楊大為，劉利芳，譙鳳英，陸 虹，潘立陽

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2.清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，北京110084）

·大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用·

閃存高壓電路的總劑量輻射效應(yīng)研究

楊大為1，劉利芳2，譙鳳英2，陸 虹1，潘立陽2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2.清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，北京110084）

研究了閃存電路系統(tǒng)中高壓電路的總劑量輻射效應(yīng)（TID）。通過對內(nèi)部高壓電荷泵電路和高壓負(fù)載電路的TID輻射效應(yīng)測試研究，表明輻照后高壓通路相關(guān)的存儲陣列及高壓晶體管漏電將造成電荷泵電路的負(fù)載電流過載失效，最終導(dǎo)致閃存電路編程或擦除操作失效。

閃存；高壓電路；電荷泵；總劑量輻射

1 背景介紹

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子產(chǎn)品被應(yīng)用到空間輻射環(huán)境中，如宇宙飛船、導(dǎo)航衛(wèi)星等。在航空系統(tǒng)中需要使用電子器件實(shí)現(xiàn)對航空系統(tǒng)的控制，尤其需要通過非揮發(fā)閃存芯片實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲。閃存芯片具有高密度以及非揮發(fā)的特點(diǎn)，被大量應(yīng)用到航空系統(tǒng)中［1］。除空間應(yīng)用外，閃存芯片還應(yīng)用到其它的高劑量輻射環(huán)境中，如軍事應(yīng)用、高空飛機(jī)、醫(yī)療、高能物理、工藝和核電站等。然而隨著器件尺寸的縮小，發(fā)生輻射寄生效應(yīng)所需要的輻射劑量越小，因此需要研究非揮發(fā)存儲器的輻射特性和加固設(shè)計(jì)方法。

閃存芯片包含存儲陣列及各個(gè)電路模塊，其中高壓電荷泵和相關(guān)的外圍高壓電路主要用于產(chǎn)生和傳輸對存儲陣列編程和擦除操作時(shí)所需要的不同高電壓［2］。輻射對每個(gè)模塊電路的影響不一樣，而高壓電路關(guān)系到整個(gè)存儲器芯片的操作，是閃存系統(tǒng)中對輻射非常敏感的電路模塊。相關(guān)研究表明，在20～60krad（Si）的輻照下閃存器件就會(huì)產(chǎn)生編程錯(cuò)誤［3］。所以，探索電荷泵及其相關(guān)高壓電路在輻照情況下的退化機(jī)制具有十分重要的研究價(jià)值和實(shí)際意義。然而，目前的相關(guān)研究都集中在完整商業(yè)存儲芯片的抗輻照特性和單個(gè)高壓晶體管的抗輻照特性方面，并沒有對輻照后高壓產(chǎn)生和管理電路對整個(gè)系統(tǒng)的影響單獨(dú)進(jìn)行分析［4－5］。

論文研究了NOR閃存系統(tǒng)中高壓電荷泵及其相關(guān)管理電路的抗總劑量輻射特性。通過檢測在不同輻照劑量下該電荷泵的輸出和相關(guān)管理電路的退化特性，分析了導(dǎo)致高壓操作失效的主要機(jī)制。

2 測試器件及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用基于130nm工藝制造的NOR閃存芯片（如圖1［6］），對該芯片內(nèi)部與存儲單元高壓操作相關(guān)的兩個(gè)－3.7V和＋6.8V電荷泵進(jìn)行了輻照實(shí)驗(yàn)。電荷泵電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括Dickson電荷泵（即電容二極管結(jié)構(gòu)［2］），電壓驅(qū)動(dòng)（Clk）和帶有1V基準(zhǔn)的輸出采樣電路（regulator）。

圖1 NOR閃存芯片照片

圖2 電荷泵結(jié)構(gòu)示意

為了監(jiān)測高壓電路在輻射中的退化，芯片可以在兩種工作模式下測試高壓：①高壓測試模式，即芯片僅啟動(dòng)電荷泵電路時(shí)測試電荷泵輸出高壓；②芯片寫模式，即芯片進(jìn)行編程擦除操作，測試電荷泵帶負(fù)載工作情況下的內(nèi)部高壓。圖3給出了芯片的高壓切換結(jié)構(gòu)示意。在操作模式1中，高壓測試使能信號為1，開關(guān)S1／S3打開，S2／S4關(guān)閉，電荷泵電路開始工作，將產(chǎn)生的正高壓和負(fù)高壓輸出到測試端口。在操作模式2中，芯片工作在寫模式，開關(guān)S1／S3關(guān)閉，S2／S4打開，測試編程擦除操作的內(nèi)部高壓。在整個(gè)芯片接受輻照之前，整個(gè)芯片的功能和相關(guān)電荷泵的測試模式已經(jīng)經(jīng)過電學(xué)測試。

圖3 芯片高壓可測性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意

該芯片采用gamma射線輻射，輻射劑量率為50rad（Si）／s。在整個(gè)輻射過程中，芯片被偏置在讀取模式，電荷泵電路處于關(guān)斷狀態(tài)。我們對芯片進(jìn)行了不同總劑量的輻射，包括50，80，100，200krad（Si）。為避免退火效應(yīng)的影響，輻照后的電學(xué)性能測試在半個(gè)小時(shí)以內(nèi)進(jìn)行。在本實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)測試了幾個(gè)芯片，不同芯片的性能基本一致。

3 結(jié)果與討論

電荷泵電路的輸出高壓可以通過式（1）計(jì)算［7］：

其中VOUT為電荷泵實(shí)際輸出高壓，Vmax為負(fù)載為0時(shí)電荷泵的輸出電壓，ROUT為電荷泵輸出電阻，ILOAD為電荷泵負(fù)載電流。閃存芯片的電荷泵負(fù)載電流包括電荷泵本身晶體管的漏電流、高壓電路以及存儲陣列的漏電流等。如圖4顯示，在正負(fù)壓電荷泵的輸出電壓分別為6.8V和－3.7V時(shí)，其輻照前的電流負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力約為80μA到100μA。當(dāng)負(fù)載電流超過80μA時(shí)，隨著負(fù)載電流的增加，輸出電壓開始降低。此處的負(fù)載電流包括S2／S4打開時(shí)存儲陣列和高壓晶體管的漏電。

圖4 正負(fù)壓電荷泵的驅(qū)動(dòng)能力測試結(jié)果

當(dāng)芯片進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)后，測試結(jié)果顯示，當(dāng)輻射劑量低于50krad（Si）時(shí)芯片可以正常編程擦除；輻射劑量到80krad（Si）時(shí)芯片能正常擦除、但無法編程；輻射劑量到100krad（Si）時(shí)芯片編程和擦除都已經(jīng)失效。為了分析芯片的操作失效機(jī)制，測試了芯片寫模式下的輸出高壓，測試結(jié)果如圖5所示。編程操作時(shí)（紅色曲線），芯片的負(fù)壓隨著TID的增加而下降：TID為80krad（Si）時(shí)負(fù)壓下降到－2V以下，編程操作失效。但此時(shí)正高壓沒有出現(xiàn)退化，一直為6.8V。擦除操作時(shí)與之相反（藍(lán)色曲線）：芯片的負(fù)壓沒有退化，但正壓出現(xiàn)了退化。TID為80krad（Si）時(shí)正高壓下降到6V；TID為100krad（Si）時(shí)正壓下降到4V，芯片擦除操作失效。

由圖5可見編程時(shí)正高壓沒有退化，擦除時(shí)負(fù)高壓沒有退化。對比表1中存儲單元操作時(shí)的端口偏置電壓，分析可知未退化的高壓均只加到存儲單元的柵極（WL）上。與此同時(shí)，存儲陣列位線（BL）上的結(jié)端口電壓（源端、漏端以及Pwell）均出現(xiàn)退化。這表明輻射下的高壓退化可能是由電路列方向的陣列或者高壓傳輸管漏電流增加，超過了電路的負(fù)載能力所導(dǎo)致。

圖5 芯片不同TID下編程與擦除模式的高壓

表1 存儲單元操作關(guān)鍵端口電壓

閃存電路列方向的主要可能漏電路徑為存儲陣列以及全局位線（GBL）的高壓傳輸管，如圖6所示。在閃存芯片中，每個(gè)Sector有2k列存儲單元，同時(shí)也有2k個(gè)傳輸管。從圖6（a－c）可以看到，選中區(qū)塊內(nèi)編程的列，在傳輸管的漏端有一個(gè)－3.7V的電壓偏置，而擦除操作時(shí)有一個(gè)6.8V的電壓加到該高壓管的源端。同時(shí)編程禁止的存儲單元所在的列，由于Pwell電位為－3.7V，BL電位為1.1V，也存在一個(gè)4.8V的結(jié)高壓。TID輻射后，改變同一頁編程禁止單元的比例（數(shù)據(jù)“0”的字節(jié)數(shù)），監(jiān)測到負(fù)高壓的退化特性不一樣。如圖7所示，隨著編程禁止列數(shù)的增加，負(fù)壓的退化更嚴(yán)重。因?yàn)楦淖兙幊探箚卧臄?shù)目即改變負(fù)壓電荷泵驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，這表明高壓的退化與列方向的存儲管或者傳輸管在高壓偏置（如編程禁止）下的漏電流相關(guān)。

圖6 閃存芯片高壓通道結(jié)構(gòu)示意圖

高壓MOS受TID輻射的影響較低壓MOS更為嚴(yán)重，其中一個(gè)顯著退化效應(yīng)是泄漏電流增加。圖6中的高壓傳輸管操作時(shí)施加高的漏結(jié)偏置電壓，會(huì)導(dǎo)致更大的泄漏電流，即輻射導(dǎo)致漏端勢壘降低效應(yīng)（DIBL）［5，8］。如圖8所示，在80krad（Si）輻照條件下，單個(gè)高壓MOS在5V漏端偏置下的泄漏電流超過5nA；芯片中2k個(gè)晶體管的漏電流則達(dá)到了100μA。除此之外，存儲陣列以及其它高壓管的漏電流也會(huì)導(dǎo)致整體負(fù)載電流的增加，使得負(fù)載電流超過100μA，最終使電荷泵負(fù)載過載。因此，高壓傳輸晶體管與存儲陣列漏電流的增加，超過電荷泵的電流負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，是輻射下閃存芯片操作功能失效的主要原因。

圖7 TID輻射一頁中不同編程禁止列比例負(fù)高壓的退化

圖8 高壓管在5V偏置條件下TID誘生漏電

另外，我們還測試了正負(fù)高壓電荷泵在輻照后的電流負(fù)載能力，如圖9所示。50krad（Si）后，兩個(gè)電荷泵的電路負(fù)載能力出現(xiàn)輕微上升，可能是由于NMOS晶體管的VTH降低所導(dǎo)致。隨著TID的升高，電荷泵的驅(qū)動(dòng)能力首先出現(xiàn)輕微上升然后開始下降。這是因?yàn)樵谳椛涑跗贜MOS晶體管的VTH下降占主導(dǎo)因素，隨著TID的增加，高壓晶體管本身的漏電流增加占主導(dǎo)，使得負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力輕微下降。單獨(dú)的電荷泵電路在100krad（Si）之后仍能正常工作：負(fù)壓的驅(qū)動(dòng)能力約為60μA，正壓的驅(qū)動(dòng)能力約為100μA，且空載時(shí)的電壓值均沒有發(fā)生退化。因此，電荷泵電路本身在輻射下的退化可以忽略。這表明輻射下操作失效不是由電荷泵的驅(qū)動(dòng)能力下降導(dǎo)致的。

綜上所述，閃存芯片在TID輻射下操作失效不是電荷泵本身的退化導(dǎo)致的。結(jié)合輻射前后電荷泵驅(qū)動(dòng)能力的變化、編程擦除操作高壓的退化及高壓晶體管的輻射退化特性，表明TID輻射后芯片列方向的漏電流增加，包括高壓傳輸管和存儲陣列的漏電流增加，是寫操作失效的根本原因。

圖9 正負(fù)電荷泵輻射下的負(fù)載能力

4 結(jié)束語

詳細(xì)討論了閃存中高壓電路的總劑量輻照退化特性。研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的電荷泵電路可以承受大于100krad（Si）的總輻照劑量。但是，一定量的輻照會(huì)導(dǎo)致高壓通道上列方向晶體管漏電增大，從而增加電荷泵電路的電流負(fù)載，最終引起編程和擦除操作失效。相關(guān)研究可為后續(xù)的抗加電路設(shè)計(jì)提供借鑒。

［1］Gasperin A.Advanced Non－Volatile Memories：Reliability and ionizing radiation Effects［PhD thesis］［C］.Universitàdegli Studi di Padova，Italy，2008：19.

［2］G Compardo，M Scotti，SScommegna，SPollara，A Silvagni.An overview of flash architectural developments［J］.in Proc.IEEE，2003（91）：523－536.

［3］M Bagatin，G Cellere，S Gerardin，A Paccagnella，A Visconti，S Beltrami.TID sensitivity of NAND flash memory building blocks［J］.IEEE Trans.Nucl.Sci.，2009（56）：1909－1913.

［4］S Gerardin，M Bagatin，A Paccagnella，K Grürmann，F(xiàn) Gliem，T R Oldham，F(xiàn) Irom，D N Nguyen.Radiation effects in flash memories［J］.IEEE Trans.Nucl.Sci.，2013（60）：1953－1969.

［5］Z L Liu，Z Y Hu，Z H Zhang，H Shao，M Chen M，D W Bi，B Ning，RWang R，S Zou.Total ionizing dose effects in high voltage devices for flash memory［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B，2010（268）：3498－3503.

［6］F Y Qiao，X Yu X，L Y Pan，H Z Ma，D Wu，JXu.TID characterization of 0.13μm SONOS cell in 4Mb NOR flash memory［C］.in Proc.Int.Symp.Phys.Failure Anal.Integr.Circuits，2012：1－4.

［7］Z Y Hu，Z L Liu，H Shao，Z X Zhang，Z X，B X Ning，M Chen，D W Bi，S Zhou.Total ionizing dose effects in elementary devices for 180－nm flash technologies［J］.Microelectron Reliab，2011（51）：1295－1301.

［8］JR Schwank，M R Shaneyfelt，D M Fleetwood，JA Felix，PEDodd，SMember，PPaillet，V Ferlet－Cavrois.Radiation effects in MOS oxides［J］.IEEE Trans.Nucl.Sci.，2008（55）：1833－1853.

Investigation of Total Ionizing Dose（TID）Effect on High－Voltage Circuits in Flash Memory

YANG Da－wei1，LIU Li－fang2，QIAO Feng－ying2，LU Hong1，PAN Li－yang2
（1.The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2.Institute of Microelectronics，Tsinghua University，Beijing 1100084，China）

The TID radiation degradation of high－voltage circuits in the flashmemory circuit system is studied.We evaluates the effect of TID radiation to the internal high－voltage charge pumpings and their periphery circuits.The results show that the functional failures of charge pumping circuits are induced by the increasing leakage ofmemory array and high－voltage transistors after radiation，and leads to operation failure from the programming.

Flash memory；High－voltage circuits；Charge pumping；Total Ionizing Dose（TID）

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.002

TN47

：A

：1002－2279（2014）06－0004－04

楊大為（1977－），遼寧沈陽人，碩士，高級工程師，主研方向：集成電路設(shè)計(jì)。

2014－10－08