質(zhì)子輻照作用下浮柵單元的數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)及錯誤退火

劉曄 郭紅霞 琚安安 張鳳祁 潘霄宇 張鴻 顧朝橋 柳奕天 馮亞輝

1) (湘潭大學(xué)材料科學(xué)與學(xué)院,湘潭 411105)

2) (西北核技術(shù)研究所,西安 710024)

1 引言

Flash 存儲器自誕生以來發(fā)展十分迅速,在半導(dǎo)體存儲市場占據(jù)主導(dǎo)地位.NAND (not and)flash 存儲器在較低的電壓下即可實現(xiàn)擦除與重新編程[1-3],存儲容量大且價格低,在航空航天領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[4,5].太空輻射環(huán)境會嚴重影響flash 存儲器的工作狀態(tài)和使用壽命[6],這會極大限制商用flash 器件在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用.

近幾十年來,國內(nèi)外對flash 存儲器的重離子和質(zhì)子輻射效應(yīng)開展了諸多的研究[7-19].Bagatin 等[13]利用29.4—200.0 MeV 質(zhì)子開展了25 nm NAND flash 的單粒子效應(yīng)實驗,結(jié)果表明25 nm 多層存儲單元(multi level cell,MLC)的單粒子翻轉(zhuǎn)(single event upset,SEU)截面隨質(zhì)子能量的降低而增大.該結(jié)果不符合當前存儲器高能質(zhì)子SEU的實驗規(guī)律,這是因為實驗中質(zhì)子注量未保持一致.Chen 等[14]研究了NAND Flash 存儲器在不同重離子注量下的SEU 效應(yīng),發(fā)現(xiàn)SEU 截面隨重離子注量的升高而減小.衛(wèi)星運行軌道上的質(zhì)子注量遠高于重離子注量,而關(guān)于質(zhì)子SEU 效應(yīng)與注量的相關(guān)性鮮有研究.因此,開展地面輻照實驗來評估質(zhì)子能量和注量對SEU 效應(yīng)的影響是十分有必要的.

經(jīng)質(zhì)子輻照后,flash 存儲器發(fā)生SEU,產(chǎn)生浮柵單元錯誤,該錯誤會隨著退火時間的推移而發(fā)生改變.彭聰[15]在高能質(zhì)子輻照25 nm Flash 存儲器后研究了浮柵單元錯誤的退火特性,認為多陷阱輔助導(dǎo)電通道[16,17]使得浮柵單元錯誤增多,微劑量效應(yīng)[18,19]使得浮柵單元錯誤減少,浮柵單元錯誤的增減是這兩種機制競爭的結(jié)果.彭聰[15]雖然闡述了浮柵單元錯誤的變化過程,并對該過程進行了機制分析,但仍然有許多可深入研究的地方.例如,浮柵單元錯誤的增減與退火時間和質(zhì)子能量的相關(guān)性,兩種機制對浮柵單元數(shù)據(jù)保存能力的影響等.因此,本文開展了25 nm flash 存儲器的質(zhì)子輻照實驗,主要研究了SEU 截面與質(zhì)子能量和注量的相關(guān)性,浮柵單元錯誤的退火規(guī)律以及浮柵單元的數(shù)據(jù)保存能力.

2 實 驗

2.1 實驗樣品

本次實驗選用的器件是鎂光公司生產(chǎn)的商用2D NAND flash 存儲器,器件均采用環(huán)氧樹脂進行48-pin TSOP 塑料封裝,具體信息見表1.圖1給出了25 nm 單層存儲(sing level cell,SLC)浮柵單元的透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)橫截面.Flash 存儲器的單個存儲單元為浮柵晶體管,結(jié)構(gòu)與普通的金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor,MOS)晶體管類似,但在柵極與溝道之間加了一層可存儲電子的浮柵結(jié)構(gòu)[17].根據(jù)單個浮柵單元的存儲信息位數(shù),可將NAND flash 分為SLC 和MLC.SLC 器件單個浮柵單元只能存儲一位信息,閾值電壓狀態(tài)為“0”或“1”.MLC 器件單個浮柵單元可存儲兩位信息,可能的閾值電壓狀態(tài)有四個,分別為“00”,“01”,“10”和“11”.

表1 實驗所用flash 存儲器信息Table 1.Flash memory information used in the experiment.

圖1 25 nm SLC 陣列浮柵單元的TEM 橫截面Fig.1.TEM cross-section of 25 nm SLC floating cells array.

2.2 實驗設(shè)置

利用西安200 MeV 質(zhì)子裝置開展flash 存儲器的質(zhì)子輻照實驗,該裝置可以引出60 MeV 的準單能質(zhì)子束流,并通過選擇不同厚度的鋁箔降能片將質(zhì)子能量調(diào)節(jié)到20,40 MeV.測試前,器件寫入的測試圖形為“55”,被固定在樣品架的輻照板上.測試時,質(zhì)子束流垂直入射flash 存儲器,執(zhí)行不加偏壓的靜態(tài)測試.輻照結(jié)束后,統(tǒng)計浮柵單元錯誤數(shù)量,并計算浮柵單元SEU 截面.SEU 截面由(1)式計算

式中,σ表示浮柵單元SEU 截面,單位為cm2/bit;Φ為質(zhì)子總注量,單位為p/cm2;N為錯誤總數(shù),M為存儲單元存儲容量,單位為bit.MLC flash存儲器本身存在一定量的固有錯誤,在計算浮柵單元SEU 截面時會扣除MLC 器件中原有的固有錯誤[15].

3 實驗結(jié)果分析

3.1 Flash 存儲器質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)特性

通常認為存儲器的SEU 截面會隨著高能質(zhì)子能量的升高而增大,直至達到飽和.文獻[13]中的輻照實驗由于未采用相同的質(zhì)子注量,得出“25 nm MLC 的SEU 截面隨質(zhì)子能量的升高而減少”的結(jié)論,同注量而不同能量下的SEU 截面數(shù)據(jù)有待補充.此外,SEU 截面隨重離子注量的升高而減小[14],這也應(yīng)該引起學(xué)者們對不同注量下的質(zhì)子單粒子測試標準的思考.因此,本文研究了不同能量和注量的質(zhì)子SEU 特性.

3.1.1 質(zhì)子能量對單粒子截面的影響

圖2 顯示了不同能量的質(zhì)子輻照下MLC 和SLC 兩款flash 器件的浮柵單元SEU 截面,質(zhì)子能量分別為20,40 和60 MeV,注量為5×109p/cm2.從圖中可以看出,25 nm flash 浮柵單元SEU 截面隨質(zhì)子能量的升高而增大.同為25 nm 工藝下,MLC 器件的質(zhì)子SEU 截面更大.

圖2 不同能量的質(zhì)子輻照下浮柵單元SEU 截面Fig.2.Single event upset cross section of floating gate cells irradiated by protons at different energy levels.

對于MLC 器件的質(zhì)子SEU 截面大于SLC 器件,國內(nèi)外已有很多研究[15].MLC 器件一個浮柵單元存儲2 bit 信息,有4 個閾值電壓狀態(tài),對浮柵單元中電子的得失更為敏感.相比于SLC 器件,MLC 器件在質(zhì)子輻照下失去更少的電子即可發(fā)生SEU[15].

高能區(qū)質(zhì)子的直接電離線性傳輸值(linear energy transfer,LET)很低,只能通過反沖核的電離引起SEU.ENDF/B-VII.0 庫有150 MeV 以下的p+28Si 反應(yīng)全套核反應(yīng)數(shù)據(jù),這組數(shù)據(jù)是目前國際上質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究主要的核數(shù)據(jù)來源.圖3 顯示了ENDF/B-VII.0 庫中20—60 MeV 質(zhì)子與Si 發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生反沖核的部分評價數(shù)據(jù)[20].隨著高能區(qū)質(zhì)子能量的升高,核反應(yīng)道逐漸開放,能夠引起SEU 的反沖核反應(yīng)截面逐漸增大,浮柵單元SEU 截面增大.當質(zhì)子能量大于50 MeV 時,核反應(yīng)截面趨于穩(wěn)定,SEU 截面趨于飽和[15].

圖3 不同能量質(zhì)子與Si 的核反應(yīng)截面[20]Fig.3.Cross section of nuclear reaction between protons at different energy levels and silicon.[20].

3.1.2 質(zhì)子注量對SEU 截面的影響

圖4 顯示了不同注量的質(zhì)子輻照下MLC 和SLC 兩款flash 器件的浮柵單元SEU 截面,質(zhì)子能量為60 MeV,質(zhì)子注量分別為109,2.5 × 109,5 × 109和1010p/cm2.可以看出,25 nm flash 浮柵單元SEU 截面隨質(zhì)子注量的增大而減少.

圖4 不同注量的質(zhì)子輻照下浮柵單元SEU 截面Fig.4.Single event upset cross section of floating gate cells irradiated by protons at different fluence levels.

高能質(zhì)子引發(fā)的SEU 受到廣大學(xué)者的關(guān)注,大量的質(zhì)子截面測試數(shù)據(jù)被獲取.根據(jù)質(zhì)子SEU實驗規(guī)律,Stapor 等[21]提出了雙參數(shù)Bendel模型.雙參數(shù)Bendel 模型與質(zhì)子SEU 截面測試數(shù)據(jù)符合得很好,用于擬合SEU 截面曲線和預(yù)測質(zhì)子極限截面,表達式為

式中,σp表示質(zhì)子SEU 截面,單位為cm2/bit;E表示質(zhì)子的能量,單位為MeV;A表示質(zhì)子SEU截面的能量閾值,單位為MeV,對于特定電路來說,A是一個固定值;B為SEU 截面曲線的擬合參數(shù).根據(jù)(2)式,特定電路的質(zhì)子SEU 截面似乎只與能量相關(guān),與注量無關(guān).文獻[12,13]在開展flash 的質(zhì)子輻照實驗中,也并未統(tǒng)一注量,這表明學(xué)者們普遍認為質(zhì)子SEU 截面無注量相關(guān)性.

由于生產(chǎn)工藝上的誤差,在同一個flash 存儲器的浮柵單元存儲相同數(shù)據(jù)時,其閾值電壓也不完全相同,而是服從泊松分布規(guī)律,如圖5(a)所示.當浮柵單元的閾值電壓不相同時,其質(zhì)子單粒子敏感性也會存在差異.Flash 存儲器經(jīng)質(zhì)子輻照后,浮柵單元的閾值電壓會降低,閾值電壓低的浮柵單元更易跨過判讀電壓線而發(fā)生數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn),如圖5(b)所示.

圖5 浮柵單元閾值電壓的分布示意圖 (a) 輻照前;(b) 輻照后Fig.5.Schematic illustrations of floating gate cell distribution vs.threshold voltage:(a) Before the irradiation;(b) after the irradiation.

假設(shè)質(zhì)子入射一個浮柵單元時,該存儲單元的閾值電壓足夠低,它才有概率p發(fā)生SEU.假設(shè)flash 存儲器中總存儲單元個數(shù)有M個,閾值電壓低的浮柵單元總數(shù)有N個.那么在質(zhì)子每次都只能入射一個浮柵單元的前提下,第n個浮柵單元發(fā)生SEU 的概率P(n)為

由(3)式可知,隨著n的增加,第n個浮柵單元發(fā)生SEU 的概率P(n)逐漸減少.對于flash 存儲器,閾值電壓低的浮柵單元占比(N/M)很小.在質(zhì)子注量低時,樣本總數(shù)中閾值電壓低的部分浮柵單元會發(fā)生SEU.隨著質(zhì)子注量的增加,閾值電壓低的部分浮柵單元已發(fā)生SEU.較之于輻照前期,后續(xù)輻照的浮柵單元樣本總數(shù)未變,而可發(fā)生SEU 的浮柵單元閾值電壓相對更高,使得后續(xù)輻照的SEU 概率更低.因此,較之其他非易失類存儲器,由于浮柵單元單粒子敏感性的差異,flash 存儲器的質(zhì)子SEU 截面會隨著注量的升高而減少.

這一現(xiàn)象將會引發(fā)flash 存儲器質(zhì)子SEU 測試可能存在的問題,過低注量的質(zhì)子SEU 測試方法會高估flash 存儲器的實際在軌SEU 概率.目前flash 存儲器的SEU 測試中,質(zhì)子注量普遍取5 × 109p/cm2,該注量遠遠低于航天器件在太空環(huán)境中接受的總注量[22].通過較高注量的質(zhì)子SEU測試,可以更準確地預(yù)測實際在軌翻轉(zhuǎn)概率.另一方面,在航天任務(wù)過程中,如果沒有對flash 存儲器重新寫入正確數(shù)據(jù),則錯誤將累積,使得在航天任務(wù)開始時的在軌翻轉(zhuǎn)率將高于任務(wù)結(jié)束時的在軌翻轉(zhuǎn)率.因此,對于flash 存儲器的空間應(yīng)用,研究不同注量質(zhì)子輻照下的SEU 概率具有重要意義.

3.2 缺陷誘導(dǎo)浮柵電子的泄露

關(guān)于浮柵單元錯誤產(chǎn)生的機制,國內(nèi)外已有一些解釋.

(I) 瞬態(tài)導(dǎo)電路徑[23,24]、瞬態(tài)載流子電流及浮柵電子的發(fā)射,導(dǎo)致浮柵中的電荷瞬間永久性丟失,浮柵單元閾值電壓出現(xiàn)了負向漂移,負漂值為ΔVth,SEE.

(II) 浮柵電子被浮柵周圍氧化物陷阱電荷所俘獲[18,19],該機制導(dǎo)致的閾值電壓負漂值為 ΔVth,TID.

(III) 高能粒子輻照在隧穿氧化層產(chǎn)生的缺陷形成多陷阱輔助導(dǎo)電通道[16,17],浮柵電子通過該通道緩慢泄漏,閾值電壓負漂值為 ΔVth,DD.

如圖6 所示,機制(I)、(II)和(III)均會引起浮柵單元閾值電壓的負漂,當閾值電壓跨過判讀電壓線時,浮柵單元存儲的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤.在輻照結(jié)束后,機制(I)導(dǎo)致的浮柵單元錯誤占據(jù)主導(dǎo)地位,該類錯誤只能通過重新擦寫才可以消除.在輻照后的退火過程中,機制(II)中俘獲的電子可能隨時間緩慢回到浮柵中,使得 ΔVth,TID減少.若浮柵單元閾值電壓恢復(fù)到判讀電壓線之右,浮柵單元錯誤便會減少.這也是之前相關(guān)報道中重離子輻照下浮柵單元錯誤隨輻照后時間不斷減少的原因[18,19].在輻照后的退火過程中,浮柵電子因機制(III)隨時間不斷泄漏,使得 ΔVth,DD持續(xù)增大.部分未出現(xiàn)錯誤的浮柵單元閾值電壓跨過判讀電壓線,浮柵單元錯誤增多.

圖6 不同機制影響下的浮柵單元閾值電壓變化示意圖Fig.6.Schematic illustrations of threshold voltage changes of floating gate cells under the influence of different mechanisms.

綜上所述,在退火過程中,機制(II)使浮柵單元錯誤減少,機制(III)使浮柵單元錯誤增多.為了探究浮柵單元錯誤的增減與退火時間和質(zhì)子能量的相關(guān)性,將不同能量質(zhì)子輻照后的SLC 器件保持無偏狀態(tài),在45 天內(nèi)多次進行數(shù)據(jù)回讀并記錄浮柵單元錯誤數(shù).此外,為了研究機制(II)和機制(III)分別對浮柵單元保存數(shù)據(jù)“1”和“0”能力的影響,將質(zhì)子輻照后的SLC 器件進行重新擦寫讀操作,重新寫入的數(shù)據(jù)模式有“FF”和“00”,并記錄45 天內(nèi)的浮柵單元錯誤數(shù).

3.2.1 浮柵單元錯誤的退火特性

圖7 顯示了三種能量的質(zhì)子輻照后45 天內(nèi)SLC 器件的浮柵單元錯誤變化,質(zhì)子能量分別為20,40 和60 MeV,注量均為5 × 109p/cm2.可以看出,在質(zhì)子輻照后的退火過程中,浮柵單元錯誤比例不斷增大;20 MeV 質(zhì)子輻照下浮柵單元錯誤增加的比例最大.

圖7 不同能量質(zhì)子輻照后45 天內(nèi)浮柵單元錯誤變化Fig.7.Annealing of floating gate errors within 45 days after proton irradiation at different energy levels.

該現(xiàn)象說明,在質(zhì)子輻照后的退火過程中,機制(III)中的多輔助陷阱導(dǎo)電通道占據(jù)主導(dǎo)地位,導(dǎo)致浮柵單元錯誤比例不斷增大.相關(guān)研究[16,17]表明,對于65 nm MLC NOR(not or) Flash 器件,隧穿氧化層中只需兩個缺陷足以產(chǎn)生輔助導(dǎo)電通道.一般來說,非電離能量損失的產(chǎn)生對應(yīng)著間隙原子-空位缺陷的形成.為此,非常有必要研究質(zhì)子在隧穿氧化層中的非電離能量損失.

Flash 存儲器中的隧穿氧化物材料成分為SiO2,利用計算機仿真軟件可得到SiO2中單位深度的非電離能量損失隨質(zhì)子能量的變化,仿真結(jié)果如圖8所示.隨著質(zhì)子能量的降低,單位深度的非電離能損增大,隧穿氧化層中產(chǎn)生的缺陷越多,形成的多陷阱輔助導(dǎo)電通道更多,電子被泄漏的浮柵單元更多,浮柵單元錯誤數(shù)更多.

圖8 單位深度的非電離能量損失隨質(zhì)子能量的變化Fig.8.The non-ionizing energy loss per unit depth varies with the proton energy.

由于質(zhì)子在器件材料內(nèi)的非電離損傷,隧穿氧化層形成可泄漏浮柵電子的多陷阱輔助導(dǎo)電通道,使得浮柵單元錯誤不斷增多.這將是一個創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn),在此之前,并未有研究證實質(zhì)子導(dǎo)致的非電離損傷和多陷阱輔助導(dǎo)電通道的產(chǎn)生存在直接的聯(lián)系.

3.2.2 浮柵單元數(shù)據(jù)保存能力的退化

圖9 顯示了重新寫入不同數(shù)據(jù)后45 天內(nèi)SLC器件的浮柵單元錯誤變化,質(zhì)子能量為60 MeV,注量為5 × 109p/cm2.可以看出,重新寫入“00”的浮柵單元錯誤數(shù)隨時間的增加不斷增加,而重新寫入“FF”的器件未出現(xiàn)浮柵單元錯誤.

圖9 重新寫入不同數(shù)據(jù)后45 天內(nèi)浮柵單元錯誤變化Fig.9.Annealing of floating gate errors within 45 days after rewriting different data.

在質(zhì)子輻照結(jié)束后,受機制(II)影響的浮柵單元中,浮柵周圍氧化物存在俘獲電子的陷阱.在對Flash 器件進行重新寫入“FF”后,陷阱可能會隨時間釋放電子給浮柵,引起浮柵單元閾值電壓的正漂.當數(shù)據(jù)為“1”的浮柵單元閾值電壓升高至判讀電壓線之右,則數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)為“0”,浮柵單元出現(xiàn)錯誤.然而,本文實驗中并未發(fā)現(xiàn)此類錯誤,可能是因為隨時間正漂的閾值電壓不足以跨過判讀電壓線,如圖10 所示.

圖10 重新寫入不同數(shù)據(jù)后浮柵單元閾值電壓變化示意圖Fig.10.Schematic illustration of threshold voltage changes of floating gate cells after rewriting different data.

在質(zhì)子輻照結(jié)束后,受機制(III)影響的浮柵單元中,隧穿氧化層中存在可泄露浮柵電子的多輔助導(dǎo)電通道.在對Flash 器件進行重新寫入“00”后,該通道會隨時間不斷泄漏浮柵中的電子,引起浮柵單元閾值電壓的負漂.當數(shù)據(jù)為“0”的浮柵單元閾值電壓降低至判讀電壓線之左,則數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)為“1”,浮柵單元出現(xiàn)錯誤.這也是本次實驗中重新寫入“00”的浮柵單元錯誤數(shù)隨時間不斷增多(圖9中的實驗結(jié)果)的原因.正常情況下,Flash 存儲器的數(shù)據(jù)保存能力可長達數(shù)年.經(jīng)質(zhì)子輻照后,隧穿氧化層會形成泄漏電子的多輔助陷阱通道,浮柵單元保存數(shù)據(jù)“0”的能力存在明顯的退化.

4 結(jié)論

本文實驗工作針對25 nm Flash 存儲器開展了質(zhì)子輻射效應(yīng)研究,獲取了不同能量和注量質(zhì)子輻照后的浮柵單元翻轉(zhuǎn)截面,研究了浮柵單元錯誤的退火特性和數(shù)據(jù)保存能力的退化規(guī)律,分析了質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)特性及缺陷對浮柵內(nèi)電子的影響.高能質(zhì)子與靶原子發(fā)生相關(guān)的核反應(yīng)產(chǎn)生反沖核,反沖核的電離作用引發(fā)了Flash 存儲器的單粒子翻轉(zhuǎn).隨著質(zhì)子能量的升高,能夠引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)的反沖核反應(yīng)截面逐漸增大直至趨于穩(wěn)定,單粒子翻轉(zhuǎn)截面持續(xù)增大直至飽和.此外,單粒子翻轉(zhuǎn)截面會隨著質(zhì)子注量的增大而減少,這是由于浮柵單元單粒子敏感性的不同.反沖核引起的非電離損傷會在隧穿氧化層形成部分永久性的缺陷損傷,產(chǎn)生可以泄漏浮柵電子的多輔助陷阱通道,導(dǎo)致浮柵單元錯誤的增多及數(shù)據(jù)保存能力的退化.錯誤數(shù)隨時間增多的效應(yīng)在低能量質(zhì)子入射時更為明顯,這是因為低能量質(zhì)子在隧穿氧化層中的非電離損傷更加嚴重.