(yàn)中對漏電流上限進(jìn)行了2.5 μA的限流，因此測試值最大只到2499 nA。未加固的低壓NMOS器件經(jīng)過總劑量輻照后只要經(jīng)過24 h以內(nèi)的退火，漏電流即迅速恢復(fù)到輻照前的量值。

表2 低壓NMOS器件閾值電壓的總劑量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 TID test result of low voltage NMOS threshold voltage

從表2試驗(yàn)結(jié)果看出，采用環(huán)柵加固后的低壓NMOS器件在總劑量輻照后，閾值電壓幾乎無變化，不進(jìn)行加固的器件在總劑量100 krad(Si)輻照后在漏電流的影響下其等效閾值電壓有明顯下降，繼續(xù)追加輻照劑量到150 krad(Si)后其等效閾值有輕微下降。未加固的低壓NMOS器件經(jīng)過總劑量輻照后只要經(jīng)過24 h以內(nèi)的退火，其閾值電壓即迅速恢復(fù)，恢復(fù)的機(jī)理是由于總劑量輻照過程中產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷在退火過程中消失[9]。同時試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了環(huán)柵設(shè)計(jì)對低壓MOS器件總劑量效應(yīng)的抑制作用，為相關(guān)產(chǎn)品的抗總劑量設(shè)計(jì)提供了參考。

2 高壓NMOS器件總劑量效應(yīng)

選取某NOR Flash工藝的高壓NMOS器件作為試驗(yàn)對象。該NMOS器件柵氧化層厚度為16 nm，測試芯片中采用100個NMOS進(jìn)行并聯(lián)，每個NMOS 的W/L=4 μm/0.62 μm。整個總劑量試驗(yàn)方法和第1章低壓NMOS器件的相同。

高壓NMOS器件漏電流在總劑量輻照前后的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。漏電流測量時NMOS器件的柵端接0 V，漏端接9 V。試驗(yàn)樣品中，1#和2#沒有采用任何抗總劑量加固設(shè)計(jì)，3#和4#采用了環(huán)柵的抗總劑量版圖加固設(shè)計(jì)。

表3 高壓NMOS器件漏電流的總劑量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 TID test result of high voltage NMOS leakage current

從表3試驗(yàn)結(jié)果看出，采用環(huán)柵加固后的高壓NMOS器件在總劑量輻照后漏電流沒有任何增加，但不進(jìn)行加固的器件在總劑量100 krad(Si)和150 krad(Si)的輻照下漏電流增加劇烈[8]。該試驗(yàn)中對漏電流上限進(jìn)行了2.5 μA的限流，因此測試值最大只到2499 nA。未加固的高壓NMOS器件經(jīng)過總劑量輻照后進(jìn)行24 h以內(nèi)的退火，漏電流無法恢復(fù)到初始值，在退火進(jìn)行到168 h后漏電流能恢復(fù)到初始值。

高壓NMOS器件閾值電壓在總劑量輻照前后的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。閾值測量方法同低壓NMOS器件。

表4 高壓NMOS器件閾值電壓的總劑量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 TID test result of high voltage NMOS threshold voltage

從表4試驗(yàn)結(jié)果看出，采用環(huán)柵加固后的高壓NMOS器件閾值電壓在總劑量輻照后有輕微下降，隨著退火的進(jìn)行，器件閾值電壓會恢復(fù)且最終會高于初始值。不進(jìn)行加固的器件在總劑量100krad(Si)輻照后由于漏電流的影響其等效閾值電壓有明顯的降低，追加輻照總劑量到150 krad(Si)后其等效閾值電壓不變。未加固的高壓NMOS器件隨著退火的進(jìn)行，其閾值電壓會恢復(fù)且最終會高于初始值，恢復(fù)的機(jī)理是由于總劑量輻照過程中產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷在退火過程中消失[9]。但該器件退火恢復(fù)所需要的時間比低壓NMOS器件的要長。同時試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了環(huán)柵設(shè)計(jì)對高壓MOS器件總劑量效應(yīng)的抑制作用，為相關(guān)產(chǎn)品的抗總劑量設(shè)計(jì)提供了參考。

3 浮柵器件總劑量效應(yīng)

選取某NOR Flash工藝的浮柵器件作為試驗(yàn)對象。浮柵器件結(jié)構(gòu)基于NMOS器件，在單柵的NMOS器件結(jié)構(gòu)中加入了一個被隔離的浮柵作為電荷存儲介質(zhì)。浮柵下面的隧道氧化層是編程和擦除時電子出入浮柵的通路。浮柵器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)所用的浮柵隧道氧化層厚度為10 nm。整個總劑量試驗(yàn)方法和前文的低壓NMOS器件相同。

圖1 浮柵器件結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of the floating gate device

進(jìn)行試驗(yàn)的浮柵器件編號為5#和6#，均沒有進(jìn)行任何抗總劑量加固設(shè)計(jì)。浮柵器件電流在總劑量輻照前后的測試結(jié)果如表5所示。測試中對浮柵器件的柵端加2.8 V電壓，漏端加0.1 V電壓以測量浮柵器件的電流。

334例住院患者地高辛血藥濃度監(jiān)測結(jié)果及影響因素分析…………………………………………………… 錢懿軼等（13）：1816

表5 總劑量輻照前后浮柵器件的電流值Table 5 TID test result of floating gate device current

表5中電流的變化反映了浮柵器件閾值隨著總劑量輻照試驗(yàn)進(jìn)行而產(chǎn)生的變化趨勢。為了更直觀地看出浮柵器件閾值電壓的變化，采用掃描浮柵器件柵端電壓的方式來得到浮柵器件的閾值電壓，閾值判斷點(diǎn)為漏端施加0.1 V電壓時電流達(dá)到1 μA（浮柵單元尺寸小且是單一器件，因此判斷點(diǎn)電流小于第1章低壓NMOS器件的）。由此得到的浮柵器件閾值電壓在總劑量輻照前后的測試結(jié)果如表6所示。

表6 總劑量輻照前后浮柵器件的閾值電壓Table 6 TID test result of floating gate device threshold voltage

對于該工藝的NOR Flash浮柵器件，器件初始閾值2.84 V是處于低閾值的擦除狀態(tài)，即處于“1”狀態(tài)；相對的，器件閾值如果處于高閾值的編程狀態(tài)則被定義為“0”狀態(tài)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，處于擦除態(tài)的浮柵器件的總劑量效應(yīng)明顯不同于普通的NMOS器件。普通NMOS器件的閾值電壓會隨著輻照總劑量的增加而降低，但浮柵器件的閾值電壓會隨著輻照總劑量的增加而持續(xù)升高，閾值變化幅度和輻照總劑量成正比；總劑量試驗(yàn)后的退火無法使得器件閾值向著初始閾值方向降低，反而隨著退火的進(jìn)行持續(xù)升高（在退火過程中沒有施加任何擦寫電壓）。高、低壓NMOS器件和浮柵器件的閾值電壓在總劑量試驗(yàn)中的變化趨勢對比見圖2。

圖2 總劑量輻照中各種器件閾值電壓變化對比Fig. 2 Comparison among threshold voltage of floating gate device and MOS devices after TID irradiation

4 對比分析

浮柵器件在總劑量輻照后產(chǎn)生的效應(yīng)完全不同于普通NMOS器件。這主要是由于兩方面的原因造成的：

一方面，總劑量效應(yīng)在二氧化硅中產(chǎn)生大量電子?空穴對，電子會被快速掃出氧化層。本試驗(yàn)結(jié)果不能確定全部電子都定向進(jìn)入浮柵，但從浮柵器件閾值電壓持續(xù)升高的現(xiàn)象能確認(rèn)，其中一部分電子會注入浮柵。對于浮柵器件來說，將電子進(jìn)入浮柵從而提高浮柵器件閾值電壓稱為編程效應(yīng)，而將電子離開浮柵從而降低浮柵閾值電壓稱為擦除效應(yīng)，因此以上效應(yīng)相當(dāng)于對浮柵器件產(chǎn)生了編程并提高了浮柵器件的閾值電壓。隨著總劑量的增加，電子?空穴對不停地產(chǎn)生，電子持續(xù)注入浮柵?？倓┝吭囼?yàn)停止后，由于浮柵保存電子的特性，所以浮柵內(nèi)的電子數(shù)量永遠(yuǎn)保持在總劑量試驗(yàn)停止的那一刻，后續(xù)即使進(jìn)行退火，也不可能將浮柵內(nèi)的電子趕出浮柵，因而退火后浮柵器件閾值電壓繼續(xù)升高?？倓┝吭囼?yàn)中會采用過輻照50%加退火進(jìn)行試驗(yàn)[9]；但對于浮柵器件來說，過輻照50%產(chǎn)生的影響是完全無法通過退火恢復(fù)的，因此過輻照50%加退火的總劑量試驗(yàn)對于浮柵器件來說是過嚴(yán)的試驗(yàn)。

另一方面，浮柵器件的浮柵下存在隧道氧化層，會在總劑量下產(chǎn)生和普通NMOS器件相同的效應(yīng)，即NMOS器件的氧化層中由于電子?空穴對的產(chǎn)生出現(xiàn)氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷，會造成浮柵器件的閾值電壓降低；但對于起始閾值為2.84 V的浮柵器件來說，電子注入浮柵造成的閾值電壓升高幅度大于陷阱電荷造成的閾值電壓降低幅度，因此表現(xiàn)出浮柵器件整體閾值升高。和普通NMOS器件相類似，陷阱電荷引起閾值電壓降低的效應(yīng)能通過高溫退火恢復(fù)。正是由于這個特性，造成了經(jīng)歷150 krad(Si)總劑量試驗(yàn)后的浮柵器件在退火過程中其閾值電壓表現(xiàn)為繼續(xù)持續(xù)上升。

由于以上兩方面的原因，在對浮柵器件進(jìn)行總劑量并追加退火的試驗(yàn)過程中，器件表現(xiàn)出隨著總劑量的增加以及退火的進(jìn)行，其閾值電壓一直持續(xù)上升且不會出現(xiàn)向初始態(tài)恢復(fù)降低的現(xiàn)象。相對而言，NMOS器件在同樣的試驗(yàn)條件下則表現(xiàn)出隨著總劑量的增加其閾值電壓降低；但隨著退火進(jìn)行，閾值電壓會恢復(fù)升高。

對該NOR Flash工藝上的實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行普通編程操作可以發(fā)現(xiàn)，施加2 μs的電編程脈沖可以將2.8 V的浮柵器件閾值電壓提高到6 V以上。而經(jīng)過總劑量150 krad(Si)輻照并追加退火后浮柵器件的閾值電壓從2.84 V僅提高到3.04 V，相對于一般的電編程操作，總劑量輻照引起閾值電壓提升的幅度小得多。因此在總劑量輻照下，浮柵器件所產(chǎn)生的編程效應(yīng)是一種弱編程效應(yīng)。該弱編程效應(yīng)引起擦除態(tài)浮柵器件閾值提高的效應(yīng)符合相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果[10]。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可參考該浮柵器件閾值電壓變化的幅度，在進(jìn)行NOR Flash產(chǎn)品的抗總劑量設(shè)計(jì)時選擇合適的浮柵器件閾值窗口以及合適的非揮發(fā)配置位結(jié)構(gòu)等。

5 結(jié)束語

本文針對NOR Flash工藝中的幾類代表性器件進(jìn)行了總劑量輻照試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)，NOR Flash工藝中高壓NMOS器件在總劑量試驗(yàn)后通過退火恢復(fù)所需的時間比低壓NMOS器件的要長，采用環(huán)柵加固可以有效抑制高、低壓NMOS器件的總劑量效應(yīng)。而浮柵器件由于其特有的隔離浮柵結(jié)構(gòu)，會在總劑量輻照中被注入電子而產(chǎn)生特有的弱編程效應(yīng)，并且退火不能使得該效應(yīng)所產(chǎn)生的影響恢復(fù)，即浮柵器件表現(xiàn)出明顯不同于其他NMOS器件的總劑量效應(yīng)。

本文的試驗(yàn)結(jié)果可以作為抗輻射Flash器件抗總劑量加固設(shè)計(jì)的依據(jù)。