常思遠 楊生勝 文 軒 安 恒 王 鷁 曹 洲 銀 鴻

（蘭州空間技術(shù)物理研究所空間環(huán)境材料行為與評價重點實驗室 蘭州730000）

星載存儲器是航天器電子系統(tǒng)的重要組成部分，在航天器飛行任務(wù)的完成中有著很重要的作用。在地球空間環(huán)境中，航天器在軌會遭遇來源于太陽輻射和星際空間輻射等輻射環(huán)境，包括粒子輻射和太陽電磁輻射，這些輻射環(huán)境受太陽活動的調(diào)制。其中，粒子輻射環(huán)境主要由電子、質(zhì)子、少量的重離子等組成，主要來源于地球輻射帶、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線。這樣的輻射環(huán)境能夠引發(fā)一些材料和器件的單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)等，從而引起材料和器件性能退化甚至功能失效［1］。星載存儲器除了要能夠保證完成本身存儲數(shù)據(jù)的功能外，還要能夠適應(yīng)惡劣的空間輻射環(huán)境。因此，對性能優(yōu)良且適應(yīng)空間輻射環(huán)境的存儲器的探索就成為了一項重要工作。阻變存儲器（Resistive Random Access Memory，RRAM）是一種利用阻變材料的阻變效應(yīng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的新型非易失性半導(dǎo)體存儲器。作為一種新型的非易失性存儲器，阻變存儲器憑借其良好的微縮性、非易失性、與傳統(tǒng)CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工藝兼容、低功耗、較快的讀寫速度等特點在眾多新型存儲器中脫穎而出，被業(yè)內(nèi)普遍看好，具有良好的發(fā)展前景和市場競爭力。然而，目前對于阻變存儲器在空間環(huán)境中輻射效應(yīng)的研究目前仍相對較少。RRAM 作為一種MOS工藝電子器件，應(yīng)該優(yōu)先考慮其在空間輻射環(huán)境中的輻射電離效應(yīng)。關(guān)于阻變存儲器輻射電離效應(yīng)的研究，國外的相關(guān)研究已經(jīng)表明：阻變存儲器中的多數(shù)材料的阻變元件具有非常好的抗輻射性能，而對完整器件的研究相對較少；國內(nèi)對阻變存儲器的空間輻射研究尚處于探索階段。在本次研究中，著重對阻變存儲器在空間環(huán)境中的總劑量效應(yīng)展開試驗研究。首先，在選擇好試驗器件后，經(jīng)過初步的理論分析對RRAM失效的機理作出假設(shè)，然后設(shè)計針對性的輻照試驗，測量RRAM在不同輻照累計劑量時的功能，由試驗結(jié)果驗證RRAM失效機理假設(shè)的正確性。希望通過對RRAM 總劑量效應(yīng)失效機理的試驗研究，能夠為RRAM的抗輻射設(shè)計和輻射加固保證提供理論依據(jù)以及RRAM 在空間環(huán)境中的應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

1 阻變存儲器工作原理

與人們較為熟知的Flash存儲器利用MOS管柵極存儲電荷的多少表示數(shù)字邏輯上的“1”和“0”不同，RRAM 具有全新的結(jié)構(gòu)和存儲原理。目前市場上主流的性能良好的RRAM 是以1T1R（One Transistor One Resistor）結(jié)構(gòu)（圖1）作為二進制存儲單元的，1T1R 結(jié)構(gòu)的二進制存儲單元由一個MOS管和一個阻變元件（resistor）組成，其中阻變元件存儲二進制信息，MOS管來作為選通管來控制阻變元件的狀態(tài)，并將被選擇的阻變元件隔離。一系列1T1R 結(jié)構(gòu)的存儲單元通過字線和位線的電路連接組成存儲陣列，再加上地址譯碼器和讀/寫控制電路等外圍電路構(gòu)成一塊完整的阻變存儲器。

圖1 RRAM中1T1R結(jié)構(gòu)的二進制存儲單元Fig.1 Diagram of binary storage unit of 1T1R structure in RRAM

阻變元件由上下電極和中間的電阻轉(zhuǎn)變層組成，如圖2所示。

圖2 阻變元件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of resistive switching element

上下電極為金屬或?qū)щ娐瘦^高的薄膜材料，中間電阻轉(zhuǎn)變層為絕緣材料，該材料一般選用二元或者多元的氧化物，如AlOx、SiOx、TaOx、NiOx、HfOx、TaOx以及WOx［2］等，這些材料均對輻射總劑量效應(yīng)不敏感［3-6］。在RRAM中，通過其阻變元件中電阻轉(zhuǎn)變層電阻值的高低狀態(tài)來表示數(shù)字邏輯上的“0”和“1”，通常用高電阻值狀態(tài)（High Resistance State，HRS）來表示邏輯“0”，而用低電阻值狀態(tài)（Low Resistance State，LRS）來表示邏輯“1”。電阻轉(zhuǎn)變層電阻值狀態(tài)的改變是通過在阻變元件兩端施加不同電壓的電場而達到的。在施加set電壓（Vset）時，中間電阻轉(zhuǎn)變層的電阻由高電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮柚禒顟B(tài)；在施加reset電壓（Vreset）時，電阻轉(zhuǎn)變層的電阻由低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮柚禒顟B(tài)。這樣，電阻轉(zhuǎn)變層高低電阻值狀態(tài)的可逆變換就對應(yīng)著數(shù)字邏輯上“0”和“1”的轉(zhuǎn)變。另外，阻變元件在剛制備成功時的初始狀態(tài)為高電阻值狀態(tài)，其阻值比HRS更大。所以，為了使阻變元件能夠進入到高低阻態(tài)的可逆循環(huán)之中，需要在阻變元件兩端施加一個電壓大于Vset的forming 電壓（Vforming）［7-8］。RRAM 正是充分利用了阻變元件的高低電阻值狀態(tài)來存儲二進制信息的。

2 試驗研究器件選擇

試驗研究中選擇的阻變存儲器為日本富士通半導(dǎo)體公司的MB85AS4MT 器件，該器件是一款較新發(fā)布的商業(yè)器件，器件中存儲單元采用1T1R 結(jié)構(gòu)，阻變元件中阻變材料為HfO2，對總劑量效應(yīng)具有很好的免疫性，器件的特征參數(shù)如表1所示。

表1 MB85AS4M器件特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of MB85AS4M device

該器件由4 Mb存儲陣列及外圍電路組成，存儲陣列周圍的外圍電路包括地址譯碼器、讀/寫控制電路和串行輸入輸出接口等模塊，器件電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MB85AS4MT器件電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Block diagram of MB85AS4MT device circuit structure

3 RRAM 總劑量效應(yīng)試驗及失效機理分析

3.1 RRAM失效機理初步分析

半導(dǎo)體存儲器的電路實質(zhì)是集成電路，通常包括幾個具有不同功能的電路模塊。每個電路模塊都有可能受到輻射的影響發(fā)生電路性能退化或者功能失效，從而影響整個器件的性能或功能［9-10］。對于半導(dǎo)體存儲器輻射失效的分析，應(yīng)找到失效發(fā)生的電路模塊以及該模塊電路發(fā)生失效的具體原因。RRAM 的功能包括讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)，其性能包括存儲窗口、開關(guān)速度及耐受性等，這些都可能受到總劑量效應(yīng)的影響，使性能退化或功能失效。其中，對RRAM 讀取數(shù)據(jù)功能的輻照試驗相較而言更容易開展，而且，通過對讀取數(shù)據(jù)功能失效的試驗以及失效機理分析可以對器件的輻射效應(yīng)形成本質(zhì)上的認識，從而對RRAM其他功能失效以及性能退化機理的研究提供依據(jù)。所以本次試驗以輻照下RRAM數(shù)據(jù)讀取功能為主要測試對象。

RRAM 器件包括存儲陣列和外圍電路兩個部分。對于試驗研究器件存儲陣列部分，其二進制存儲單元為1T1R 結(jié)構(gòu)，包括一個NMOS 晶體管和一個阻變元件。已知阻變元件對總劑量效應(yīng)不敏感，那么器件的總劑量效應(yīng)就應(yīng)從MOS 晶體管的總劑量效應(yīng)著手考慮。當(dāng)MOS器件被γ射線等輻照時，氧化層中會出現(xiàn)電子空穴對。這些電子空穴對一小部分會發(fā)生復(fù)合，其余的會通過擴散/漂移離開產(chǎn)生區(qū)域。在擴散/漂移過程中，部分發(fā)生復(fù)合，其余一部分中的空穴被氧化層陷阱和界面態(tài)陷阱俘獲，形成氧化層陷阱電荷以及界面態(tài)陷阱電荷。其中，氧化層陷阱電荷引起閾值電壓負向漂移，界面態(tài)陷阱電荷引起閾值電壓正向漂移，但氧化物陷阱電荷密度大于界面態(tài)陷阱電荷密度，總體的結(jié)果是閾值電壓負向漂移。同時，陷阱電荷的存在會使得導(dǎo)電溝道中載流子數(shù)目增多，產(chǎn)生漏電流。另外，存儲陣列是基于NMOS集成電路工藝的，用于隔絕作用的場氧化層在總劑量效應(yīng)的作用下，也會積累正電荷，進而在與場氧化層相鄰的Si 襯底表面反型形成新的漏電路徑，產(chǎn)生漏電流。由于場氧化層相對于柵氧化層厚很多，所以其產(chǎn)生的漏電流會相對大許多，柵氧化層和場氧化層在總劑量效應(yīng)作用下產(chǎn)生的漏電流如圖4中（1）和（2）所示［11-14］。

在分析了單個MOS管的總劑量效應(yīng)之后，展開RRAM存儲單元總劑量效應(yīng)的分析。首先，在1T1R結(jié)構(gòu)的二進制存儲單元中，MOS 晶體管作為選通管，起到開關(guān)作用，閾值電壓漂移可能會引起未被選取存儲單元中MOS晶體管的異常打開，影響到對同一位線上被選取存儲單元的正確讀取；其次，產(chǎn)生的漏電流（1）和（2）升高到一定值時，會改變正常的讀電流值，影響到電路正常電平的輸出，進而引起對相應(yīng)阻變元件阻態(tài)的誤讀。而MOS 晶體管柵氧化層較之于場氧化層薄很多，因此可初步假設(shè)總劑量效應(yīng)引起的閾值電壓漂移對器件功能的影響不及漏電流對器件功能的影響。

圖4 總劑量效應(yīng)作用下柵氧和場氧中產(chǎn)生的漏電流Fig.4 Leakage current generated in gate oxygen and field oxygen under the effect of total dose

對于外圍電路部分，外圍電路中各功能電路地址譯碼器、讀寫控制電路等在輻射劑量達到一定程度時候，同樣會因為其中的MOS管閾值電壓漂移嚴重，漏電流過高失去其功能［8］。但是，與存儲陣列相比較，外圍電路在工藝上沒有較厚的場氧化層作為隔離層，不會產(chǎn)生比較大的漏電流。因此，可先假設(shè)RRAM 總劑量效應(yīng)輻照敏感單元為存儲陣列部分，即存儲陣列會先于外圍電路發(fā)生功能失效。在上述假設(shè)中漏電流的產(chǎn)生是引起RRAM 數(shù)據(jù)讀取功能失效的原因，所以，在試驗中還應(yīng)測量RRAM 器件的工作電流。

3.2 試驗測試系統(tǒng)

本次試驗測試系統(tǒng)為自主研發(fā)的針對MB85AS 4MT器件的輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)，為了能夠測量器件的數(shù)據(jù)讀取功能和靜態(tài)工作電流，該測試系統(tǒng)具有以下功能：

1）可以在RRAM器件中寫入數(shù)據(jù)；

2）可以讀取在RRAM器件中寫入的數(shù)據(jù)；

3）能夠自動將每次讀出的數(shù)據(jù)與初始寫入的數(shù)據(jù)進行比對，統(tǒng)計錯誤地址及數(shù)量并記錄；

4）能夠?qū)崟r讀取器件的工作電流。

研制的測試系統(tǒng)基于STM32控制器實現(xiàn)，主要包括STM32 微控制器、數(shù)據(jù)讀寫控制、網(wǎng)口通信等功能模塊，實物圖如圖5所示。具體操作過程中，上位機輸入讀寫指令，經(jīng)網(wǎng)口通信進入STM32微控制器，對數(shù)據(jù)讀寫電路實現(xiàn)控制，監(jiān)測存儲器內(nèi)部的數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)變化。

圖5 RRAM總劑量效應(yīng)試驗測試系統(tǒng)Fig.5 Test system for RRAM total dose effect

3.3 RRAM總劑量效應(yīng)試驗及失效機理分析

在RRAM 總劑量效應(yīng)試驗中選用最常用的60Co γ 射線源作為輻照源［15］，輻照劑量率按照典型的輻照劑量率選取，本次實驗選用輻照劑量率為75 rad（Si）·s-1。由于試驗用的γ射線能量較低，不足以穿透器件的封裝材料，在試驗前需要對器件進行開蓋處理，開蓋處理后的器件用顯微鏡拍照得到的圖片如圖6 所示。試驗測試采用原位實時監(jiān)測的方式。

圖6 MB85AS4MT器件開蓋處理后照片F(xiàn)ig.6 Photograph of MB85AS4MT device after removing the cover

首先，考慮器件在總劑量效應(yīng)下漏電流對器件數(shù)據(jù)讀取功能的影響。試驗中選擇兩塊測試樣品，分別記錄他們的總劑量輻照試驗結(jié)果，試驗結(jié)束后統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，分析試驗現(xiàn)象。

試驗流程圖如圖7所示，具體試驗流程如下：

1）試驗前，初始化測試系統(tǒng)，并在樣品中寫入初始數(shù)據(jù)“55H（01010101）”；

2）確定輻射劑量率75 rad（Si）·s-1，開始輻照試驗；

3）輻照過程中，累計輻照累計劑量每增加10 krad（Si）時，測試系統(tǒng)循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，并與原始數(shù)據(jù)比較得到錯誤數(shù)據(jù)和地址，統(tǒng)計總錯誤數(shù)，以及1→0的錯誤數(shù)和0→1的錯誤數(shù)；

4）輻照過程中，實時監(jiān)測器件的工作電流。

重復(fù)步驟3）、4），直至累計劑量達到試驗要求，停止試驗。

圖7 RRAM總劑量效應(yīng)試驗流程圖Fig.7 Flowchart of total ionizing dose effects of RRAM test procedure

按照以上的試驗流程，統(tǒng)計在輻照的總劑量效應(yīng)下試驗樣品中數(shù)據(jù)發(fā)生的翻轉(zhuǎn)數(shù)，發(fā)現(xiàn)所有的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象均為從“0”到“1”的翻轉(zhuǎn)，試驗中記錄的翻轉(zhuǎn)數(shù)如表2 所示。通過計算得到數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)率如圖8所示。

由表1可知，器件的靜態(tài)工作電流10 μA。試驗過程中，實時監(jiān)測輻照對器件工作電流的影響，得到器件的工作電流隨累積輻射劑量的變化情況如圖9所示，器件工作電流的增大可以反映出輻照下器件漏電流的產(chǎn)生以及增大現(xiàn)象。由于在樣品中寫入的初始數(shù)據(jù)均為“55H（01010101）”，同一位線上存儲單元中阻變元件的阻態(tài)都相同，即使未被選取的存儲單元因MOS管閾值電壓漂移被異常選中，也不會影響對被選取字上存儲單元中阻變元件阻態(tài)的讀取，這樣有效地避開了閾值電壓漂移對數(shù)據(jù)讀取時的影響。由圖8，在60Co γ射線輻照下RRAM樣品數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)錯誤的閾值在1～2 Mrad（Si）之間，之后隨著輻照累積劑量的增加，數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)錯誤增多，并且錯誤翻轉(zhuǎn)均為從“0”到“1”的翻轉(zhuǎn)。同時，從圖9 可以看出，當(dāng)累積輻射劑量在1～2 Mrad（Si）之間時，RRAM 的工作電流也明顯地開始升高，并隨著累計輻照劑量的增加，工作電流逐漸升高，說明隨著累計劑量的增加，器件中產(chǎn)生的漏電流產(chǎn)生并逐漸升高。避開MOS管電壓漂移引起數(shù)據(jù)讀取錯誤的因素，以及考慮到數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)與工作電流明顯增大的同步性，足以說明讀取數(shù)據(jù)時發(fā)生翻轉(zhuǎn)錯誤的原因為總劑量效應(yīng)作用下器件氧化層中積累的正電荷使得反型層產(chǎn)生的漏電流。漏電流增大了原讀電路中的電流，引起讀電路輸出電平升高，當(dāng)累積輻照劑量達到一定值時，漏電流的升高會使得讀電路輸出低電平升高到高電平，而高電平仍為高電平，這正好解釋了上述的統(tǒng)計結(jié)果中只發(fā)生存儲數(shù)據(jù)從“0”到“1”的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

表2 試驗讀取數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of the number of flips in the data being read in the test

圖8 數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)率隨累計劑量的變化Fig.8 Variation of data rollover rate with cumulative dose

在分析RRAM 在總劑量效應(yīng)下漏電流對其數(shù)據(jù)讀取功能的影響之后，考慮器件在總劑量效應(yīng)下MOS管閾值電壓漂移對器件數(shù)據(jù)讀取功能的影響?？倓┝啃?yīng)試驗流程與漏電流對器件影響試驗中的流程基本一致，不同之處在于給樣品中寫入的初始數(shù)據(jù)不同。本次在樣品中交叉輸入數(shù)據(jù)“55H”和“AAH”，即奇數(shù)次的字中輸入數(shù)據(jù)“55H”，偶數(shù)次的字中輸入數(shù)據(jù)“AAH”。在試驗結(jié)束后，將統(tǒng)計到的試驗結(jié)果與漏電流對器件影響試驗中得到的結(jié)果進行比較。統(tǒng)計得到的讀取數(shù)據(jù)錯誤率的結(jié)果與漏電流對器件影響試驗中得到的結(jié)果非常近似，可見MOS 管閾值電壓對器件功能的影響程度低于漏電流對器件功能的影響。同時，也說明之前認為RRAM總劑量效應(yīng)輻照敏感單元為存儲陣列部分這個假設(shè)是正確的，所以，在RRAM中，存儲陣列是總劑量效應(yīng)的輻照敏感單元。

圖9 工作電流隨累積輻射劑量的變化Fig.9 Variation of working current with cumulative radiation dose

4 結(jié)語

本文選用了具有代表性的MB85AS4MT 器件作為實驗器件。通過初步的理論分析，先假設(shè)在實驗器件中MOS 管泄漏電流對器件數(shù)據(jù)讀取功能的影響高于MOS 管閾值電壓漂移對器件數(shù)據(jù)讀取功能的影響，且器件總劑量效應(yīng)的輻照敏感單元為存儲陣列。之后，選用60Co γ 射線源作為輻照源進行總劑量效應(yīng)試驗，對樣品輸入不同的初始數(shù)據(jù)：“55H”以及“55H”和“AAH”的交叉輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗結(jié)果確定輻照產(chǎn)生的漏電流是導(dǎo)致器件功能發(fā)生錯誤的原因，即輻照使得場氧化層和柵氧化層產(chǎn)生陷阱電荷，陷阱電荷使得反型層中產(chǎn)生漏電流，進而增大了原讀電路中的電流，引起讀電路輸出電平升高，當(dāng)累積輻照劑量達到一定值時，泄漏電流的增大會使得輸出低電平升高到高電平，只發(fā)生存儲數(shù)據(jù)從“0”到“1”的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。另外，試驗結(jié)果也說明了總劑量效應(yīng)的輻照敏感單元為存儲陣列。本次研究表明：MB85AS4MT 器件具有良好的抗總劑量輻射能力，同時，通過在RRAM 中輸入不同的初始數(shù)據(jù)來起到控制變量的作用，而且取得了很好的效果。相信本次研究中采用的試驗方法以及對器件損傷機理的分析能夠為以后其他RRAM 器件輻射效應(yīng)的研究提供參考價值。