盛江坤，邱孟通，姚志斌，何寶平，黃紹艷，劉敏波，肖志剛，王祖軍

(西北核技術(shù)研究所 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安 710024)

NAND型Flash存儲器是一種非易失性存儲器，具有編程和擦除速度快、生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本低、存儲密度大、功耗小及重量輕等優(yōu)點，在電子設備中常用作數(shù)據(jù)存儲。近幾年，美國航天局和歐空局在其衛(wèi)星產(chǎn)品中加強了NAND型Flash存儲器的應用，涉及氣象衛(wèi)星、地球資源探測衛(wèi)星及空間探測器等諸多領(lǐng)域。國內(nèi)也已開展了基于NAND型Flash存儲器的星載固態(tài)存儲技術(shù)的研究與應用[1]?？臻g應用表明，NAND型Flash存儲器抗總劑量能力較差[2-3]，使NAND型Flash存儲器的總劑量效應研究成為空間電子元器件輻射效應研究的一個重要方面。

從20世紀末開始，國外針對NAND型Flash存儲器進行了大量抗總劑量性能的測試考核與效應研究[4-6]。國內(nèi)對Flash存儲器的輻射效應研究主要集中在一種容量小、常用作指令存儲的NOR型Flash存儲器上[7-8]。本文從輻照偏置和工藝尺寸兩方面開展NAND型Flash存儲器的總劑量效應實驗研究。

1 NAND型Flash存儲器

NAND型Flash存儲器的結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。其主要由存儲陣列、電荷泵電路、譯碼電路、緩存電路及控制邏輯電路等組成。

NAND結(jié)構(gòu)通過多位直接串聯(lián)形成一串聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩端各有一選通晶體管，以保證串聯(lián)結(jié)構(gòu)同位線(BL)和地線(SL)相連，字線(WL)與存儲單元的控制柵相連。共享同一字線的存儲單元構(gòu)成邏輯頁，同一組字線上的所有存儲單元構(gòu)成邏輯塊。頁是編程操作的基本單位，塊是擦除操作的基本單位。

電荷泵電路用于產(chǎn)生各類操作需要的高電壓；譯碼電路將電荷泵產(chǎn)生的電壓施加到相應的存儲單元上；緩存電路用于緩存讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)；控制邏輯電路負責與用戶通信，并控制存儲器執(zhí)行各類操作。

存儲單元的編程和擦除操作通過FN隧穿效應實現(xiàn)(圖2)。執(zhí)行編程操作時，在控制柵上加高壓，使電子從襯底進入浮柵，提高存儲單元的閾值電壓，此時存儲數(shù)據(jù)為0；執(zhí)行擦除操作時，在襯底上加高壓，使浮柵上的電子回到襯底，降低存儲單元的閾值電壓，此時存儲數(shù)據(jù)為1。

圖1 NAND型Flash存儲器結(jié)構(gòu)

圖2 存儲單元的編程(a)與擦除(b)

進行讀出操作時，使串聯(lián)結(jié)構(gòu)上的選通晶體管和其他存儲單元處于導通狀態(tài)，在需要讀出的存儲單元上施加判讀電壓，判讀電壓的值介于編程狀態(tài)和擦除狀態(tài)的閾值電壓之間，通過判斷整個串聯(lián)結(jié)構(gòu)的導通狀態(tài)來判斷存儲單元上存儲的數(shù)據(jù)。

2 實驗

實驗在西北核技術(shù)研究所60Co γ射線源上進行，輻照劑量率為0.5 Gy(Si)/s。實驗選取鎂光公司4種不同型號的NAND型Flash存儲器。被測器件信息列于表1。

表1 被測器件信息

實驗所用的測試系統(tǒng)為自主研制的NAND型Flash存儲器總劑量效應測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)可對被測器件的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)、擦寫時間、擦寫功能、指令響應及靜態(tài)電流進行測試。

NAND型Flash存儲器的測試方法分為刷新測試和非刷新測試。非刷新測試模式下，測試系統(tǒng)對被測器件執(zhí)行讀出操作，并進行數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)測試。刷新測試模式下，測試系統(tǒng)對被測器件順序執(zhí)行擦除、編程和讀出操作，通過測量R/B信號低電平保持時間得到擦寫時間，通過讀出被測器件狀態(tài)寄存器的值及讀出操作來判斷擦寫功能是否失效。兩種測試模式下通過監(jiān)測被測器件R/B信號電平是否正常轉(zhuǎn)換來判斷指令響應是否正常。靜態(tài)加電條件下通過高端法測量靜態(tài)電流。

針對MT29F2G08AAD，實驗選用靜態(tài)加電、不加電及動態(tài)3種輻照偏置，來研究輻照偏置對器件總劑量效應的影響。靜態(tài)加電和不加電輻照偏置下，輻照一定總劑量后，對器件執(zhí)行刷新測試或非刷新測試，然后循環(huán)上述過程。動態(tài)輻照偏置下，對器件循環(huán)執(zhí)行刷新測試或非刷新測試。執(zhí)行刷新測試或非刷新測試時，向器件寫入的數(shù)據(jù)為55H。針對表1所列的4種器件，通過開展靜態(tài)加電輻照偏置下的總劑量效應實驗，來研究不同工藝尺寸器件的總劑量效應的異同性。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 輻照偏置對總劑量效應的影響

實驗中僅發(fā)現(xiàn)0到1的翻轉(zhuǎn)，即浮柵上的電子消失。圖3為MT29F2G08AAD在不同輻照偏置下數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率隨總劑量的變化。

圖3 MT29F2G08AAD在不同輻照偏置下數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率隨總劑量的變化

總劑量在200～700 Gy(Si)之間時，3種輻照偏置下的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率均迅速升高，且翻轉(zhuǎn)率相當。根據(jù)NAND型Flash存儲器的工作原理，靜態(tài)加電和不加電輻照偏置下，存儲陣列的偏置均為柵極浮空；動態(tài)輻照偏置下，雖因循環(huán)讀出而在相應存儲單元的柵極上施加正電壓，但正電壓維持的時間很短，在整個輻照時間中占的比例很小，因此動態(tài)條件下存儲陣列的輻照偏置與另外兩種偏置相似，從而使總劑量相同時器件在3種偏置狀態(tài)下的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率相當。

當總劑量達800 Gy(Si)左右時，靜態(tài)加電和動態(tài)輻照偏置下數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率變?yōu)?，這種現(xiàn)象是由讀出功能失效造成的。隨輻照劑量的積累，電荷泵電路的輸出電壓降低，譯碼電路的漏電流增大[9]。這些因素使施加在存儲單元控制柵上的電壓降低，造成整個串聯(lián)結(jié)構(gòu)無法正常導通，進而導致翻轉(zhuǎn)為1的存儲單元又被重新讀為0，因此測試時表現(xiàn)為數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率降低。動態(tài)輻照偏置下，電荷泵啟動的時間僅占讀出時間的5%左右，所以靜態(tài)加電和動態(tài)兩種輻照偏置下器件的讀出功能失效閾值相差不大。

不加電輻照偏置下的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率在總劑量大于800 Gy(Si)時繼續(xù)升高，在總劑量達到1 000 Gy(Si)時變?yōu)?00%，即回讀數(shù)據(jù)全部為FFH，這并非是由存儲單元全部翻轉(zhuǎn)造成的，而是由讀出功能失效引起的。

圖4 MT29F2G08AAD在600 Gy(Si)和700 Gy(Si)時的翻轉(zhuǎn)位圖

圖4為靜態(tài)加電輻照的MT29F2G08AAD在600 Gy(Si)和700 Gy(Si)時的翻轉(zhuǎn)位圖，其他總劑量點及不同偏置的翻轉(zhuǎn)位圖與圖4相似。從圖4可看出，器件的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)呈一定的隨機特性，在塊的起始頁和結(jié)束頁翻轉(zhuǎn)數(shù)較多，這一階段的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)是由存儲單元閾值電壓漂移造成的。在電離輻射作用下，浮柵周圍的氧化層中產(chǎn)生電子空穴對，未發(fā)生復合的電子在電場的作用下被迅速掃出氧化層，空穴在電場的作用下向浮柵移動，一部分進入到浮柵中與電子復合，另一部分陷在氧化層中，形成氧化層正電荷，同時，浮柵上的電子在輻照后獲得足夠的能量而躍過氧化層勢壘。這些因素都會造成浮柵上的電荷損失，使存儲單元的閾值電壓發(fā)生負向漂移[10]。輻照劑量較小時，閾值電壓雖漂移，但尚未小于判讀電壓，因此未出現(xiàn)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)；當輻照劑量累積到一定程度時，閾值電壓小于判讀電壓，就會檢測到0到1的翻轉(zhuǎn)。由于生產(chǎn)工藝及脈沖電壓擾動等因素，存儲單元的閾值電壓呈一定的隨機分布特性，因此數(shù)據(jù)位的翻轉(zhuǎn)亦呈一定的隨機分布特性。

圖5為MT29F2G08AAD歸一化總擦除時間和編程時間隨總劑量的變化。從圖5可看出，靜態(tài)加電和動態(tài)輻照偏置下，擦除時間和編程時間的變化趨勢相同，均在輻照劑量累積一定程度后因外圍電路性能退化而變長。但操作時間的變長并不是連續(xù)的，圖6為MT29F2G08AAD在不同總劑量下的擦除時間分布。從圖6可看出，擦除時間的變化是階躍性的，按約375 μs的倍數(shù)增長。編程時間的變長同樣是階躍性的，但編程時間變長的頁數(shù)較少，因此編程時間的增長率較低。

擦除時間和編程時間呈階躍性變長主要由NAND型Flash存儲器的工作機制[11]造成。擦除和編程的操作流程均為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，一次擦除或編程操作結(jié)束后將對操作結(jié)果進行驗證，若操作成功則退出操作，若不成功則再進行一次操作。

如果循環(huán)一定次數(shù)后擦除或編程操作仍不成功，則退出操作流程，并提示操作失敗。因此當操作時間增大到一定值后，器件的擦除功能和編程功能將失效。實驗發(fā)現(xiàn)，600 Gy(Si)時，進行靜態(tài)加電輻照的4個器件均擦除成功；700 Gy(Si)時，3個器件的全部塊地址擦除失敗，1個器件的兩個塊地址擦除失敗；800 Gy(Si)時，4個器件全部塊地址擦除失敗。這表明靜態(tài)加電輻照偏置下器件的擦除功能失效閾值在600～800 Gy(Si)之間。進行動態(tài)輻照的3個器件分別在621、657及661 Gy(Si)時全部塊地址擦除失敗。實驗中并未發(fā)現(xiàn)編程功能失效，僅監(jiān)測到編程時間的變長。從擦除時間和編程時間的變化及擦除功能失效閾值看，靜態(tài)加電輻照偏置和動態(tài)輻照偏置的實驗結(jié)果相似，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是動態(tài)輻照偏置下電荷泵啟動的時間在整個輻照時間中占的比例較小，僅占約20%。

圖5 擦除時間及編程時間隨總劑量的變化

圖6 不同總劑量下擦除時間的分布

不加電輻照偏置下，編程時間在功能失效前略有上升，而擦除時間無明顯變化，總劑量達1 000 Gy(Si)后，操作時間突然降低至接近0，且所有編程操作和擦除操作均失敗，回讀的數(shù)據(jù)全部為FFH，與非刷新測試的結(jié)果相似，說明不加電輻照偏置下的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率變?yōu)?00%是由讀出功能失效造成的。不加電輻照下失效現(xiàn)象不同于另外兩種偏置的失效現(xiàn)象，表明不同輻照偏置下引起功能失效的敏感電路不同。

實驗中被測器件的指令響應正常。靜態(tài)偏置下進行非刷新測試時未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表明輻照并未對存儲單元造成致命的損傷，重新執(zhí)行擦除和編程操作后，可補充浮柵上損失的電荷，這一現(xiàn)象為NAND型Flash存儲器的航天應用提供了啟示，即在保存的數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)前，對衛(wèi)星上的Flash存儲器進行重新寫入，可提高數(shù)據(jù)的保存時間，直至器件的功能失效。不加電輻照偏置下器件的功能失效閾值高于靜態(tài)加電和動態(tài)輻照偏置的情況，表明器件在冷備份狀態(tài)下會有更長的壽命。

3.2 不同工藝尺寸器件的總劑量效應

圖7分別為4種器件數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率、擦除時間及靜態(tài)電流隨總劑量的變化，其功能失效閾值列于表2。

圖7 4種器件的翻轉(zhuǎn)率、擦除時間及靜態(tài)電流隨總劑量的變化

表2 4種器件功能失效閾值

4種器件的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)率變化趨勢相似，均表現(xiàn)為先升高、后由于讀出功能失效而變?yōu)?。翻轉(zhuǎn)數(shù)迅速增加是由存儲單元閾值電壓漂移造成的，存儲單元閾值電壓的漂移不僅與氧化層厚度有關(guān)，還與氧化層介電常數(shù)及輻照前浮柵電荷量等參數(shù)有關(guān)[10]。另外，對于當前工藝下的NAND型Flash存儲器，考慮到數(shù)據(jù)的可靠性原因，氧化層的厚度已不能隨工藝尺寸等比例縮小[3]，因此，翻轉(zhuǎn)數(shù)并不隨器件的工藝尺寸單調(diào)變化。

4種器件的擦除時間先變長，增長到一定值后產(chǎn)生功能失效。對于1G、2G和4G器件，其擦除功能的失效閾值隨工藝尺寸的減小而增大，這與常見的器件抗總劑量性能隨工藝尺寸的變化規(guī)律相符合。但8G器件卻并不符合此規(guī)律，擦除功能在400 Gy(Si)處即發(fā)生失效，其原因可從影響電荷泵輸出電壓的因素進行分析。

電荷泵的輸出電壓為：

(1)

其中：VDD為電荷泵供電；Vφ為時鐘信號高電平；Vth為MOS管閾值電壓；C為時鐘耦合電容；CS為電荷泵每一級的寄生電容；Iout為電荷泵輸出電流；f為時鐘頻率；N為電荷泵級數(shù)。

由式(1)可看出，大的負載電流會降低電荷泵的輸出電壓，進而對擦除功能造成影響。8G器件的塊容量是其他3種器件的兩倍，在執(zhí)行擦除操作時需更大的電流，因此更易產(chǎn)生擦除失敗。輻照前，8G器件小部分塊擦除時間與其他3種器件相同，均為400 μs左右，但大部分塊擦除時間大于800 μs，是其他器件的兩倍，這也反映出大的負載電流對擦除功能的影響。

1G、2G和4G器件功能失效時靜態(tài)電流均有較大的增長，且器件的靜態(tài)電流開始增大時，相同總劑量下工藝尺寸越小的器件靜態(tài)電流變化越小，而8G器件在功能失效時靜態(tài)電流卻無明顯變化，這也從側(cè)面說明了8G器件功能失效的原因與其他器件不同。

4 小結(jié)

本文對鎂光公司的4種NAND型Flash存儲器進行了不同輻照偏置下的總劑量效應實驗及不同工藝尺寸器件的靜態(tài)加電輻照實驗。實驗結(jié)果表明，器件在靜態(tài)加電和動態(tài)輻照偏置下的總劑量效應相似，而與不加電輻照偏置下的總劑量效應不同，表明不同輻照偏置下引起功能失效的敏感電路不同。不同工藝尺寸器件的各敏感參數(shù)變化趨勢相似，受各種因素的綜合影響，其并不隨工藝尺寸單調(diào)變化。

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