NROM存储器总剂量辐射损伤效应和退火特性

张兴尧 郭 旗 陆 妩 于 新

NROM存储器总剂量辐射损伤效应和退火特性

张兴尧1,2郭 旗1,2陆 妩1,2于 新1,2

1（新疆理化技术研究所 中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室 乌鲁木齐 830011）2（新疆电子信息材料与器件重点实验室 乌鲁木齐 830011）

对一款商用NROM (Nitride-Read-Only-Memory)存储器进行了钴源辐射和退火试验，研究了NROM的总剂量效应和退火特性。使用了超大规模集成电路测试系统测试了NROM的DC、AC、功能参数，分析了辐射敏感参数在辐射和退火过程中的变化规律，研究了器件功能失效和参数退化的原因。测试结果表明：界面态陷阱电荷引起了电路模块中的电荷泵和灵敏放大器MOS管阈值漂移，进而性能恶化、器件功能失效。退火期间由于界面态陷阱电荷没有发生大量退火，致使电路模块性能没有完全恢复，电流参数没有明显下降。

NROM存储器，SONOS存储器，总剂量辐射，退火特性，电荷泵，灵敏放大器

非易失型存储器具有在线可编程、存储信息掉电不丢失、读写速度高、抗震动性好等优势，使其在航天器中具有广泛应用。主流的浮栅型非易失存储器在宇宙空间中没有很强的抗辐射能力[1]，会影响航天器的可靠性和在轨寿命[2]。SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)存储器以其良好的抗辐射能力越来越受到关注。SONOS存储器与浮栅器件的主要区别在于：用绝缘的氮化物代替导电的多晶硅存储电子，电子隧穿入氮化物层后，被深能级的氮阱俘获，实现信息存储。NROM存储器作为一种独特的局部电荷俘获型SONOS存储器，运用多位和多值编程技术，克服传统SONOS集成度较低的劣势，实现每存储单元存储二或四个比特位，提升存储密度。开展NROM存储器在辐射环境中的辐射损伤机理研究对其今后的空间应用具有重要意义。

国内外对于传统SONOS存储器的总剂量效应开展了大量的研究，总剂量辐射损伤机理的基本认识是：SONOS存储单元具有很强的抗辐射能力[3−8]，一定剂量下的辐射在氮化物层中只产生少量的陷阱电荷，深阱中的电荷不易泄漏和受邻近存储单元电荷扰动的影响，因此不会发生0与1之间的翻转。相当薄的阻挡氧化层和隧穿氧化层引入的陷阱电荷很有限，这些陷阱电荷会使存储单元擦写阈值电压轻微漂移[9−10]，但不会影响存储单元的正常擦写。NROM作为SONOS存储器的一种，其存储单元的总剂量辐射损伤效应机理与传统SONOS基本一致[11]。存储单元外围的控制电路模块抗辐射能力较弱，是商用SONOS存储器中的短板，辐射会引起部分电路模块率先失效，造成读/写/擦除功能失效的阈值较低，存储器不能达到航天应用的要求。目前关于NROM的总剂量研究在物理层面上缺少存储器退火特性的分析研究，同时少有在电路模块级别关于损伤机理的探讨。

本文使用超大规模集成电路测试系统Verigy 93000测试了NROM存储器的DC、AC、功能参数，从中筛选出辐射敏感参数，分析了辐射敏感参数在辐射和退火中的变化规律，结合部分控制电路模块电路结构、辐射损伤效应和退火特性，对电路模块在60Co γ射线下的总剂量辐射损伤机理进行了解释。研究结果为NROM总剂量损伤评估方法和有针对性的抗辐射加固提供了试验依据和基础。

1 试验样品与测试方法

本次试验采用SPANSION公司生产的32 Mbit NROM存储器，型号为S29GL032N。测试采用超大规模测试系统Verigy 93000，并开发了基于此系统的NROM存储器程序。程序覆盖了功能、DC、AC参数，包括：动态电流(IDD)、静态电流(ISB)、进行擦除操作时的供电电压(VCC)、擦除一个扇区所需要的时间(tWHWH2)、擦除一个扇区的最高工作频率(f)。VCC、f两项参数使用Shmoo法进行扫描测试，扫描范围分别为2.7−3.6 V、10−500 kHz。

试验辐照源采用中国科学院新疆理化所的水储式60Co γ辐射源。辐照剂量率为0.2 Gy(Si)·s−1，辐照偏置为信号管脚接高电平。选取6片同一批次的NROM存储器，3片器件为一组，分为A、B组，A组器件累积到220 Gy(Si)，B组器件累积到250Gy(Si)，分别关注器件功能失效的初期和后期，期间选取合适剂量点将器件取出，进行器件的擦除、写入、读取的功能测试和DC、AC参数测试。器件功能失效时，结束辐照试验，进行退火试验，A组只进行常温退火，B组器件在常温退火后，进行100 °C高温退火，当电参数不发生显著变化时结束试验。

2 试验结果

在辐照前，两组器件在供电电压为2.7−3.6V下，NROM擦写读功能都可以完成。A、B两组器件在辐照过程中表现出初期和后期的功能失效模式并不完全相同，如表1所示，A组器件累积剂量到200 Gy(Si) ，供电电压为2.7 V时，擦除和写入功能先于读取功能失效，辐照结束时，供电电压为3.3 V工作电压，擦除和写入功能失效。B组器件总剂量到250 Gy(Si)，3.3 V工作电压下，擦除、写入、读取的功能都发生了失效。两组存储器退火过程中表现功能参数恢复模式不同，A组存储器常温退火14h后，擦除和写入的功能不稳定恢复，即进行多次擦写操作，部分次数可以完成擦写，部分次数不能完成。B组器件即使经过高温退火，三项功能也没有恢复。

表1 功能参数在辐照和退火中的变化Table 1 Change of function parameter in radiation and anneal.

两组器件的静态电流、动态电流随总剂量累积和退火时间的变化关系如图1、2所示。由图1、2，静态、动态电流的对数值在10 Gy(Si)之前略有所下降，之后开始迅速增大，辐照结束时，增大到初始值的三个数量级。退火使两组存储器的电流参数只发生了小幅的恢复。

图1 A组器件电流参数在辐照和退火中的变化Fig.1 Group A NROM current in radiation and anneal.

A组器件的擦除一个扇区的时间和最高工作频率随总剂量累积的变化如表2所示。在辐照初期擦除时间降低，最高工作频率升高。总剂量累积到100Gy(Si)后，擦除时间升高，最高频率降低。在退火过程中，擦除功能无法稳定地恢复，所以无法准确地测量擦除时间和最高工作频率。

表2 时间参数在辐照和退火中的变化Table 2 Maximum operating frequency and tWHWH2 in radiation and anneal.

图2 B组器件电流参数在辐照和退火中的变化Fig.2 Group B NROM current in radiation and anneal.

3 结果讨论

NROM存储器在γ射线的电离辐射作用下，在氧化层中形成电子-空穴对，电子与空穴的分离、传输与反应导致氧化物陷阱电荷与界面态陷阱电荷的形成。其中界面陷阱电荷的产生过程是：空穴在输运过程中参与反应释放H+，H+输运到界面处，与界面处的Si-H反应，产生H2与Pb陷阱中心。两种陷阱电荷的退火特性是氧化物陷阱电荷在室温下就能发生退火[12]，界面态一般在100 °C以上才发生退火。结合NROM存储器的擦写原理和部分电路模块的辐射损伤机理，对NROM的总剂量效应进行了探究。

NROM存储单元使用沟道热电子注入(Channel Hot Electron Injection, CHEI)机制实现编程操作，如图3(a)所示。要求漏端加3−7 V电压，以产生横向电场使电子变成高能电子，同时栅上加电荷泵电路提供的9−10 V电压，部分高能电子在栅端纵向电场的作用下越过Si/SiO2势垒注入到Si3N4存储层中。采用隧穿热空穴注入(Band-to Band Tunneling Hot Hole Injection, BBHHI)机制进行擦除操作，如图3(b)所示。通过栅端接负电压，漏端接正向高压，衬底接地，使栅端和漏端之间形成一个高的纵向电场，漏端和衬底之间的PN结反偏，漏端表面能带向上弯曲，当弯曲程度大于禁带宽度时，发生带-带隧穿效应(Band-to-Band Tunneling, BTBT)，衬底的价带电子隧穿到导带形成电子-空穴对，部分空穴在耗尽区横向电场的作用下变成高能空穴，在纵向电场的作用下越过Si/SiO2势垒注入到存储层中，与已在其中的电子发生电荷中和实现擦除。

图3 编程机制(a)和擦除机制(b)[13]Fig.3 Program mechanism (a) and erase mechanism (b)[13].

NROM在读取一个存储单元的右比特位时，栅端接电源电压，源端接地，漏端通过接一定电压来克服左比特位的影响，存储单元导通后沟道电流大小由右比特位的阈值电压决定，之后电流流入灵敏放大器，通过和参考电压的比较来分辨出右比特位存储的是“0”还是“1”。读取左比特位，则将源漏两端互换后，其他操作不变[14]。

总剂量累积到220 kGy时，A组中的NROM存储器无法对存储单元进行擦除和写入。辐照过程中，电离辐射在存储单元和MOS管的绝缘层中产生氧化物陷阱电荷，在界面处产生界面态陷阱电荷，两种电荷都会导致存储单元和MOS管的阈值发生漂移，而NROM存储单元在较小的总剂量下阈值电压只会发生轻微的漂移，不易发生0与1之间的翻转，由NMOS和PMOS管构成的CMOS控制电路相对比较脆弱，MOS管阈值的较大幅度漂移将会使控制电路早于存储单元发生性能恶化，控制电路不能正常工作将会直接导致器件的功能失效。结合试验结果：由于辐射感生界面态陷阱电荷导致了电荷泵电路的MOS管发生了阈值电压的漂移，电荷泵电路性能率先恶化，使得其不能再向存储单元栅漏端提供高压，NROM存储器的擦除和写入功能失效。

典型的电荷泵电路图如图4所示。其工作原理是利用多级连接的MOS和电容，在相位不交叠的时钟脉冲驱动下，将电荷从输入端逐级推向输出端，输出端电容上电荷不断增加使输出电压为高压。辐照过程中，界面态陷阱电荷将使MOS管的阈值电压发生漂移，在较低起点下的供电电压难以升压到存储单元需要的高压，造成了2.7 V供电电压下NROM擦除功能首先失效。

图4 典型的电荷泵电路图Fig.4 Typical charge pump circuit.

电荷泵电路的性能恶化同时导致最高工作频率降低和擦除时间升高。电荷泵电路中MOS管阈值电压率先移动，跨导退化，亚阈值摆幅变大，开关速度变慢，擦除时间随辐射剂量的增加逐步变长，在原先工作频率下每一级电荷泵输出波形的变差导致后级的电荷泵已经无法实现开关的功能，电路无法继续升压，擦除功能失效。最高工作频率降低时，电荷泵能够跟得上开关速度变慢的变化，功能恢复。电荷泵先于其它模块性能恶化可以理解为高压电路内部辐射感生的电子-空穴对复合减小、迁移增大，相较与在3.3 V工作电压下的电路，会有更多的电子和空穴分别向金属电极迁和SiO2/Si界面迁移，从而产生更多的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，这些陷阱电荷导致电荷泵MOS管阈值漂移，输出无法达到额定的高压[15]。

B组存储器在总剂量累积到250 kGy，擦除和写入功能失效的同时，读取功能也发生了失效，由读取操作的原理、电路结构、器件的退火特性三个方面推断是灵敏放大器的性能恶化导致了器件的读取功能失效。灵敏放大器是实现读取操作的关键电路，其工作原理是：先对位线上的电容充电，电容上极板充电到驱动管导通，存储单元是0或是1两种情况，阈值不同造成流经驱动管的电流不同，驱动管输出的电压也不相同。将驱动管输出电压进行放大后与参考电压进行比较，最后读出存储单元信息。电流型灵敏放大器中电流转化为电压的简化结构如图5所示。图5中存储单元M1的源端接地，漏端接列解码晶态管M2，栅端被行解码电压驱动，M2尺寸较大分析时可以将其源漏电压降忽略，M3为驱动管，经负载与电源相连，Cbit为位线上的电容[16]。电流转化为电压的时间可以理想表示为：

式中，ID为驱动管的导通电流；ΔVB为位线上的电压摆幅。在总剂量辐照过程中，驱动管主要受界面态陷阱电荷的影响阈值正向漂移，造成驱动管导通电流变小。辐射还会引起放大增益减小，位线上的电压摆幅变大[17]，这些原因都会使电路传播速度变慢，读取时间增大。

图5 灵敏放大器中电流转化电压的简化结构Fig.5 Simplified structure of current turn to voltage in sense amplifier.

如表1、图1、图2所示，电流参数和时间参数在辐照100 Gy(Si)之前略有下降，原因可能在于辐射感生的氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷与MOS管的掺杂缺陷发生了电性中和，器件的性能反而有所提升。总剂量100 Gy(Si)之后，NMOS管关态泄露电流的大幅增长和隔离氧化层形成的漏电通道造成了静态电流和动态电流急剧增大，沿单个MOS管侧墙漏电通道导致了亚阈值漏电电流，而不同MOS之间的漏电通道使寄生晶体管导通。

NROM存储器在辐照250 kGy后经过常温和100 °C的高温退火，读取、擦除、写入三项功能也没有恢复，退火过程中的电流参数恢复不显著，说明界面态陷阱电荷的辐射损伤作用要大于氧化物陷阱电荷的作用。

4 结语

通过试验结果分析认为，静态电流、动态电流、擦除时间、最高工作频率、读/写/擦除功能都可以作为辐射敏感参数。通过分析辐射敏感参数在辐射和退火时的变化规律，认为是氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷造成了CMOS控制电路模块的漏电增加、MOS管阈值电压漂移，其中电荷泵和灵敏放大器两个电路模块的性能恶化直接造成了存储器读、写、擦三项功能失效。退火过程中，辐射敏感参数恢复不显著，说明界面态陷阱电荷在辐照损伤过程中起关键作用。通过进行NROM存储器总剂量辐射损伤试验，得出了许多有意义的结论，为今后NROM存储器的辐射损伤机理研究和电路的抗辐射加固提供支持。

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CLC TL82, O571.33

NROM total dose radiation damage effects and annealing characteristics

ZHANG Xingyao1,2GUO Qi1,2LU Wu1,2YU Xin1,2
1(Key Laboratory of Functional Materials and Devices for Special Environments, Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China)
2(Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Material and Device, Urumqi 830011, China)

Background: The total dose effect studies for the Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon (SONOS) have not been mainly focused on fail mechanism in circuit. Purpose: A commercial SONOS-based Nitride-Read-Only-Memory (NROM) was irradiated by60Co γ rays and annealed, Total Ionizing Dose (TID) failure mechanism and annealing characteristics of the device were analyzed. Methods: DC, AC and function parameters of this memory were tested in radiation and annealing by VLSI test system, the radiation-sensitive parameters were obtained through analyzing the test data, and the reason for function failure was analyzed. Results: The study showed that: the threshold of MOS in charge pump and the sense amplifier were drift because of the interface trap charge, and the circuit module performance deterioration led to functional failure of the device. The current parameters were raised rapidly because leakage paths formed in Shallow Trench Isolation (STI). Conclusion: A little of interface trap charge was annealed during annealing, resulting in incomplete recovery of circuit module performance, and insignificant drop of the current parameters.

Nitride-Read-Only-Memory (NROM), Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon (SONOS), Ionizing radiation effects, Annealing characteristics, Charge pump, Sense amplifier

TL82，O571.33

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010203

张兴尧，男，1985年出生，2014年于中国科学院新疆理化技术研究所获博士学位，微电子学专业，研究领域为大规模器件辐射损伤

2014-09-22，

2014-10-16