55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅閃存單元的γ射線和X射線電離總劑量效應(yīng)研究

曹楊 習(xí)凱 徐彥楠 李梅 李博 畢津順? 劉明

1) (中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

2) (中國科學(xué)院微電子研究所, 北京 100029)

(2018 年 9 月 5 日收到; 2018 年 12 月 18 日收到修改稿)

基于60Co-γ射線和 10 keV X 射線輻射源, 系統(tǒng)地研究了 55 nm 硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅閃存單元的電離總劑量效應(yīng), 并特別關(guān)注其電學(xué)特性退化的規(guī)律與物理機制. 總劑量輻照引起閃存單元I- V特性曲線漂移、存儲窗口變小和靜態(tài)電流增大等電學(xué)特性的退化現(xiàn)象, 并對其數(shù)據(jù)保持能力產(chǎn)生影響. 編程態(tài)閃存單元的Id- Vg曲線在輻照后顯著負向漂移, 而擦除態(tài)負向漂移幅度較小. 對比兩種射線輻照, 擦除態(tài)的Id- Vg曲線漂移方向不同. 相比于擦除態(tài), 富含存儲電子的編程態(tài)對總劑量輻照更為敏感; 且相比于60Co-γ射線, 本文觀測到了顯著的X射線劑量增強效應(yīng). 利用TCAD和Geant 4工具, 從能帶理論詳細討論了55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅閃存單元電離總劑量效應(yīng)和損傷的物理機制, 并模擬和深入分析了X射線的劑量增強效應(yīng).

1 引 言

隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的持續(xù)微縮, 傳統(tǒng)浮柵型閃存面臨嚴重的隧穿氧化層漏電和存儲單元間的串?dāng)_等問題[1,2], 而基于氮化硅的硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅技術(shù)(silicon-oxide-nitride-oxidesilicon, SONOS)可以有效抑制和解決上述瓶頸問題. SONOS具有分立的電荷存儲能力、低操作電壓和更好的耐受性/保持能力, 制程簡單并與互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary-metal-oxidesemiconductor, CMOS)工藝兼容等優(yōu)勢[3?6]. 其結(jié)構(gòu)中富含深能級陷阱的無定形氮化硅層用來存儲電子和空穴, 當(dāng)單一缺陷導(dǎo)致的漏電路徑產(chǎn)生時,存儲層可以保留絕大部分電荷, 從而避免存儲信息的丟失及器件功能的失效[7].

應(yīng)用于空間環(huán)境的存儲器件需要面對極端惡劣的輻射環(huán)境, 各種高能帶電粒子(如電子、質(zhì)子和重離子)與射線會對器件的功能、性能和可靠性產(chǎn)生顯著影響[8]. 通常主要關(guān)注電離總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)等. 電離總劑量效應(yīng)會引起器件閾值電壓漂移、漏電增加、噪聲增加和電子遷移率降低等退化, 甚至造成器件失效[9,10]. 國內(nèi)外學(xué)者已對浮柵型閃存的輻射效應(yīng)開展了大量研究工作, 包括存儲單元、或非門(NOR)和與非門(NAND)電路等[11?15].Snyder等[16]指出, 引起浮柵型閃存中輻射誘發(fā)閾值電壓漂移的機制主要包括: 1)周圍氧化層中產(chǎn)生的電荷注入至浮柵; 2)隧穿氧化層中的電荷俘獲; 3)浮柵中載流子的光電效應(yīng). Northrop Grumman和Cypress等公司在高可靠SONOS閃存研制方面開展了系統(tǒng)性的工作[17?19]. 0.13 μm 技術(shù)節(jié)點的SONOS存儲單元具有良好的抗總劑量輻照能力[20,21]. 得益于較寬的存儲窗口, 新型三維環(huán)柵納米線SONOS閃存單元可承受1 Mrad(Si)的總劑量輻照[22]. 然而, 當(dāng)前國內(nèi)外對納米級SONOS閃存單元的輻射效應(yīng)研究仍較少, 且通常基于單一輻射源, 鮮有研究不同輻射源對其電離總劑量效應(yīng)影響的報道.

本文首先介紹SONOS閃存單元的測試結(jié)構(gòu)和總劑量輻照實驗及流程, 重點研究60Co-γ射線源和10 keV X射線源對閃存單元I- V特性曲線、存儲窗口和靜態(tài)電流的影響, 然后基于TCAD和Geant 4工具, 仿真分析和討論SONOS閃存器件退化機理, 并模擬和深入分析兩種射線的劑量增強效應(yīng).

2 器件和實驗條件

測試結(jié)構(gòu)為基于超低功耗55 nm CMOS工藝的2 × 2位NOR型閃存單元微陣列, 每個閃存單元由2個晶體管(2T)結(jié)構(gòu)組成, 即存儲晶體管(memory transistor, MT)串聯(lián)選擇晶體管 (select transistor, ST). 圖 1給出了微陣列的原理圖和閃存單元的透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)橫截面. 每個閃存單元有五個端口, 即 WLS, WL, BL, SL 和 B, 其中 WLS 和 BL 分別對應(yīng)MT的柵極(G)和漏極(D). MT為SONOS型閃存器件, 其基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示, ST為MOSFET. MT和ST均為n型溝道晶體管, 因此在測量Id-Vg曲線時, ST要保持在強開啟狀態(tài)以保證閃存單元被選擇.

圖1 (a) SONOS 結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 2 × 2 位的閃存單元微陣列及其TEM橫截面Fig.1. (a) Diagram of SONOS structure; (b) 2 × 2 bit flash cells mini-array and the TEM cross-section.

室溫下, 基于Agilent B1500A半導(dǎo)體器件分析儀對測試結(jié)構(gòu)進行電性測量. 輻照前, 利用Fowler-Nordheim隧穿機制預(yù)先對閃存單元進行編程 (PGM)或擦除 (ERS)操作, 具體條件如表1所列. 讀操作(READ)時, ST開啟(對應(yīng)柵壓為 2.5 V), MT 漏極偏置為 0.6 V. 從?3 V 至 3 V掃描 MT的柵壓, 當(dāng)其漏電流達到 1 μA時, 對應(yīng)的MT柵極電壓定義為閾值電壓Vth. 存儲窗口定義為編程態(tài)和擦除態(tài)存儲單元Vth之差.Istand-by定義為且柵壓Vg(VWLS) = 0 V 時的漏極讀取電流 (通常靜態(tài)電流定義為各個端口均不施加偏壓時的Id, 本測試中讀取時需要施加VWL以保證閃存單元被選擇,VBL則是測試機臺固定設(shè)置).

表1 SONOS 閃存單元的操作條件Table 1. Operation conditions of the SONOS single flash cell.

基于60Co-γ射線源的總劑量輻照實驗在北京師范大學(xué)進行, 輻照劑量率為 100 rad(Si)/s, 輻照過程中未施加電學(xué)偏置, 輻照后離線移位測試電學(xué)特性; 基于10 keV X射線源的總劑量輻照實驗在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所進行, 輻照劑量率為100 rad(Si)/s, 輻照后在線原位測試電學(xué)特性.

3 總劑量輻照實驗

3.1 60Co-γ射線輻射源

圖2給出了60Co-γ射線源輻照下SONOS閃存單元Id-Vg曲線的變化規(guī)律. 輻照后, 編程態(tài)SONOS閃存單元的Id-Vg曲線負向漂移, 而擦除態(tài)對應(yīng)的曲線則正向漂移. 為直觀比較閃存單元的抗輻照能力, 圖3(a)給出了總劑量輻照引起的編程態(tài)和擦除態(tài)的Vth漂移.Vth在60Co-γ射線下的變化較為平緩, 輻照總劑量達到 300 krad(Si)時, 編程態(tài)Vth較初始減小69.2%, 而擦除態(tài)Vth增大10.0%,存儲窗口減小27.9%. 輻照總劑量在100 krad(Si)以下時存儲窗口的變化顯著, 而在100—300 krad(Si)區(qū)間的變化較平緩. 除Vth漂移外, 總劑量輻照也導(dǎo)致閃存單元的Istand-by發(fā)生變化, 如圖3(b)所示.60Co-γ 射線下的Istand-by變化平緩, 輻照總劑量達到300 krad(Si)時, 編程態(tài)和擦除態(tài)Istand-by變化均小于一個數(shù)量級.

圖 2 60Co-γ射線總劑量輻照后 , 編程態(tài)和擦除態(tài)的SONOS閃存單元的I-V特性變化規(guī)律Fig.2. I-V characteristics of the programmed and erased single SONOS flash cell after total ionizing dose irradiation by 60Co-γ rays.

圖3 編程態(tài)和擦除態(tài)閃存單元的(a)閾值電壓和歸一化的存儲窗口, 以及(b)靜態(tài)電流隨60Co-γ射線總劑量輻照的變化規(guī)律Fig.3. (a) Threshold voltage and normalized memory window, and (b) stand-by current of the programmed and erased single flash cell after total ionizing dose irradiation by 60Co-γ rays.

3.2 10 keV X射線輻射源

圖4給出了10 keV X射線源輻照下SONOS閃存單元Id-Vg曲線的變化規(guī)律. 編程態(tài)閃存單元的Id-Vg曲線在輻照后顯著負向漂移, 而擦除態(tài)負向漂移幅度較小. 對比兩種射線輻照, 擦除態(tài)的Id-Vg曲線漂移方向不同. 隨10 keV X射線輻照總劑量增至 150 krad(Si),Vth變化顯著, 編程態(tài)Vth減小248.4%, 擦除態(tài)Vth減小11.1%, 存儲窗口減小60.7%, 如圖 5(a)所示. 擦除態(tài)Istand-by基本無變化,而編程態(tài)Istand-by上升了5個數(shù)量級, 如圖5(b)所示.

圖4 輻射源為 10 keV X 射線下編程態(tài)和擦除態(tài)閃存單元的I-V特性變化規(guī)律Fig.4. I-V characteristics of the programmed and erased single flash cell after total ionizing dose irradiation by 10 keV X-rays.

4 器件退化機理分析

由上述60Co-γ 射線源和 10 keV X 射線源總劑量輻照后編程態(tài)和擦除態(tài)SONOS閃存單元的IV特性, 以及提取的Vth和Istand-by可知: 定性而言, 不同輻射源對器件的電學(xué)特性影響趨勢基本一致, 即表現(xiàn)為閾值電壓漂移、存儲窗口減小和漏電增大; 但定量而言,60Co-γ射線下器件電學(xué)特性和參數(shù)退化較小, 當(dāng)輻照總劑量達到300 krad(Si)時, 與輻照前相比, 編程態(tài)Vth減小 69.2%, 擦除態(tài)Vth增大10.0%, 編程態(tài)和擦除態(tài)Istand-by的變化均小于一個數(shù)量級. 閃存單元對10 keV X射線的總劑量輻照則更為敏感, 當(dāng)輻照總劑量達到150 krad(Si)時, 與輻照前相比, 編程態(tài)Vth減小248.4%, 擦除態(tài)Vth增大 11.1%, 擦除態(tài)Istand-by無明顯變化, 但編程態(tài)Istand-by增大了5個數(shù)量級.

圖5 編程態(tài)和擦除態(tài)閃存單元的(a)閾值電壓和歸一化的存儲窗口, 以及(b)靜態(tài)電流隨10 keV X射線總劑量輻照的變化規(guī)律Fig.5. (a) Threshold voltage and normalized memory window, and (b) stand-by current of the programmed and erased single flash cell after total ionizing dose irradiation by 10 keV X-rays.

在測試過程中, MOS結(jié)構(gòu)的ST均處于強開啟狀態(tài), 總劑量輻照對ST的影響在單元級特性研究中不明顯, 因此本文著重討論總劑量輻照對SONOS 結(jié)構(gòu) MT 的影響. 為研究 55 nm SONOS閃存單元電離總劑量效應(yīng)的物理機理(以編程態(tài)為例), 利用 Sentaurus TCAD 工具構(gòu)建了 MT 的SONOS器件結(jié)構(gòu), 并獲得編程態(tài)SONOS結(jié)構(gòu)能帶圖, 分別如圖6和圖7所示. 輻照誘發(fā)編程態(tài)SONOS器件I-V特性退化的機制主要為圖7所示的5個子物理過程:

1) 柵極材料吸收輻照能量, 氮化硅層中產(chǎn)生電子-空穴對. 小尺寸SONOS器件的隧穿氧化層和阻擋氧化層很薄(< 5 nm), 其內(nèi)的輻照誘發(fā)電子-空穴對數(shù)量很少, 可忽略不計[23];

2) 氮化硅層中存儲的大量電子導(dǎo)致其電勢較柵極和襯底低, 產(chǎn)生內(nèi)建電場E1,E2, 將 1)產(chǎn)生的電子-空穴對中的電子掃出氮化硅層, 部分越過隧穿氧化層和阻擋氧化層, 進入柵極或襯底;

3) 由1)產(chǎn)生的電子-空穴對中的空穴緩慢移動到Si3N4/SiO2界面, 被俘獲形成陷阱電荷和界面態(tài);

4) 部分電子或空穴重新被氮化硅層中的陷阱俘獲, 形成電子或空穴的積累;

5) 存儲在氮化硅層中的電子吸收輻照能量,被激發(fā)到導(dǎo)帶.

圖 6 在 Sentaurus TCAD 中構(gòu)建MT的SONOS 結(jié)構(gòu),其主要物理參數(shù)來自于圖1中的TEM截面信息Fig.6. Diagram of MT’s SONOS structure constructed in Sentaurus TCAD tool, with main physical parameters derived from the cross-section TEM information in Fig.1.

圖7 基于圖 6 獲得編程態(tài) SONOS 器件能帶圖, 并標示出其電離總劑量效應(yīng)的子物理過程Fig.7. Energy band diagram of programmed SONOS device based on Fig.6, which illustrates sub-physical processes of total ionizing dose effect.

上述編程態(tài)器件退化機制中, 導(dǎo)致SONOS閃存單元的閾值電壓降低、I-V特性曲線負向漂移的主要原因包括: 氮化硅層中存儲電子的損失、輻照誘發(fā)的電荷積累和界面態(tài). 擦除態(tài)器件退化機制與編程態(tài)類似, 不同之處在于存儲電荷為空穴, 內(nèi)建電場方向與圖7中E1,E2相反, 退化表現(xiàn)為閾值電壓升高、I-V特性曲線正向漂移. 值得注意的是,圖4中10 keV X射線總劑量輻照后的編程態(tài)I-V特性變化比擦除態(tài)明顯, 且擦除態(tài)的I-Vg曲線負向漂移. 在超薄氧化層情況下, 輻照導(dǎo)致的隧穿氧化層和阻擋氧化層中陷阱電荷及界面態(tài)的產(chǎn)生也是使器件退化的重要因素[24]. 編程態(tài)和擦除態(tài)器件中穿過氧化層的電場方向和強度不同, 根據(jù)文獻[25],10 nm厚度氧化層的n型多晶硅柵電容器中負向氧化層電場比正向產(chǎn)生更多的界面態(tài), 由此可推測編程態(tài)SONOS器件中產(chǎn)生了更多的界面態(tài), 進而顯著增加了器件的亞閾值斜率(圖8中得以驗證),表現(xiàn)為退化更嚴重. 根據(jù)前面的理論模型,Vth漂移的主因是氮化硅層中存儲電荷的損失和輻照誘發(fā)的電荷積累[26]. 編程態(tài)器件中存儲電子的損失與輻照誘發(fā)的空穴積累相疊加, 擦除態(tài)下存儲空穴的損失與后者則是相抵消, 因此兩種狀態(tài)下的器件Vth漂移程度不同; 當(dāng)擦除態(tài)器件中輻照誘發(fā)的空穴積累甚至大于存儲空穴的損失時, 發(fā)生圖4中I-Vg曲線的負向漂移[6].

圖8 輻射源為 10 keV X 射線下編程態(tài)和擦除態(tài)閃存單元的亞閾值斜率變化規(guī)律Fig.8. Sub-threshold slopes of the programmed and erased single flash cell after total ionizing dose irradiation by 10 keV X-rays.

閃存單元的另一個重要輻照退化現(xiàn)象是靜態(tài)電流Istand-by的增加. 造成此退化的原因主要包括:1)閃存單元的I-V特性曲線漂移導(dǎo)致Istand-by不可避免地產(chǎn)生變化, 且從圖4可以看到X射線下編程態(tài)I-V特性曲線漂移遠超擦除態(tài)(其機理已在上文分析), 因此在Istand-by上也反映為退化比擦除態(tài)嚴重得多; 2)輻照誘發(fā)了寄生電流的產(chǎn)生. 本器件采用淺溝道隔離工藝實現(xiàn)閃存單元間和阱間隔離,此時閃存單元中的MT可等效成一個主晶體管和兩個寄生晶體管并聯(lián)[27?29], 如圖9所示. 寄生晶體管的有效柵氧厚度相對較大, 輻照前閾值電壓較大, 泄漏電流較小; 輻照后氧化層中產(chǎn)生正的陷阱電荷, 導(dǎo)致閾值電壓負向漂移. 而閾值電壓變量( ?Vth)與氧化層厚度的平方近似成正比[30], 較大有效柵氧厚度的寄生晶體管產(chǎn)生顯著的 ?Vth負向漂移. 因此某個輻照總劑量水平下的寄生晶體管即使在柵極零偏置下也會開啟產(chǎn)生寄生電流, 在主晶體管的I-V特性上即表現(xiàn)為靜態(tài)電流的一部分[27].寄生電流與主晶體管的導(dǎo)通電流相比較小, 主要反映在Id-Vg曲線的亞閾區(qū).

圖9 (a)閃存單元中MT的布局簡圖和溝道邊緣的漏電路徑; (b)沿虛線A—A', MT可等效成一個主晶體管與兩個寄生晶體管的并聯(lián), MT靠近隔離氧化物處反型層的形成導(dǎo)致寄生電流產(chǎn)生Fig.9. (a) MT top view with the leakage paths at the channel edges; (b) cross-section of MT along line A– A'indicates that MT can be considered as a main transistor in parallel with two parasitic transistors. The formation of the inverse layer along the isolated oxide leads to the generation of parasitic currents.

兩種射線輻照劑量率均為100 rad(Si)/s, 但對比圖3和圖5, 10 keV X射線總劑量輻照導(dǎo)致的閾值電壓和靜態(tài)電流退化均遠超60Co-γ 射線. 光子入射到材料中與靶材料發(fā)生相互作用的物理機理主要包括康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng). 高能光子輻照(60Co-γ 射線)中康普頓效應(yīng)為主導(dǎo), 光子與靶材料原子的外層電子(自由電子)發(fā)生彈性碰撞, 反應(yīng)截面與靶材料原子序數(shù)Z的依賴關(guān)系較淺; 而低能光子輻照(10 keV X射線)中則以光電效應(yīng)為主導(dǎo), 光子與內(nèi)層電子作用, 反應(yīng)截面與Z呈很強的正相關(guān)關(guān)系(Z的5次方)[31?34]. 本器件在多晶硅柵上方使用了實現(xiàn)金屬接觸的高Z材料(如W,Cu等), X射線在高Z材料中產(chǎn)生大量二次電子,部分次級電子進入交界面(如Si/SiO2, SiO2/Si3N4界面)的靈敏區(qū)中, 因此在靈敏區(qū)產(chǎn)生劑量增強效應(yīng).

為研究本器件中X射線的劑量增強效應(yīng)與高Z材料種類、厚度的關(guān)系, 利用Geant 4工具建立MT的器件模型(如圖10)[35?37], 然后分別調(diào)整兩種高Z材料的厚度參數(shù)對其進行模擬: 1) Cu厚度為 100 nm, 其下方 W 厚度從 70 nm 增至 300 nm;2) W 厚度為 100 nm, 其上方 Cu 厚度從 70 nm 增至300 nm. 設(shè)置SiN及上下兩層氧化物為靈敏體積(SV), 輻照模擬過程中檢測SV中的電子-空穴對數(shù)目, 設(shè)置Cu及W兩層高Z材料厚度、入射射線后, 分別更改Cu或W高Z層為Si 材料, 模擬得到輻照下SV中電子數(shù)目為N1; 將高Z層中的Si材料換回為高Z材料, 重復(fù)模擬得到SV中電子數(shù)目N2. 劑量增強因子為N2/N1, 代表了高Z材料存在情況下的劑量增強效應(yīng)強度. 從圖11可看到,W材料的存在使得X射線的劑量增強效應(yīng)明顯,其劑量增強因子遠大于γ射線, 但與W層厚度無明顯關(guān)系; Cu材料的影響很小, 其一是因為射線在W層中產(chǎn)生的電子-空穴對密度遠高于Cu, 相當(dāng)于阻隔了Cu對靈敏區(qū)的影響, 其二則是因為Cu層離器件靈敏區(qū)距離較遠.

圖10 Geant 4 中建立的 MT 器件模型Fig.10. MT device model established by Geant 4 tool.

圖11 Geant 4 工具模擬高 Z 材料與 X 射線劑量增強效應(yīng)的關(guān)系Fig.11. Dose enhancement effect of X-rays on high-Z materials, simulated by Geant 4 tool.

5 結(jié) 論

本文研究了60Co-γ射線和10 keV X射線兩種輻射源對于55 nm SONOS閃存單元電離總劑量效應(yīng)的影響.60Co-γ射線和 10 keV X 射線輻照均引起SONOS閃存單元閾值電壓漂移、存儲窗口減小和靜態(tài)電流增加, 且隨總劑量的增大而逐漸失去信息存儲的能力. 氮化硅層中存儲電荷的損失、輻照誘發(fā)的電荷積累和界面態(tài)的產(chǎn)生導(dǎo)致了閾值電壓退化, 進而影響到靜態(tài)電流. 靜態(tài)電流變化的另一個原因是輻照誘發(fā)隔離氧化物中的凈陷阱正電荷導(dǎo)致了漏電路徑的產(chǎn)生. 器件中多晶硅柵上方的高Z材料W使得X射線輻照產(chǎn)生劑量增強效應(yīng),導(dǎo)致其總劑量輻照退化較γ射線嚴重得多.