NROM存儲器總劑量輻射損傷效應和退火特性

張興堯 郭 旗 陸 嫵 于 新

NROM存儲器總劑量輻射損傷效應和退火特性

張興堯1,2郭 旗1,2陸 嫵1,2于 新1,2

1（新疆理化技術研究所 中國科學院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011）2（新疆電子信息材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011）

對一款商用NROM (Nitride-Read-Only-Memory)存儲器進行了鈷源輻射和退火試驗，研究了NROM的總劑量效應和退火特性。使用了超大規(guī)模集成電路測試系統(tǒng)測試了NROM的DC、AC、功能參數(shù)，分析了輻射敏感參數(shù)在輻射和退火過程中的變化規(guī)律，研究了器件功能失效和參數(shù)退化的原因。測試結果表明：界面態(tài)陷阱電荷引起了電路模塊中的電荷泵和靈敏放大器MOS管閾值漂移，進而性能惡化、器件功能失效。退火期間由于界面態(tài)陷阱電荷沒有發(fā)生大量退火，致使電路模塊性能沒有完全恢復，電流參數(shù)沒有明顯下降。

NROM存儲器，SONOS存儲器，總劑量輻射，退火特性，電荷泵，靈敏放大器

非易失型存儲器具有在線可編程、存儲信息掉電不丟失、讀寫速度高、抗震動性好等優(yōu)勢，使其在航天器中具有廣泛應用。主流的浮柵型非易失存儲器在宇宙空間中沒有很強的抗輻射能力[1]，會影響航天器的可靠性和在軌壽命[2]。SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)存儲器以其良好的抗輻射能力越來越受到關注。SONOS存儲器與浮柵器件的主要區(qū)別在于：用絕緣的氮化物代替導電的多晶硅存儲電子，電子隧穿入氮化物層后，被深能級的氮阱俘獲，實現(xiàn)信息存儲。NROM存儲器作為一種獨特的局部電荷俘獲型SONOS存儲器，運用多位和多值編程技術，克服傳統(tǒng)SONOS集成度較低的劣勢，實現(xiàn)每存儲單元存儲二或四個比特位，提升存儲密度。開展NROM存儲器在輻射環(huán)境中的輻射損傷機理研究對其今后的空間應用具有重要意義。

國內(nèi)外對于傳統(tǒng)SONOS存儲器的總劑量效應開展了大量的研究，總劑量輻射損傷機理的基本認識是：SONOS存儲單元具有很強的抗輻射能力[3?8]，一定劑量下的輻射在氮化物層中只產(chǎn)生少量的陷阱電荷，深阱中的電荷不易泄漏和受鄰近存儲單元電荷擾動的影響，因此不會發(fā)生0與1之間的翻轉(zhuǎn)。相當薄的阻擋氧化層和隧穿氧化層引入的陷阱電荷很有限，這些陷阱電荷會使存儲單元擦寫閾值電壓輕微漂移[9?10]，但不會影響存儲單元的正常擦寫。NROM作為SONOS存儲器的一種，其存儲單元的總劑量輻射損傷效應機理與傳統(tǒng)SONOS基本一致[11]。存儲單元外圍的控制電路模塊抗輻射能力較弱，是商用SONOS存儲器中的短板，輻射會引起部分電路模塊率先失效，造成讀/寫/擦除功能失效的閾值較低，存儲器不能達到航天應用的要求。目前關于NROM的總劑量研究在物理層面上缺少存儲器退火特性的分析研究，同時少有在電路模塊級別關于損傷機理的探討。

本文使用超大規(guī)模集成電路測試系統(tǒng)Verigy 93000測試了NROM存儲器的DC、AC、功能參數(shù)，從中篩選出輻射敏感參數(shù)，分析了輻射敏感參數(shù)在輻射和退火中的變化規(guī)律，結合部分控制電路模塊電路結構、輻射損傷效應和退火特性，對電路模塊在60Co γ射線下的總劑量輻射損傷機理進行了解釋。研究結果為NROM總劑量損傷評估方法和有針對性的抗輻射加固提供了試驗依據(jù)和基礎。

1 試驗樣品與測試方法

本次試驗采用SPANSION公司生產(chǎn)的32 Mbit NROM存儲器，型號為S29GL032N。測試采用超大規(guī)模測試系統(tǒng)Verigy 93000，并開發(fā)了基于此系統(tǒng)的NROM存儲器程序。程序覆蓋了功能、DC、AC參數(shù)，包括：動態(tài)電流(IDD)、靜態(tài)電流(ISB)、進行擦除操作時的供電電壓(VCC)、擦除一個扇區(qū)所需要的時間(tWHWH2)、擦除一個扇區(qū)的最高工作頻率(f)。VCC、f兩項參數(shù)使用Shmoo法進行掃描測試，掃描范圍分別為2.7?3.6 V、10?500 kHz。

試驗輻照源采用中國科學院新疆理化所的水儲式60Co γ輻射源。輻照劑量率為0.2 Gy(Si)·s?1，輻照偏置為信號管腳接高電平。選取6片同一批次的NROM存儲器，3片器件為一組，分為A、B組，A組器件累積到220 Gy(Si)，B組器件累積到250Gy(Si)，分別關注器件功能失效的初期和后期，期間選取合適劑量點將器件取出，進行器件的擦除、寫入、讀取的功能測試和DC、AC參數(shù)測試。器件功能失效時，結束輻照試驗，進行退火試驗，A組只進行常溫退火，B組器件在常溫退火后，進行100 °C高溫退火，當電參數(shù)不發(fā)生顯著變化時結束試驗。

2 試驗結果

在輻照前，兩組器件在供電電壓為2.7?3.6V下，NROM擦寫讀功能都可以完成。A、B兩組器件在輻照過程中表現(xiàn)出初期和后期的功能失效模式并不完全相同，如表1所示，A組器件累積劑量到200 Gy(Si) ，供電電壓為2.7 V時，擦除和寫入功能先于讀取功能失效，輻照結束時，供電電壓為3.3 V工作電壓，擦除和寫入功能失效。B組器件總劑量到250 Gy(Si)，3.3 V工作電壓下，擦除、寫入、讀取的功能都發(fā)生了失效。兩組存儲器退火過程中表現(xiàn)功能參數(shù)恢復模式不同，A組存儲器常溫退火14h后，擦除和寫入的功能不穩(wěn)定恢復，即進行多次擦寫操作，部分次數(shù)可以完成擦寫，部分次數(shù)不能完成。B組器件即使經(jīng)過高溫退火，三項功能也沒有恢復。

表1 功能參數(shù)在輻照和退火中的變化Table 1 Change of function parameter in radiation and anneal.

兩組器件的靜態(tài)電流、動態(tài)電流隨總劑量累積和退火時間的變化關系如圖1、2所示。由圖1、2，靜態(tài)、動態(tài)電流的對數(shù)值在10 Gy(Si)之前略有所下降，之后開始迅速增大，輻照結束時，增大到初始值的三個數(shù)量級。退火使兩組存儲器的電流參數(shù)只發(fā)生了小幅的恢復。

圖1 A組器件電流參數(shù)在輻照和退火中的變化Fig.1 Group A NROM current in radiation and anneal.

A組器件的擦除一個扇區(qū)的時間和最高工作頻率隨總劑量累積的變化如表2所示。在輻照初期擦除時間降低，最高工作頻率升高。總劑量累積到100Gy(Si)后，擦除時間升高，最高頻率降低。在退火過程中，擦除功能無法穩(wěn)定地恢復，所以無法準確地測量擦除時間和最高工作頻率。

表2 時間參數(shù)在輻照和退火中的變化Table 2 Maximum operating frequency and tWHWH2 in radiation and anneal.

圖2 B組器件電流參數(shù)在輻照和退火中的變化Fig.2 Group B NROM current in radiation and anneal.

3 結果討論

NROM存儲器在γ射線的電離輻射作用下，在氧化層中形成電子-空穴對，電子與空穴的分離、傳輸與反應導致氧化物陷阱電荷與界面態(tài)陷阱電荷的形成。其中界面陷阱電荷的產(chǎn)生過程是：空穴在輸運過程中參與反應釋放H+，H+輸運到界面處，與界面處的Si-H反應，產(chǎn)生H2與Pb陷阱中心。兩種陷阱電荷的退火特性是氧化物陷阱電荷在室溫下就能發(fā)生退火[12]，界面態(tài)一般在100 °C以上才發(fā)生退火。結合NROM存儲器的擦寫原理和部分電路模塊的輻射損傷機理，對NROM的總劑量效應進行了探究。

NROM存儲單元使用溝道熱電子注入(Channel Hot Electron Injection, CHEI)機制實現(xiàn)編程操作，如圖3(a)所示。要求漏端加3?7 V電壓，以產(chǎn)生橫向電場使電子變成高能電子，同時柵上加電荷泵電路提供的9?10 V電壓，部分高能電子在柵端縱向電場的作用下越過Si/SiO2勢壘注入到Si3N4存儲層中。采用隧穿熱空穴注入(Band-to Band Tunneling Hot Hole Injection, BBHHI)機制進行擦除操作，如圖3(b)所示。通過柵端接負電壓，漏端接正向高壓，襯底接地，使柵端和漏端之間形成一個高的縱向電場，漏端和襯底之間的PN結反偏，漏端表面能帶向上彎曲，當彎曲程度大于禁帶寬度時，發(fā)生帶-帶隧穿效應(Band-to-Band Tunneling, BTBT)，襯底的價帶電子隧穿到導帶形成電子-空穴對，部分空穴在耗盡區(qū)橫向電場的作用下變成高能空穴，在縱向電場的作用下越過Si/SiO2勢壘注入到存儲層中，與已在其中的電子發(fā)生電荷中和實現(xiàn)擦除。

圖3 編程機制(a)和擦除機制(b)[13]Fig.3 Program mechanism (a) and erase mechanism (b)[13].

NROM在讀取一個存儲單元的右比特位時，柵端接電源電壓，源端接地，漏端通過接一定電壓來克服左比特位的影響，存儲單元導通后溝道電流大小由右比特位的閾值電壓決定，之后電流流入靈敏放大器，通過和參考電壓的比較來分辨出右比特位存儲的是“0”還是“1”。讀取左比特位，則將源漏兩端互換后，其他操作不變[14]。

總劑量累積到220 kGy時，A組中的NROM存儲器無法對存儲單元進行擦除和寫入。輻照過程中，電離輻射在存儲單元和MOS管的絕緣層中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷，在界面處產(chǎn)生界面態(tài)陷阱電荷，兩種電荷都會導致存儲單元和MOS管的閾值發(fā)生漂移，而NROM存儲單元在較小的總劑量下閾值電壓只會發(fā)生輕微的漂移，不易發(fā)生0與1之間的翻轉(zhuǎn)，由NMOS和PMOS管構成的CMOS控制電路相對比較脆弱，MOS管閾值的較大幅度漂移將會使控制電路早于存儲單元發(fā)生性能惡化，控制電路不能正常工作將會直接導致器件的功能失效。結合試驗結果：由于輻射感生界面態(tài)陷阱電荷導致了電荷泵電路的MOS管發(fā)生了閾值電壓的漂移，電荷泵電路性能率先惡化，使得其不能再向存儲單元柵漏端提供高壓，NROM存儲器的擦除和寫入功能失效。

典型的電荷泵電路圖如圖4所示。其工作原理是利用多級連接的MOS和電容，在相位不交疊的時鐘脈沖驅(qū)動下，將電荷從輸入端逐級推向輸出端，輸出端電容上電荷不斷增加使輸出電壓為高壓。輻照過程中，界面態(tài)陷阱電荷將使MOS管的閾值電壓發(fā)生漂移，在較低起點下的供電電壓難以升壓到存儲單元需要的高壓，造成了2.7 V供電電壓下NROM擦除功能首先失效。

圖4 典型的電荷泵電路圖Fig.4 Typical charge pump circuit.

電荷泵電路的性能惡化同時導致最高工作頻率降低和擦除時間升高。電荷泵電路中MOS管閾值電壓率先移動，跨導退化，亞閾值擺幅變大，開關速度變慢，擦除時間隨輻射劑量的增加逐步變長，在原先工作頻率下每一級電荷泵輸出波形的變差導致后級的電荷泵已經(jīng)無法實現(xiàn)開關的功能，電路無法繼續(xù)升壓，擦除功能失效。最高工作頻率降低時，電荷泵能夠跟得上開關速度變慢的變化，功能恢復。電荷泵先于其它模塊性能惡化可以理解為高壓電路內(nèi)部輻射感生的電子-空穴對復合減小、遷移增大，相較與在3.3 V工作電壓下的電路，會有更多的電子和空穴分別向金屬電極遷和SiO2/Si界面遷移，從而產(chǎn)生更多的氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷，這些陷阱電荷導致電荷泵MOS管閾值漂移，輸出無法達到額定的高壓[15]。

B組存儲器在總劑量累積到250 kGy，擦除和寫入功能失效的同時，讀取功能也發(fā)生了失效，由讀取操作的原理、電路結構、器件的退火特性三個方面推斷是靈敏放大器的性能惡化導致了器件的讀取功能失效。靈敏放大器是實現(xiàn)讀取操作的關鍵電路，其工作原理是：先對位線上的電容充電，電容上極板充電到驅(qū)動管導通，存儲單元是0或是1兩種情況，閾值不同造成流經(jīng)驅(qū)動管的電流不同，驅(qū)動管輸出的電壓也不相同。將驅(qū)動管輸出電壓進行放大后與參考電壓進行比較，最后讀出存儲單元信息。電流型靈敏放大器中電流轉(zhuǎn)化為電壓的簡化結構如圖5所示。圖5中存儲單元M1的源端接地，漏端接列解碼晶態(tài)管M2，柵端被行解碼電壓驅(qū)動，M2尺寸較大分析時可以將其源漏電壓降忽略，M3為驅(qū)動管，經(jīng)負載與電源相連，Cbit為位線上的電容[16]。電流轉(zhuǎn)化為電壓的時間可以理想表示為：

式中，ID為驅(qū)動管的導通電流；ΔVB為位線上的電壓擺幅。在總劑量輻照過程中，驅(qū)動管主要受界面態(tài)陷阱電荷的影響閾值正向漂移，造成驅(qū)動管導通電流變小。輻射還會引起放大增益減小，位線上的電壓擺幅變大[17]，這些原因都會使電路傳播速度變慢，讀取時間增大。

圖5 靈敏放大器中電流轉(zhuǎn)化電壓的簡化結構Fig.5 Simplified structure of current turn to voltage in sense amplifier.

如表1、圖1、圖2所示，電流參數(shù)和時間參數(shù)在輻照100 Gy(Si)之前略有下降，原因可能在于輻射感生的氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷與MOS管的摻雜缺陷發(fā)生了電性中和，器件的性能反而有所提升?？倓┝?00 Gy(Si)之后，NMOS管關態(tài)泄露電流的大幅增長和隔離氧化層形成的漏電通道造成了靜態(tài)電流和動態(tài)電流急劇增大，沿單個MOS管側(cè)墻漏電通道導致了亞閾值漏電電流，而不同MOS之間的漏電通道使寄生晶體管導通。

NROM存儲器在輻照250 kGy后經(jīng)過常溫和100 °C的高溫退火，讀取、擦除、寫入三項功能也沒有恢復，退火過程中的電流參數(shù)恢復不顯著，說明界面態(tài)陷阱電荷的輻射損傷作用要大于氧化物陷阱電荷的作用。

4 結語

通過試驗結果分析認為，靜態(tài)電流、動態(tài)電流、擦除時間、最高工作頻率、讀/寫/擦除功能都可以作為輻射敏感參數(shù)。通過分析輻射敏感參數(shù)在輻射和退火時的變化規(guī)律，認為是氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷造成了CMOS控制電路模塊的漏電增加、MOS管閾值電壓漂移，其中電荷泵和靈敏放大器兩個電路模塊的性能惡化直接造成了存儲器讀、寫、擦三項功能失效。退火過程中，輻射敏感參數(shù)恢復不顯著，說明界面態(tài)陷阱電荷在輻照損傷過程中起關鍵作用。通過進行NROM存儲器總劑量輻射損傷試驗，得出了許多有意義的結論，為今后NROM存儲器的輻射損傷機理研究和電路的抗輻射加固提供支持。

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CLC TL82, O571.33

NROM total dose radiation damage effects and annealing characteristics

ZHANG Xingyao1,2GUO Qi1,2LU Wu1,2YU Xin1,2
1(Key Laboratory of Functional Materials and Devices for Special Environments, Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China)
2(Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Material and Device, Urumqi 830011, China)

Background: The total dose effect studies for the Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon (SONOS) have not been mainly focused on fail mechanism in circuit. Purpose: A commercial SONOS-based Nitride-Read-Only-Memory (NROM) was irradiated by60Co γ rays and annealed, Total Ionizing Dose (TID) failure mechanism and annealing characteristics of the device were analyzed. Methods: DC, AC and function parameters of this memory were tested in radiation and annealing by VLSI test system, the radiation-sensitive parameters were obtained through analyzing the test data, and the reason for function failure was analyzed. Results: The study showed that: the threshold of MOS in charge pump and the sense amplifier were drift because of the interface trap charge, and the circuit module performance deterioration led to functional failure of the device. The current parameters were raised rapidly because leakage paths formed in Shallow Trench Isolation (STI). Conclusion: A little of interface trap charge was annealed during annealing, resulting in incomplete recovery of circuit module performance, and insignificant drop of the current parameters.

Nitride-Read-Only-Memory (NROM), Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon (SONOS), Ionizing radiation effects, Annealing characteristics, Charge pump, Sense amplifier

TL82，O571.33

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010203

張興堯，男，1985年出生，2014年于中國科學院新疆理化技術研究所獲博士學位，微電子學專業(yè)，研究領域為大規(guī)模器件輻射損傷

2014-09-22，

2014-10-16