90 nm浮栅型P-FLASH器件总剂量电离辐射效应研究

朱少立，汤偲愉，刘国柱，曹立超，洪根深，吴建伟，郑若成

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

非易失性存储器特别是FLASH存储器具有高速度、大容量、低功耗以及高可靠性等特点，目前，FLASH存储器已经逐步应用于卫星遥感、航天探测等对可靠性要求十分严格的辐照空间应用中[1]。基于航空航天特殊应用的需求，应用于航天领域的FLASH存储器必须对其进行全面的辐射效应研究和抗辐射性能评估，从而确定其在各种辐射效应下的性能和电参数信息以及抗辐射等级。空间辐射引起的总剂量效应是电子器件在空间应用中需要面对的最重要的问题之一，对FLASH存储器进行总剂量效应研究和地面模拟试验具有重要的价值和意义[2]。随着FLASH型固态存储器在航空/航天领域的不断增加，国内外对FLASH存储器均进行了一系列的总剂量效应研究[3-6]，包括NAND/NOR型FLASH型存储器及FLASH单元的总剂量效应研究。自20世纪80年代以来，国内也陆续开展了一系列针对FLASH的总剂量效应研究[7-8]，但这些研究主要是针对FLASH固态存储器，而对于FLASH器件单元总剂量效应的研究相对较少。

本文基于商用FLASH工艺，研究了90 nm P-Channel FLASH器件抗总剂量能力，重点探究了浮栅型P-FLASH单元随总剂量的变化规律及编程擦除时间对浮栅型P-FLASH单元抗总剂量能力的影响。

2 原理及实验

2.1 原理

浮栅型P-FLASH器件编程与擦除分别采用带带隧穿诱导产生热电子注入及F-N隧穿效应机理，其编程及擦除机理如下。

2.1.1 编程

浮栅型P-FLASH器件采用带带隧穿诱导产生热电子注入的编程方式，其器件剖面图及电子注入机理能带分析如图1所示。P-FLASH器件编程状态的各端口偏置情况分别为：Gate 10 V，Sub 0 V，Drain-6 V，Source浮空，其中Drain端电压为脉冲电压。如图1所示，在高场作用下，在漏极与栅极重叠的区域会产生电子-空穴对，在漏极负偏压的作用下，空穴被漏极收集而形成漏极电流，大部分电子会被衬底收集形成衬底电流，而其中小部分电子在衬底高电场的作用下不断加速而获得足够高的能量，因而越过氧化层势垒形成注入电子，从而完成对FLASH器件的编程。在编程过程中，仅有一小部分重叠区产生的电子会获得足够高的能量而越过氧化层势垒，因此该编程方式编程效率低，功耗高[9]。

2.1.2 擦除

浮栅型P-FLASH器件擦除采用F-N隧穿机理，其擦除机理如图2所示。P-FLASH器件擦除过程中各端口偏置状态为：Gate-17 V，Sub 0 V，Drain浮置，Source 0 V，其中Gate端为脉冲电压。如图2所示，在栅极施加负偏压，在控制栅及衬底之间形成垂直电场，导致能带发生弯曲，浮栅收集的电子在控制栅与衬底形成的垂直电场作用下，通过F-N隧穿的方式穿过氧化层到达衬底并被衬底收集，从而实现对FLASH器件的擦除操作。F-N隧穿属于直接隧穿方式，电子在穿过氧化层的过程中易在氧化层中形成隧穿通道而对氧化层产生损伤，从而导致电子陷阱的产生。随着擦除次数的增加，电子陷阱中心在隧道氧化层中累积会降低电子的隧穿效率。因此，经过N次编程/擦除循环操作后，FLASH器件编程/擦除的速度会逐渐变慢[10]。

图1 带带隧穿（Band to Band Tunneling）诱导热电子注入编程机理示意图

图2 F-N擦除机理示意图

2.1.3 总剂量电离效应

浮栅型FLASH器件总剂量电离效应主要表现为阈值电压（VT）的漂移、关态漏电（Ioff）及跨导gm的退化。编程后FLASH单元总剂量电离辐射效应损伤机理主要包括：（1）在隧道氧化层和阻挡氧化层即浮栅外围介质中产生电荷，这些电荷在浮栅电荷产生的电场的作用下注入浮栅中，致使浮栅中净电荷数量减少，即空穴注入；（2）在浮栅电荷产生的电场作用下，隧道氧化层中电荷被陷阱俘获，但由于隧道氧化层很薄，该俘获对应的比例也很小；（3）辐照致光子发射，浮栅上的电子从电离辐射中获得的能量超过氧化层势垒时，发射到控制栅或硅衬底，导致浮栅上的电子减少，即电子发射。擦除后FLASH单元总剂量电离辐射效应损伤机理与编程后类似，包括电子注入和空穴发射两个基本过程。

2.2 实验

本实验选取90 nm浮栅型P-Channel FLASH单元器件，其结构示意图如图3所示。器件辐照源选取西安原子能研究所钴60γ射线源对P-FLASH器件进行总剂量辐照试验研究，剂量点：50 krad(Si)、100 krad(Si)、150 krad(Si)，剂量率：50 rad(Si)/s。器件辐照过程中，分别采集FLASH辐照前后的转移特性曲线，其编程/擦除态阈值电压的测试方法如表1所示。

图3 P-FLASH浮栅器件结构示意图

表1 P-FLASH器件阈值电压测试方法

3 实验结果及讨论

浮栅型P-Channel FLASH单元总剂量电离效应研究主要分为以下两个方面：（1）浮栅型FLASH器件阈值电压窗口随总剂量的变化规律，并探究了在总剂量辐照过程中浮栅器件开/关态特性的变化；（2）编程/擦除时间对浮栅器件总剂量效应的影响，主要探究了不同编程/擦除时间对浮栅器件阈值电压漂移量的影响。

3.1 浮栅型P-Channel FLASH单元器件阈值电压

（VT）窗口与总剂量（TID）的关系

浮栅型P-FLASH器件编程/擦除态辐照特性曲线如图4所示。如图4（a）所示，随着总剂量的不断增大，编程态P-FLASH器件随总剂量的变化关系如下：（1）浮栅型P-FLASH器件阈值电压VTP向初始态（负方向）漂移；（2）浮栅型P-FLASH器件“关”态漏电Ioff及“开”态饱和电流Idsat均无明显退化；（3）转移特性曲线亚阈值摆幅gm在辐照过程中未发生明显退化。如图4（b）所示，随着总剂量不断增大，擦除态P-FLASH器件随总剂量的变化关系如下：（1）浮栅型P-FLASH器件阈值电压VTE向初始态（正方向）漂移；（2）浮栅型P-FLASH器件“关”态漏电Ioff及“开”态饱和电流Idsat无明显退化；（3）转移特性曲线亚阈值摆幅gm在辐照过程中未发生明显退化。综上所述，总剂量的增大仅引起浮栅型P-FLASH器件阈值电压VT的漂移，器件的“关”态漏电Ioff、“开”态饱和电流Idsat及跨导gm均未发生明显退化，因此，浮栅型P-FLASH器件总剂量效应仅引起器件阈值电压的漂移，即总剂量仅引起浮栅器件浮栅内电荷的转移[12]。

图4 浮栅型P-FLASH器件转移特性曲线（I D-V G）随总剂量（TID）变化趋势

浮栅型P-FLASH存储PGM/ERS阈值漂移量随TID变化关系如图5所示。当TID=50 krad(Si)时，擦除态阈值漂移量ΔVTE约为0.35～0.46 V左右，编程态阈值漂移量 ΔVTP约为 0.94～1.11 V左右；当 TID=100 krad(Si)时，擦除态阈值漂移量ΔVTE约为0.59～1.03 V左右，编程态阈值漂移量 ΔVTP约为1.57～1.81 V左右；当TID=150 krad(Si)时，擦除态阈值漂移量ΔVTE约为1.03～1.38 V左右，编程态阈值漂移量VTP约为2.27～2.50 V左右。如图所示，浮栅型P-FLASH器件其阈值电压漂移量随总剂量的变化曲线近似为线性关系，对于编程态P-FLASH器件，总剂量每增加100 krad（Si），器件阈值电压漂移量ΔVTP增加-1.37 V；对于擦除态P-FLASH器件，总剂量每增加100krad（Si），器件阈值电压漂移量 ΔVTE增加 0.80V。

3.2 浮栅型P-FLASH器件编程与擦除时间对总剂量电离效应的影响

本文分别研究了浮栅型P-FLASH器件编程与擦除时间对器件总剂量的影响，采用1/10编程脉冲分别对浮栅器件进行编程/擦除操作，然后研究浮栅器件在同一辐照环境下的总剂量效应。

图5 浮栅型P-FLASH存储单元编程态/擦除态阈值电压漂移量与总剂量的关系

3.2.1 编程态浮栅型P-FLASH器件编程时间对总剂量效应的影响

实验分别采用1个/10个编程脉冲对浮栅型P-FLASH器件进行编程操作，各选取3只（编程态1/编程态2）浮栅器件在同一辐照环境下进行总剂量辐照。辐照后编程态浮栅型P-FLASH器件转移特性曲线如图6所示，器件阈值电压的漂移量ΔVTP如表2所示。

图6 不同编程脉冲数量下浮栅型P-FLASH器件转移特性曲线

由图6可得，在总剂量辐照过程中：（1）增加编程脉冲数量可有效降低浮栅型P-FLASH器件阈值电压的漂移量；（2）两种编程脉冲条件下，浮栅器件的“关”态漏电Ioff、“开”态饱和电流Idsat及跨导gm均未发生明显退化，即编程脉冲数量的增加不会导致器件辐照机理的改变。如表2所示：（1）增加编程脉冲数量，可提高浮栅器件的编程效率，编程态2比编程态1阈值电压提高了约1.2 V左右；（2）辐照过程中，编程态2器件阈值电压漂移量较编程态1小约0.7 V左右。如前2.1.3节所述，编程态浮栅型FLASH器件的总剂量辐照机制主要是空穴的注入及电子的发射，在空穴的注入过程中伴随着与隧道氧化层陷阱中心的符合；而随着编程脉冲数量的增加，沟道中的热电子会不断地注入到浮栅中，这部分高能电子会导致隧道氧化层的不断退化，即在隧道氧化层与硅衬底界面处引入更多的界面电子陷阱中心，大大增加由辐照所产生空穴被复活的概率，从而降低了空穴向浮栅内的注入，导致编程态2浮栅器件阈值电压漂移量变小[13]。

表2 不同编程脉冲数量条件下浮栅型P-FLASH器件阈值电压的漂移量

3.2.2 擦除态浮栅型P-FLASH器件编程时间对总剂量效应的影响

实验分别采用1/10个擦除脉冲对浮栅型P-FLASH器件进行擦除操作，各选取3只（擦除态1/擦除态2）浮栅器件在同一辐照环境下进行总剂量辐照。辐照后擦除态浮栅型P-FLASH器件转移特性曲线如图7所示，器件阈值电压的漂移量ΔVTE如表3所示。

图7 不同擦除脉冲数量下浮栅型P-FLASH器件转移特性曲线

如图7所示，在总剂量辐照过程中：（1）增加编程脉冲数量，可有效增加浮栅型P-FLASH器件阈值电压的漂移量；（2）两种编程脉冲条件下，浮栅器件的“关”态漏电电流Ioff、“开”态饱和电流Idsat及跨导gm均未发生明显退化，即编程脉冲数量的增加同样不会导致器件辐照机理的改变。如表3所示：（1）增加编程脉冲数量，可提高浮栅器件的编程效率，编程态2比编程态1阈值电压提高了约1.2 V左右；（2）辐照过程中，编程态2器件阈值电压漂移量较编程态1小约0.6 V左右。如前2.1.3节所述，擦除态浮栅型FLASH器件的总剂量辐照机制主要是电子的注入及空穴的发射，浮栅型FLASH器件擦除采用F-N直接隧穿的方式，擦除过程中高能电子直接隧穿通过氧化层，会对氧化层产生损伤进而引入更多的电子陷阱中心；在辐照环境下，隧道氧化层中的电子陷阱中心极易在浮栅电荷电场作用下注入到浮栅中，从而加剧擦除态浮栅器件阈值电压的漂移量，因此导致编程态2浮栅器件阈值电压漂移量变大[13]。

表3 不同擦除脉冲数量条件下浮栅型P-FLASH器件阈值电压的漂移量

4 结论

本文研究了90 nm浮栅型P-Channel FLASH单元的总剂量电离辐射效应，主要研究了FLASH单元随总剂量增加的变化规律及编程/擦除时间对FLASH单元抗总剂量能力的影响。研究表明：（1）随着总剂量的增加，浮栅型P-FLASH器件“开”态驱动能力（Idsat）、“关”态漏电（Ioff）及跨导（gm）未发生明显退化，但擦除/编程态的阈值窗口明显减小，且呈现编程态阈值电压（VTP）下降幅度较擦除态（VTE）快的特征；（2）编程/擦除时间的增加会导致FLASH单元阈值电压漂移量，对于编程态FLASH单元，编程时间的增大导致阈值电压漂移量增大，而对于擦除态器件FLASH单元，擦除时间的增加导致阈值电压漂移量减小。综上所述：（1）总剂量的增加仅引起浮栅型P-FLASH单元阈值电压的漂移，即浮栅内电荷的转移；（2）编程/擦除时间的增加导致FLASH单元阈值电压漂移量的差异，主要是由于编程/擦除应力时间的增加，导致隧道氧化层及界面处陷阱电荷的引入所引起的。