劉 岐，沈鳴杰，董 藝

（上海復旦微電子集團股份有限公司，上海 200433）

0 引言

Flash存儲器是一種用于數(shù)據(jù)或程序存儲的通用集成電路產(chǎn)品，主要有浮柵型和電荷俘獲型2種，浮柵型因具有優(yōu)異的可靠性，被廣泛應用于消費電子、工業(yè)和航空航天等領域；電荷俘獲型因其高溫特性略差，大多應用于消費電子領域。

Flash存儲器的可靠性有2項基本指標：擦寫耐久和數(shù)據(jù)保持。擦寫耐久是指存儲器在滿足功能和電參數(shù)指標前提下的數(shù)據(jù)可重寫能力，通常用擦寫循環(huán)次數(shù)表征，對于Flash存儲器，該值通常為104～105；數(shù)據(jù)保持是指存儲器經(jīng)時間推移仍然可以保持數(shù)據(jù)的能力，通常用數(shù)據(jù)保持時間表征，對于Flash存儲器，該值通常為55 ℃下數(shù)據(jù)保持10年。若應用在航空航天領域，則對存儲器還有抗輻射的相關要求。在空間環(huán)境中，F(xiàn)lash存儲器會受到空間輻射的影響，主要可分為單粒子效應、電離總劑量效應和位移損傷3種類型。其中，單粒子效應是高能粒子引起的一些瞬時效應，主要對CMOS電路有影響，部分單粒子效應對雙極型和光電電路也有影響；電離總劑量效應[1]會使原子或分子電離產(chǎn)生大量的電子-空穴對，對雙極型和CMOS電路都有影響；位移損傷[2]會使原子或離子的位置發(fā)生移動，在半導體內(nèi)形成缺陷，對雙極型和光電電路有影響，對CMOS電路（包括Flash存儲器）無影響。本文主要研究電離總劑量效應的影響。

對浮柵型Flash存儲器的總劑量效應、擦寫耐久和數(shù)據(jù)保持特性各自的機理以及它們之間的相互影響已有較多研究，但仍存在局限，如：基于商用Flash產(chǎn)品的研究[3]，受外圍MOSFET器件抗輻射性能所限，試驗的總劑量較低，未超過50 krad(Si)；也有的研究[4]總劑量較高，但評估的偏置條件不夠全面，未評估動態(tài)偏置條件的影響。本文研究了較高總劑量以及含動態(tài)偏置在內(nèi)的多種偏置條件下的總劑量效應對浮柵型Flash存儲器擦寫耐久和數(shù)據(jù)保持特性的影響。

1 研究對象

本文的研究對象是浮柵型Flash存儲器[5-7]。存儲單元是Flash存儲器的核心器件，決定了其可靠性。浮柵器件采用浮柵（FG）存儲電荷，器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)浮柵中存儲電荷量的不同來表示不同的存儲數(shù)據(jù)，一個單元可以存儲1 bit（SLC）、2 bit（MLC）甚至 3 bit（TLC）數(shù)據(jù)。對于可靠性要求較高的應用，一般采用SLC方式，即一個單元存儲1 bit數(shù)據(jù)，其閾值電壓有擦除態(tài)和編程態(tài)2個狀態(tài)。

圖1 浮柵器件結(jié)構(gòu)示意（非按比例繪制）Fig.1 The structure of floating gate device (not in scale)

Flash存儲器的基本操作包括編程、擦除和讀。編程操作采用溝道熱電子注入（NOR型Flash）或FN隧穿效應（NAND型Flash）向浮柵注入電子，使閾值電壓升高；擦除操作采用FN隧穿效應將浮柵中的電子擦除，使閾值電壓降低；讀操作在控制柵（CG）上施加一個電壓（稱為讀電壓），該電壓介于編程態(tài)和擦除態(tài)閾值電壓之間，根據(jù)讀出電流大小區(qū)分存儲單元是處于擦除態(tài)（一般用數(shù)據(jù)“1”表示）還是編程態(tài)（一般用數(shù)據(jù)“0”表示）。由于多個存儲單元浮柵存儲的電荷量不可能完全相同，閾值電壓會呈現(xiàn)一個分布（如圖2所示），其分布范圍的寬窄由編程和擦除操作算法決定，不同工藝、不同算法下的閾值分布會有所不同。閾值電壓靠近讀電壓（例如5 V）的單元，經(jīng)過擦寫耐久和數(shù)據(jù)保持等可靠性試驗后，更容易出錯，這部分單元的數(shù)量及其閾值決定了可靠性考核試驗的結(jié)果，因此本文僅對這部分單元的閾值電壓（介于4～7 V之間）分布進行閾值掃描，對可靠性無影響的、閾值電壓離讀電壓較遠（＜4 V或＞7 V）的單元不進行閾值掃描測試。

圖2 Flash 存儲單元閾值電壓分布示例Fig.2 Threshold voltage distribution of flash memory cell

2 試驗方案

采用復旦微電子公司 65 nm工藝、32 Mbit NOR型Flash產(chǎn)品進行總劑量效應、擦寫循環(huán)和數(shù)據(jù)保持試驗。具體試驗方案如下：

1）輻射總劑量（TID）效應試驗[8]條件：輻射源60Co，劑量率 50 rad(Si)/s，總劑量 150 krad(Si)——這是未來Flash產(chǎn)品的設計目標值。輻射試驗偏置條件包括靜態(tài)待機、動態(tài)讀和動態(tài)擦寫3種。靜態(tài)待機偏置（TID_SDB）——樣片上電，輸入管腳接電源，輸出管腳浮空；動態(tài)讀偏置（TID_RD）——以1 MHz頻率進行連續(xù)、循環(huán)的讀操作；動態(tài)擦寫偏置（TID_WR)——對樣片的一半空間進行連續(xù)、循環(huán)的扇區(qū)擦除和頁編程操作（另一半空間不做操作），整個總劑量效應試驗過程中進行約50次擦寫循環(huán)。受輻射試驗平臺通信速度所限，進行 1 次擦寫循環(huán)耗時 1 min，150 krad(Si)總劑量效應試驗時間為50 min，故整個總劑量效應試驗中可進行50次擦寫循環(huán)操作。

2）數(shù)據(jù)圖形：以扇區(qū)為單位，前8個扇區(qū)數(shù)據(jù)圖形依次為 00h、FFh、CKBD、ICKBD、55h、AAh、ICKBD、CKBD，后面扇區(qū)依次循環(huán)，每個樣片每種圖形至少4 Mbit存儲單元（其中CKBD和ICKBD圖形各有8 Mbit），所有樣片在試驗前初始化成相同的數(shù)據(jù)圖形。

3）擦寫循環(huán)（NVCE）試驗[9]條件：為了縮短試驗時間，選取部分空間按該產(chǎn)品擦寫耐久指標最大次數(shù)（104次）、其余空間按擦寫耐久指標的10%（103次）進行擦寫循環(huán)試驗，每次寫入相同的數(shù)據(jù)圖形。

4）數(shù)據(jù)保持試驗條件：分別在高溫（HT）和常溫（LT）條件下進行，高溫試驗溫度為150 ℃，最長測試至340 h（若Ea取1.1 eV，按阿倫紐斯公式可等效為55 ℃下數(shù)據(jù)保持240年）；常溫最長測試至500 h。整個數(shù)據(jù)保持試驗過程中，數(shù)據(jù)不刷新。

5）數(shù)據(jù)刷新（ReWR）：按數(shù)據(jù)圖形要求，全空間重新寫入一次數(shù)據(jù)。

6）試驗順序：先進行總劑量效應試驗，再進行擦寫循環(huán)試驗，最后進行數(shù)據(jù)保持試驗。針對不同的研究目的，某些分組會跳過某項或某些項試驗。例如為了評估總劑量效應對擦寫耐久的影響，會有2個分組，一組先進行總劑量效應試驗，再進行擦寫循環(huán)試驗；另一組跳過總劑量效應試驗，只進行擦寫循環(huán)試驗，比較2組樣片的試驗結(jié)果以判斷總劑量效應對擦寫耐久的影響。本文假設總劑量效應、擦寫循環(huán)和數(shù)據(jù)保持試驗的先后順序?qū)υ囼灲Y(jié)論無影響，未對其他試驗順序進行評估。

7）樣片數(shù)量：每個試驗分組包括3個樣片，樣片的試驗條件完全相同。由于有些試驗有多個試驗條件，則某些分組的前置試驗可能多于3個樣片，比如做過擦寫循環(huán)試驗的樣片，需要分2組分別進行高溫和常溫數(shù)據(jù)保持試驗，則進行擦寫循環(huán)試驗需要6個樣片。

8）電測試：所有試驗前、總劑量效應試驗后、擦寫循環(huán)試驗后和數(shù)據(jù)保持試驗后進行電測試，包括功能測試、電參數(shù)測試及存儲單元閾值掃描，閾值電壓掃描范圍4～7 V。

3 總劑量效應試驗

總劑量效應試驗后的閾值電壓測試，編程態(tài)單元采用6 V、擦除態(tài)單元采用4.5 V的加嚴條件讀出，統(tǒng)計失效單元數(shù)目。失效判據(jù)為編程態(tài)單元閾值低于6 V或擦除態(tài)單元閾值高于4.5 V。試驗結(jié)果如圖3所示，圖中數(shù)據(jù)為每組樣片的平均值，為了比較不同圖形的影響，失效單元數(shù)目換算為每2 Mbit存儲單元有多少個單元失效。具體數(shù)據(jù)處理方法為：一個樣片有4 Mbit空間存儲00h圖形，這一空間有 4 Mbit個“0”和 0 個“1”，而若存儲 55h（或 AAh、CKBD、ICKBD）圖形，則有 2 Mbit個“0”和 2 Mbit個“1”。數(shù)據(jù)處理時，將 00h圖形的編程態(tài)失效單元數(shù)目除以2，即換算成每2 Mbit平均有多少個失效單元，而55h（或AAh、CKBD、ICKBD）圖形不需處理，編程態(tài)和擦除態(tài)分別統(tǒng)計。這一結(jié)果也可理解為比特失效率。

圖3 總劑量效應試驗結(jié)果Fig.3 TID testing result

試驗表明，總劑量效應試驗中不同圖形失效單元數(shù)目不同，棋盤格圖形（CKBD和ICKBD）失效數(shù)目最大，其他圖形（00h、FFh、55h、AAh）相近。其原因是電離輻射會在氧化層中產(chǎn)生大量的電子-空穴對，電子和空穴會在電場作用下運動，其結(jié)果是浮柵中存儲的電荷會有一部分被中和掉，導致存儲電荷變少。因棋盤格圖形相鄰單元存儲電荷的極性相反，浮柵間電場強度最大，從而導致閾值電壓變化幅度最大，失效單元數(shù)最多。可見，棋盤格圖形是總劑量效應試驗的最易感圖形。

在總劑量效應試驗中，偏置條件也會影響閾值變化，且對擦除態(tài)和編程態(tài)的影響不同。與動態(tài)讀偏置（TID_RD，圖3中虛線）相比，靜態(tài)偏置（TID_SBD，圖3中實線）的擦除態(tài)閾值變化較大，而編程態(tài)閾值變化幅度較小。2種狀態(tài)的閾值的變化方向不同主要是因為浮柵中存儲電荷的極性不同，讀電壓為正電壓，編程態(tài)和擦除態(tài)單元浮柵中電荷受正電壓的影響不同所致。因擦除態(tài)閾值變化幅度更大，而數(shù)據(jù)讀錯是由閾值變化最大的單元決定，即由擦除態(tài)決定，所以，靜態(tài)偏置是總劑量效應試驗的最嚴格偏置條件。

4 擦寫循環(huán)試驗

由于Flash存儲器的編程和擦除算法均有校驗操作，經(jīng)校驗操作后編程態(tài)和擦除態(tài)閾值會分布在一個固定的區(qū)間，無法通過閾值分布的變化來分析試驗的影響，所以本文通過擦除和編程時間來分析總劑量效應對擦寫耐久特性的影響。

擦寫循環(huán)試驗測試結(jié)果如圖4所示，無論是否經(jīng)過總劑量效應試驗，一個扇區(qū)的總編程時間幾乎不變；而一個扇區(qū)的擦除時間與初始值（Init）相比，經(jīng)過單獨的總劑量（TID）和擦寫循環(huán)（NVCE）試驗樣片的擦除時間略微增加，經(jīng)過總劑量和擦寫循環(huán)疊加試驗樣片的擦除時間增加幅度最大（約10%）。其原因是NOR Flash編程采用CHEI機理[6]，熱電子注入?yún)^(qū)域在浮柵器件漏端附近，總劑量效應產(chǎn)生的正電荷和界面態(tài)分布在整個隧穿氧化層中，對局部較小區(qū)域的熱電子注入效率影響較小，又因為隧穿氧化層厚度較薄，總劑量效應的影響本來就小，所以，總劑量效應對編程時間無影響；而擦除操作是在浮柵下面的整個隧穿氧化層區(qū)域發(fā)生隧穿，總劑量效應在隧穿氧化層里產(chǎn)生的正電荷會影響電子隧穿，使擦除時間變長。按擦除時間變化幅度升序排列為：150 krad(Si)總劑量效應試驗，104次擦寫循環(huán)，總劑量與擦寫循環(huán)疊加試驗。疊加試驗的影響最大，但總體變化幅度較小，影響有限。

圖4 總劑量/擦寫循環(huán)試驗編程時間與擦除時間測試結(jié)果Fig.4 Testing results of programming time and erasing time after TID/NVCE

5 數(shù)據(jù)保持試驗

數(shù)據(jù)保持試驗分別在高溫和常溫條件下進行。

5.1 高溫數(shù)據(jù)保持試驗（HTDR）

1）總劑量效應試驗后數(shù)據(jù)不刷新

總劑量效應試驗后直接進行高溫烘培試驗，不刷新數(shù)據(jù)，評估其對高溫數(shù)據(jù)保持特性的影響。試驗結(jié)果如圖5所示，靜態(tài)待機偏置（TID_SDB+HTDR）和動態(tài)讀偏置（TID_RD+HTDR）對閾值電壓變化的影響差別很小，可以忽略。經(jīng)過總劑量效應試驗的樣片（TID_SDB+HTDR與TID_RD+HTDR），與未進行總劑量效應試驗的樣片（HTDR）相比，閾值電壓變化幅度顯著增大，這主要是因為引入額外的輻射致電荷泄漏效應所致。

圖5 高溫數(shù)據(jù)保持試驗結(jié)果（數(shù)據(jù)不刷新）Fig.5 Testing result of HTDR (without data refreshing)

2）總劑量效應試驗后數(shù)據(jù)刷新

高溫數(shù)據(jù)保持試驗前刷新數(shù)據(jù)，以消除前置試驗對浮柵存儲電荷的影響，考察除了輻射致電荷泄漏效應以外的其他影響。試驗結(jié)果如圖6所示，總劑量效應試驗的不同偏置（TID_SDB+ReWR+HTDR、TID_RD+ReWR+HTDR、TID_WR+ReWR+HTDR）對閾值電壓變化的影響幾乎無差異；擦寫循環(huán)（TID_SDB+NVCE+ReWR+HTDR）和總劑量效應試驗會使閾值變化幅度稍微變大，且僅對較高閾值的編程態(tài)單元有一些影響，對其他閾值電壓的單元無影響，即消除了輻射致電荷泄漏效應的影響之后，總劑量效應對高溫數(shù)據(jù)保持的影響很小，可以忽略。

圖6 高溫數(shù)據(jù)保持試驗結(jié)果（數(shù)據(jù)刷新）Fig.6 Testing result of HTDR (with data refreshing)

綜上所述，總劑量效應對高溫數(shù)據(jù)保持特性的影響主要表現(xiàn)在輻射致電荷泄漏，若輻射后刷新數(shù)據(jù)，則總劑量效應對高溫數(shù)據(jù)保持特性的影響可以忽略。

5.2 常溫數(shù)據(jù)保持試驗（LTDR）

由圖7可以看到，總劑量效應對常溫數(shù)據(jù)保持的影響與對高溫數(shù)據(jù)保持的類似：若總劑量效應試驗后不刷新數(shù)據(jù)（TID_LTDR），其閾值電壓變化幅度最大，主要是因為引入額外的輻射致電荷泄漏效應所致；若總劑量效應試驗后刷新數(shù)據(jù)，即消除輻射致電荷泄漏效應之后，則輻射對常溫數(shù)據(jù)保持的影響很小，幾乎可以忽略。

圖7 常溫數(shù)據(jù)保持試驗結(jié)果Fig.7 Testing result of LTDR

6 討論

浮柵器件閾值主要由2個因素決定：器件本征閾值和浮柵存儲電荷量。浮柵器件的本征閾值是指浮柵處于電中性時器件的閾值。下面從這2個方面分別討論總劑量效應、擦寫循環(huán)以及數(shù)據(jù)保持試驗對浮柵器件閾值電壓的影響。

1）總劑量效應試驗

與對NMOS器件閾值的影響[10]類似：一定劑量的輻射會在柵氧化層中產(chǎn)生電子-空穴對，電子遷移率較高，較容易在電場作用下漂移出柵氧化層，空穴會駐留在氧化層中，即輻射后氧化層俘獲正電荷，使閾值電壓降低；同時，輻射還會在柵氧化層和硅界面處產(chǎn)生界面態(tài)，界面態(tài)帶負電[11]，對NMOS閾值的影響與氧化層正電荷相反，使閾值電壓升高。一般而言，氧化層俘獲的正電荷更多，占主導作用，故總體上輻射會使NMOS閾值降低[12]，即使浮柵器件的本征閾值降低。輻射致閾值電壓漂移量與氧化層厚度tox呈冪律關系，n一般在1～3之間，具體由工藝條件和偏壓條件決定。當氧化層厚度小于10 nm時，輻射引起的閾值漂移很小，甚至可以忽略[13]。

2）擦寫循環(huán)試驗

NOR型Flash編程時會在漏端（Drain）注入熱電子，在界面處產(chǎn)生界面態(tài)，同時有些電子會被氧化層中的陷阱俘獲[14]，形成氧化層中的負電荷，這些負電荷主要分布在漏端附近；擦除操作的隧穿效應發(fā)生在浮柵下方的整個氧化層區(qū)域，因而柵氧化層俘獲的電子會分布在整個柵氧化層區(qū)域；由于陽極空穴注入效應的存在，氧化層俘獲電子的同時，也會有空穴注入到柵氧化層中而被俘獲。由于柵氧化層是絕緣體，電子和空穴不會立即復合，二者會同時存在，經(jīng)過擦寫循環(huán)試驗的浮柵器件如圖8所示，柵氧化層中同時存在正電荷和負電荷，界面處存在界面態(tài)，由于編程效應發(fā)生在漏端附近，電荷和界面態(tài)密度在漏端附近略高。出于操作電壓和數(shù)據(jù)保持特性的折中考慮，浮柵型Flash的隧穿氧化層厚度一般為6～8 nm，理論上，總劑量效應對閾值電壓的影響很小。本文試驗也證實，與104次擦寫循環(huán)試驗相比，150 krad(Si)總劑量效應試驗后器件特性的退化幅度更小?？倓┝啃c擦寫循環(huán)疊加試驗后，器件特性的退化幅度最大，扇區(qū)擦除時間增加約10%，但總體變化幅度較小，影響有限。

圖8 NOR 型 Flash 擦寫特性退化機理示意Fig.8 NVCE degrading mechanism of the NOR Flash

3）數(shù)據(jù)保持試驗

數(shù)據(jù)保持試驗后浮柵器件的本征閾值變化較小，數(shù)據(jù)保持失效主要由浮柵存儲電荷量的變化量決定，造成浮柵存儲電荷量變化的機理主要有2種：氧化層俘獲電荷脫阱（detrapping）和應力致漏電（SILC）[15]?？倓┝啃獙Ω糯鎯﹄姾傻挠绊懕憩F(xiàn)為輻射導致浮柵存儲的部分電荷泄漏，此效應也被稱為輻射致漏電（RILC）效應，與應力致漏電（SILC）效應類似[16]。輻射后不刷新數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)保持試驗，由于受到RILC效應影響或輻射引入的弱編程影響[17]，使浮柵中存儲的電荷發(fā)生變化，從而導致閾值電壓有較大幅度變化；而輻射試驗后刷新數(shù)據(jù)，亦即消除RILC的影響之后，再進行數(shù)據(jù)保持試驗，則閾值變化很小，這可以證實總劑量效應引入的氧化物電荷和界面態(tài)很少，對電荷脫阱和SILC效應的影響有限，亦即總劑量效應對器件高溫和常溫數(shù)據(jù)保持特性的影響也較小。

7 結(jié)論及建議

本文通過總劑量效應、擦寫循環(huán)和數(shù)據(jù)保持試驗及其疊加試驗，對電離總劑量效應對浮柵型Flash可靠性的影響進行了研究。結(jié)果表明：總劑量效應對擦寫特性的影響較小，可忽略；對數(shù)據(jù)保持的影響主要體現(xiàn)在輻射會導致浮柵中的部分電荷泄漏，若總劑量效應試驗后刷新數(shù)據(jù)，即可消除該影響?？倓┝啃囼炦€發(fā)現(xiàn)，與動態(tài)讀和動態(tài)擦寫偏置相比，靜態(tài)待機偏置下擦除態(tài)閾值電壓的變化幅度更大，是總劑量效應試驗的最嚴格偏置條件；棋盤格圖形在幾種常見數(shù)據(jù)圖形中閾值電壓變化幅度最大，是最易感圖形。因而總劑量效應試驗偏置選用靜態(tài)待機偏置，數(shù)據(jù)圖形選用棋盤格圖形，會使試驗篩選條件更為嚴格。

本文研究對象是浮柵型Flash存儲器，試驗樣品為SLC浮柵型NOR Flash產(chǎn)品?；谙嗤钠骷Y(jié)構(gòu)、工作原理和失效機理，本文的研究結(jié)論同樣適用于MLC和TLC浮柵型NOR Flash產(chǎn)品。對于浮柵型NAND Flash，由于其與試驗樣片的器件結(jié)構(gòu)相同，只是編程原理不同，而總劑量效應、擦寫耐久和數(shù)據(jù)保持的失效機理相同，所以本研究結(jié)論也同樣適用于浮柵型NAND Flash。對于電荷俘獲型Flash，由于其器件結(jié)構(gòu)、工作原理和失效機理均與試驗樣片的不同，本研究結(jié)論可能不適用，需另行研究。

在可靠性考核方面建議：因總劑量效應試驗對擦寫特性和數(shù)據(jù)保持特性的影響可忽略，總劑量效應試驗可與擦寫循環(huán)和數(shù)據(jù)保持試驗分別進行。

在系統(tǒng)級應用方面建議：為了將輻射致電荷泄漏和應力致電荷泄漏效應的影響降到最低，F(xiàn)lash存儲器可每間隔一段時間（如1年）刷新一次數(shù)據(jù)，以進一步提升系統(tǒng)的可靠性，降低出現(xiàn)故障的概率。

致謝

感謝廖少武、郝香池同志對NOR型Flash電路工作原理方面的支持，感謝王寅、康鑫、張慕威、劉劍海、趙明浩等同志在可靠性試驗與測試方面的辛勤工作，以及劉佩同志在測試數(shù)據(jù)處理方面的工作。