（材料物理与化学专业论文）多能级闪存的辐射效应研究.pdf

摘要 多能级闪存是近年来出现的一种理想存储介质，兼顾了e p r o m 密度高以及 e z p r o m 易进行电操作的优点，广泛应用于计算机等领域。自从9 1 1 事件以来， 为了确保安全，机场和邮局均开始使用辐射系统进行安全质检，已有报道称这些 辐射会对数码相机、手提电脑等半导体产品里面的存储介质产生损害，造成存储 介质上数据的丢失。研究这些存储介质的辐射效应，对其进行辐射加固，显得刻 不容缓。 本文丰要研究了y 射线和x 射线辐射对多能级闪存的阈值电压变化及其分 布、特性曲线、漏电流等的影响，并研究了辐射后的多能级闪存在不同温度下的 退火效应。就辐射和退火对多能级闪存产生的各种变化给予了合理的解释。 y 射线和x 射线辐射都会对多能级闪存的性能造成影响。“0 0 ”、“0 1 ”、“1 0 ” 三种：状态的阈值电压随着剂量的增加而下降，而“1 l ”状态的阈值电压在小剂量 辐射后上升，剂量足够大时下降，当剂量足够大时，所有状态的阂值电压趋于相 同。退火对多能级闪存的性能有一定的恢复作用，高温退火效果好于低温，高剂 量辐射后的退火要好于低剂量辐射后的退火。 关键词：多能级闪存，辐射效应，y 射线辐射，x 射线辐射，浮栅 a b s t r a c t m u l t i l e v e lf l a s hm e m o r yh a sr e c e n t l ye m e r g e da sa l li d e a ls t o r a g em e d i u mw h i c h c o m b i n e st h ed e n s i t yo fe p r o mw i t he l e c t r i c a le r a s a b i l i t yo fe p r o m ，a n dn o wi s w i d e l yu s e di na p p l i c a t i o n ss u c ha sc o m p u t e rs y s t e m s e t c h o w e v e r , s i n c et h e9 1 l a t t a c ki nu s a i r p o r t sa n dp o s t a ls e r v i c eb e g a nt ou s ep o w e r f u li r r a d i a t i o ns y s t e m so u t o fs e c u r i t yc o n s i d e r a t i o n i ti sr e p o r t e dt h a ta l lt h e s ew i l li r r e v o c a b l yd a m a g ef l a s h m e m o r y , c a u s i n gl o s so fd a t aa n dr e n d e r i n g t h ec a r d si n o p e r a b l e t h e r e f o r e ，i ti s u r g e n t t oi n v e s t i g a t et h ei r r a d i a t i o ne f f e c t so ne l e c t r o n i cd e v i c e s i nt h i s p a p e r , m u l t i - l e v e l f l a s hm e m o r i e s e x p o s i n g t ob o t hy r a y a n d x r a y i r r a d i a t i o na r es t u d i e d t h ei m p a c t so fi r r a d i a t i o no nt h ed e v i c e sp a r a m e t e r sa r e i n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gt h et h r e s h o l dv o l t a g e s h i f t sa n di t sd i s t r i b u t i o ni nab l o c k ， c h a r a c t e r i s t i cc a r v ea n dl e a k a g ec u r r e n t ，e t c b e s i d e s ，t h ea n n e a l i n ge f f e e ta td i 髓r e n t t e m p e r a t u r e si sa l s os t u d i e d ar e a s o n a b l ee x p l a n a t i o na b o u t t h ee f f e c t so fi r r a d i a t i o n a n da m l e a lo nt h em u l t i l e v e lf l a s hm e m o r i e si sg i v e n b o t l lg a m m ar a ya n dx m yi r r a d i a t i o n sh a v ea ni m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo f m u l t i l e v e lf l a s hm e m o r i e s w i t ht h ed o s ei n c r e a s i n gf o rb o 也r a y s 、t h ev td e c r e a s e s f o rs t a t eo f “0 0 ”“0 1 ”a n d “1 0 ”w h i l ei n c r e a s e sa tl o wd o s ea n dd e c r e a s e sa th i g h e n o u g hd o s ef o r “1r s t a t e w h e nt h et o t a i d o s ei s h i g he n o u g h ，a l lt h ev th a sa t e n d e n c yt o ac o n s t a n tv a l u e t h ea u n e a i p r o c e s s h a sar e b o u n de f f e c tt ot h e p e r f o r m a n c eo f m u l t i - l e v e lf l a s hm e m o r y t h eh i g h e rt e m p e r a t u r er e c o v e r sm o r et h a n t h el o w e rt e m p e r a t u r e t h eh i g h e rt o t a ld o s ea l s oh a sab e t t e rr e b o u n de 恐c t 也a l lt h e 1 0 w e rd o s e k e y w o r d s ：m u l t i l e v e lf l a s hm e m o r y ，i r r a d i a t i o ne f f e c t s ，g a m m ar a yi r r a d i a t i o n ，xr a y i r r a d i a t i o n ，f l o a t i n gg a t e 第一章前言 闪存是近年来出现的种新型电撩可编程不挥发存储器。它是在e p r o m 和 e 2 p r o m 技术基础上发展起来的产物，兼顾了这两种存储器的优点：即有e p r o m 的结构简单、密度高的优点，又可以像e 2 p r o m 那样进行电擦除和电编程。它 的突出优点在于体积小、功耗省、速度快、成本低。此外，闪存还具有访问时间 短、可靠性高的特点( 可反复擦写1 0 5 次而不失效) ，因此作为种理想的存储 介质，广泛应用在日益繁荣的膝上型、掌上型、笔记本型计算机以及手机、数字 音响等多种领域。其发展前途正在看好。 传统的闪存，每个单元只存储一个字节，两种阈值对应于两种逻辑状态“i ” 和0 。理论上讲，定义更多的阈值电压能级作为不同的逻辑状态，可以在一个 单元上存储更多的字节 2 1 ：4 个阂值电压能级可存储2 字节单元，8 个阂值电压 能级可存储3 字节单元，以此类推。随着闪存技术的飞速发展，存储密度是普 通闪存两倍的多能级闪存目前已经市场化。多能级快闪存在增加存储容量的同时 并没有增加芯片的尺寸，从而降低了每个字节的成本，提高了存储密度。但是由 于需要在单元管的浮栅上存储多于两种能级的电荷，如何精确地充放电、如何精 确地感应电荷以及如何长时间地存储电荷，成为应用此技术的关键【3 】。 1 1 多能级闪存的结构 图1l 多能级闪存的结构示意图 多能级闪存的单元管是由三明治式的双栅结构组成底部的多晶硅浮栅 和顶部的多晶硅控制栅，栅与栅之间用绝缘的o n o ( o x i d en i t r i d eo x i d e ) 介质 层隔开浮栅与衬底之间生长了一层很薄的高质量隧道氧化层，其结构示意图如 图11 。 由于源端以及漏端均和衬底形成p n 结，所以当在漏端施加0 电压时，不会 产生电流。但是当在控制栅上施加足够高的电压时，隧道氧化层里的空穴被驱逐 出去，大量衬底里的电子被吸附到沟道下面，引起沟道反型，使之看起来象n 型。此时在漏端旌加一定电压，便会产生电流，于是闪存单元导通。 图1 2 为典型m o f e t 晶体管的特性蓝线翟。图中曲线是假设源端接地的。 当漏端电压超过1 , 5 v 时，电流曲线便趋于饱和。若设定漏端电压为1 5 v ，便可 得到如图1 3 所示的i d v 。曲线。 i d 图12 m o s 晶体管的【d v d 曲线( 源端接地) i f v g 图1 3 m o s 晶体管的i d - - v g 曲线( 源端接地) 图1 3 其实就是图1 2 中漏端电压一定时的横截面图。从图1 2 中可以看到 随着栅压的升高，各个i 。l - - v d 曲线之间的距离越来越大，这也是图3 中i d v 。 曲线呈弧度上升的原因。 阈值电压( v t ) 是使闪存有电流时的栅极所加的最小电压。多能级闪存的 典型闽值电压为漏端电流为1 0 u a 时的控制栅电压。对一般的m o s f e t 而言，v ， 由制造工艺而定，是固定不变的。而对于闪存存储器，可以通过增加浮栅上的电 荷来调节阂值电压，是可调的。 1 2 多能级闪存的操作模式 1 2 1 编程模式 9 e n e r s t j o f l 图1 4 闪存的编程 m o v i n g g a t e e c e v 图1 5 编程时的能带示意图 闪存的编程是在控制栅上和漏端上加较高的电压，使得晶体管处于“过渡” 开启状态。沟道中的传导电子相互碰撞成为游离电子，这些电子比热致电子有更 高的能量，因此被称为“热电子”。栅压产生的电场使得沟道中的热电子朝着浮 栅加速，一些电子获得足够能量穿过隧道氧化层到达浮栅上。 图1 5 为能量足够高的电子克服隧道氧化层势垒进入浮栅上的能带示意图。 然而这些电子却没有足够能量克服o n o 介质层势垒到达顶端的控制栅上，这是 因为o n o 介质层的势垒比较商，克服它需要更高的能量。这样隧穿氧化层的电 子便静止于浮栅上，停滞于“势阱”里。 编程后，浮栅上的负电荷屏蔽掉了部分从浮栅到衬底的电力线，因此必须施 加更高的电压才能达到编程前的电场强度，从而导致了编程后闽值电压的升高。 1 2 2 擦除模式 图1 6 闪存的擦除图1 7 擦除时的能带示意图 擦除时，源端加3 v 左右的正电压，控制栅上加1 2 v 的负电压，出于隧道氧 化层很薄，浮栅上电子轻易就脱离了浮栅。擦除的机理不同于编程，它需要较长 的时帕j 。编程后浮栅上的电子就像处于量子阱中的粒子。当阱壁足够薄时，粒子 就能从阱中穿透出去，此即闪存擦除的原理。擦除时，源端的电压使得隧道氧化 层的导带向下弯，当势垒足够薄时电子便会从浮栅上穿透到源端，见图1 7 ，此 过程称为f o w l e r - - n o r d h e i m 隧穿。 1 2 3 读模式 读时，栅端加5 v 电压，漏端加l v 电压，同时测量漏端电流。对于编程过 的闪存单元，浮栅上的电荷会屏蔽掉电场的影响，故没有电流，此时为逻辑状态 0 。对于擦除过的闪存单元，栅上的电压会开启f n 存单元，导致有电流流过， 此时为逻辑状态“1 ”。 闪存在编程或擦除后，阈值电压会改变，特性曲线也会相应改变。图1 8 显 示了浮栅上的电荷如何影响闪存单元的特性曲线。由于栅上的电荷“阻止”了顶 端控制栅向下的部分电场，所以需要更高的门电压开启，这使得编程后的整个曲 线向右漂移。 i d 1 3 阙值电压分布 v g 图1 8 编程和擦除后的单元特性曲线 存储数据需要许多排成阵列结构的单元。闪存在编程或擦除后，阵列上的每 个单元的阈值电压并不完全相同，基本上都在一个很窄的范围内。通常每个信息 块的阈值电压分布都近似于高斯分布，如图i 9 a 所示。另一种表示闽值电压分 布的方法是用累积概率图。图1 9 b 和图19 a 表示的是同样的数据，区别在于纵 坐标用“o f b i t s ”代替了“# o f b i t s ”。 图1 ，9 a 信息块擦除后的v t 分布 f 1 l， i l r j l i 卅 i r 一i ， 图1 9 b 信息块擦除后v t 分布的累积概率图 擦除后的闪存单元在读时都要导通。由于不同单元对应不同的阈值电压，所 以全部开启这些单元需要施加比阈值电压分布的最高值还要高的电压。如果施加 的电压低于闽值分布的最高值( v t m i n ) ，那些阈值电压较高的单元则会处于未 导通状态，见图1 1 0 。 。瞪c 。s 叫阮- 。 f 图t1 0 v g a t e 矿 用，h 2 先分解为短寿命的中间物h 0 ，在界面发生的重要反应是： h o + j s i h 一h 2 + ；s i 然后h 2 扩散离开界面，；s i 作为界面态留在界面。 h + 模型是对h o 模型的修正。其中心意思是电离辐射在s i 0 2 层中感生的电子 一空穴对和与氢化物作用形成中型氢原子，h o 俘获空穴变成h + ，h + 在电场作用 下漂向界面，发生如下反应： h + + e s 。+ ! s i h + h 2 + ；s i 产生界面态；s i ，这种模型即称为h + 模型。 综上所述，辐射感生界面态的机制有以下特点： ( 1 ) 电离辐射一般只能断裂弱键或变形键，正常键很难断裂。因此，感生 界面态的密度及其空间分布与弱键或变行键是一致的。 ( 2 ) 弱键或变形键的断裂不是辐射直接作用所致，而是由电离产物( 电子 和空穴) 引发的。当其它条件相同时，辐射感生界面态只与输运到界面区的空穴 或电子的数量有关，而与辐射是否穿透界面区无关。 ( 3 ) 电子或空穴与弱键作用、建立稳定界面态的过程，需要有媒介物( 来 自硅衬底的隧道电子和h o ) 的参与才能完成。来自硅衬底的隧道电子是建立界 面态不可缺少的媒介物。 2 3 辐射感生的氧化层电荷机制 氧化层电荷是指固定于距界面5 一i o o a 范围内的s i o ：层内的正电荷。它们 在通常的外电场作用下不移动、荷电状态不随表面电势变化。由于s i o ：中电子 的迁移率远远大于空穴的迁移率，因而对无论何种极性的外加栅电压，电离辐射 产生的电子总是趋向正电极运动，最终被扫出s i o 。介质膜，而空穴被s i o 。中的 空穴陷阱俘获，形成正空间电荷，如图2 3 所示。 图2 3 正栅压下m o s 器件辐射效应示意图 在热生长s i o ! 层过程中，由于工艺原因，引入许多本征点缺陷( 包括杂质) 。 这些缺陷和杂质主要集中在离界面约i o o a 的范围内( 陷阱区) 。他们大都是施主 ( 或两性) 中心：平时呈中性，辐射时俘获辐射产生的空穴而带正电，对建立氧 化层正电荷贡献最大的主要是问隙氧施主中心0 和三价硅施主中心= - - s i 这是 由于这两类中心的浓度最高，而且施主能及都很深。主要反应是： a 电离辐射使间隙氧原子o i 俘获空穴成为带正电的0 i + ： 0 i + r ( 辐射产生的) 一o i + b 电离辐射期间，s i 0 2 原有的；s i 或是由辐射感生的一s i 均可俘获空穴而变 成带正电的；s i + ： s i 3 i s i + h + ( 辐射产生的) 一s i 3 s i 十 0 3 i s i + h 十( 辐射产生的) 一0 3 = s i t 本征缺陷俘获空穴是辐射建立氧化层正电荷的主要机制。此外，s i o ：中的杂 质( 如n a 和h ) 对正电荷积累也有一定的贡献。 图2 4 示意地描述电离辐射在n 型m o s 结构的s i o ：层中建立正电荷的过程， 没有考虑电子陷阱和辐射感生界面态的影响。图( a ) 表示m o s 结构s i o 。层辐射 前界面区附近存在中性的空穴陷阱( 本征点缺陷和杂质) 。t = 0 时，电离脉冲出 现，在s i 0 。层中产生电子一空穴对。在电离脉冲过后的瞬间( t = o + ) ，几乎同 时开始出现两个相互竞争的过程：初始复合和电子迁移。逃脱初始复合的电子和 空穴在电场作用下分别往金属电极和s i o ：s i 界面迁移。在迁移过程中，它们还 有可能通过复合中心复合和被陷阱中心俘获。由于室温下s i 0 。中的电子迁移率 ( 2 0 c m ：v s ) 比空穴迁移率( 2 1 0 1 c m 2 v s ) 大得多，电子在极短的时间( 1 0 - ) 内可迁移到金属电极；而空穴却相对不动地停留在原处，电子迁移完毕 后，空穴开始相当缓慢地朝s i o 。s i 界面迁移，到达界面陷阱区的一部分空穴被 陷阱俘获，成为固定的氧化层电荷，其余的进入硅中，空穴迁移完毕后，正电荷 的积累便完成。 0氧化物( s i o2 ( a ) t = o 一( 辐照前) + p 宁 m 磁勉兹皿 + - + 一一一： 0 一+ 一二+ + q 查q 芷匹q ： s 翌羔薯鬻 -。 。， ： 1 言 ( c ) t = o + ( 初始复台后) 宁 m i = i i i i i t i i h i i f h ：! ：+ # t ，! o 蠢强 s0 j o 二。毒 + 薹莩筮! 。 ( d ) t = o + ( 电子迁移之后) q 苫 m 趔劢衄m 皿勿妇 0+一+ 曼坌垒qq 生 s 釜釜誊善 ( e ) t = tl ( 空穴正在迁移) 黑胡娶里j 蛹 s 薹釜譬乏叠一。t - ：? ， ( f ) t ：2 ( 空穴迁移之后) 图2 4 辐射建立氧化层电荷过程示意图 2 4 氧化物陷阱电荷和界面态的退火 m o s 器件的电离辐射效应存在着非常复杂的与时间相关的退火过程。通过实 验发现，无论是加固还是未加固器件在1 2 5 温度以下，辐射在氧化层中产生的 被俘获的空间正电荷在正偏压下的退火作用与温度的关系不是很大，但是在1 2 5 以上的高温下，却存在特别强烈的温度关系。在1 5 0 温度时，几乎9 5 初始 俘获电荷已经被中和。 l a r i s l 5 认为一般退火，并未使俘获的空穴释放过程达到完全恢复辐射前的 状态，只是正电荷暂时得到补偿。图2 5 为他提出的模型。图中a 状态是一个( 0 = s i s i 一= 0 3 ) 应变键，与辐射产生的空穴作用，应变键断裂，并俘获一个空穴， 形成带正电荷的+ s i l 0 3 和带未配对电子的0 3 - - = s i o ( b 状念) 。后者即e s r 测试 中的e 中心。退火过程相当于0 3 = - - s i o 与衬底中通过隧道效应而来的电子结合 变成负电中心0 3 = 一s i 和邻近的正电中心+ s i l 0 3 中和( c 状态) 。反退火过程相 褒 当于0 3 = 一s i o o 中心上的一个电子又通过隧道效应反回硅衬底中去，变成( b 状 态) 。只有在相当高的温度下，才可能发生由b 变为c 再变为a 的恢复性退火。 ( a ) 应娈s i s ( 氧空位 tb ) r 中心 图2 5 空穴俘获( a 至b ) 和反俘获( b 至c 和c 至b ) 的模型 界面态的退火实质上就是界面态的钝化。退火方法有很多，普遍采用的是氯 化氢或三氯乙烯，此外还有： ( 1 ) 水退火：将受照样品在含水气氛中进行4 5 0 3 0 m i n 热处理。由于相 当数量的界面态与o h 一结合成s i - - o h 键，导致界面态密度大大减小。 ( 2 ) 氢退火：将受照样品在纯氢气体中进行5 0 0 k 3 0 m i n 处理，或在原子氢 气氛中作4 0 0 3 0 m i n 处理，或在氮氢气中进行4 0 0 k 3 0 m i n 退火处理，都可使 界面态密度大为减小。这类退火，利用了氢和悬挂键的作用： h ，+ ；s i 一h o + ；s i - - h 2 5 辐射感生界面态和氧化层电荷对器件性能的影响 辐射感生界面态和氧化层电荷是相互影响的。氧化层电荷的建立影响辐射感 生界面态的产额。氧化层电荷建立之后，又在界面感应出一定的负电荷。界面态 的荷电状况随界面电势的变化不是绝对的，如果电势变化太快，以致界面态来不 及响应，则它们将作为某种固定的电荷态存在。因此在某些情况下，很难将氧化 层电荷和界面态截然分开。它们主要从表面电势、表面复合速度、表面迁移率( 沟 道迁移率) 和噪声等几方面影响m o s 器件的性能。 ( 1 ) 闽值电压v t 或平带电压v f b 的漂移：表征m o s f e t 性能的一个重要参 数是阂值电压。闯值电压v 是使表面沟道达到强反型时栅极所加的电压，它是 m o s f e t 进入工作状态的起始电压。辐射感生的氧化层电荷和界面态电荷的存在， 将在半导体( 硅) 表面感生出电荷，其作用是使s i 0 1 s i 界面电势变化，从而导 致 d o s 结构的闽值电压v t 或平带电压v f b 沿电压轴移动： 1 a v t 或v f b = a q 。，+ q ；。 乙。x 其中，c 。是氧化层电容，a q 。和a q 。；分别为辐射感生氧化物电荷和界面态电 荷。前者引起的漂移是固定不变的；后者引起的漂移与界面电势有关。不同的结 构( n 沟或p 沟) 类型和静电荷性质( 正或负) 漂移可以有不同的效应。一般来 说，对n m o s ，氧化物陷阱电荷使闽值电压向负漂移，界面态陷阱电荷使之向 正漂移：对p m o s 而言，这两种电荷都使阈值电压向负方向漂移。 ( 2 ) 表面电导率减小：界面态可起复合中心和俘获中心的作用，使表面电 导率减小。其对器件( 或结构) 的效应是使电流增益下降和反向漏电流增大等。 ( 3 ) 沟道迁移率下降：界面态可以起散射中心的作用，其对载流子的散射 是一种无规则的漫散射，使沟道迁移率降低，对器件性能的影响是使跨导减小等。 ( 4 ) 产生l f 噪声：界面态与硅衬底之间的电荷交换是一种界面态对硅中 自由载流子的无规俘获作用。导致m o s 结构出现闪变噪声，即l f 噪声。这种 噪声限制了m o s 结构在低频放大方面的用途。 ( 5 ) 间接效应：s i 0 2 体内及s i 0 2 s i 界面中的金属或非金属杂质、中性缺陷、 可移动离子( 如n r ，k + 等) 、本征固定电荷和本征界面态的存在，可能使电离 辐射环境中元器件的电性能发生许多不可控制的变化。这些变化是电离辐射使上 述本征因素改变而引起的，称为间接电离效应。间接电离效应是非线性的，测量 和分析都有困难，对间接电离效应的研究很少，一般都是忽略来避开这个问题的。 但是在实际元器件的电离效应中，间接效应经常是不可忽略的。 总之，电离辐射效应与原始半导体材料中杂质缺陷的情况、器件工艺条件及 沾污等多种因素有关。因此，不同文章报导的结果往往不完全一致，机制的解释 也未达到完善，尚有许多需要进一步探讨的问题。 2 6 剂量增强效应 一般来说，电离效应的基本现象只与辐射感生的电子一空穴对总数有关，而 后者正比于辐射在受照材料中沉积于电离过程的总能量( 或总剂量) 。因此，一 般条件下，只要受照剂量相同，无论辐射类型和入射粒子的初始能量如何，材料 的电离效应都是基本等效的。 半导体元器件的电离效应直接依赖于活性( 灵敏) 区实际吸收的辐射剂量， 后者一般情况下等于或近似等于元器件所处的环境剂量( 或平横剂量) 。当半导 体元器件的结构中有高乙材料存在时，灵敏区的吸收剂量可能大于平衡剂量。这 种现象称为剂量增强效应。 x 射线与物质的作用以光电效应为主。光电效应截面正比于z 4 一。当器件结 构中有高z 材料时，x 射线与高z 材料作用产生较多的光电子。这些光电子穿过 界面进入灵敏区，在一定的范围( 由光电子的射程决定) 内损耗其多余能量，使浚 区域内的实际吸收剂量大于平横剂量。同时，也存在由于两种物质电子阻止本领 的不同而形成的界面附近剂量分布的不连续性。光电效应发射的光电子是各向同 性的，所以x 射线的剂量增强效应与其入射方向无关。 y 射线与物质的主要作用是康普顿散射，与z 无关，故其剂量增强效应主要 起因于界面两边电子散射的差异，电子散射对z 的依赖性不如光电效应强，因而 y 射线的剂量增强效应比x 射线弱。此外，由于康普顿过程以朝前散射的电子为 主，所以y 射线的剂量增强效应与入射方向有关。 第三章器件及实验设计 实验采用的器件为o 2 5 u r n 工艺的n o r 型6 4 m 多能级闪存。其存储单元为 n 沟的浮栅m o s ，浮栅和控制栅均为多晶硅结构，栅与栅之间用o n o ( o x i d e n i t r i d eo x i d e ) 介质层隔开。每个单元可以存储2 个字节，即可以存储“0 0 ”、“叭”、 “l o ”、“l l ”四种逻辑状态，对应浮栅上的电子数目由多及少，相应的阈值电压 v t 由高至低。三者之间的具体关系见表3 1 。 表3 ，l 浮栅上的电子数量与阈值电压和存储状态的对应关系 浮栅上电子的数量对应的阈值电压存储状态 最多最高0 0 较多较高 0 1 较少较低 l o 最少最低 1 1 器件是由6 4 个信息块组成，每个信息块包含1 0 2 4 行和1 0 2 4 列，即1 0 2 4 1 0 2 4 = 1 m 。器件输出的是1 6 字节的字，其工作原理为：每6 4 列组成一个输出 端i o ( 输入输出端口) ，一共1 6 个i o 。当选中一个地址时，y 解码器便会从每 个i o 中选中( 施加电压) 相应的列端。同时，x 解码器也会选中相应的行端。 器件实际工作时，y 解码器在字单元的漏端加电压，x 解码器在字单元的栅上加 电压。图3 1 为闪存一个信息块的结构示意图。图3 2 为器件的6 4 个信息块的布 局简化图。 i i o0 刊峥1 01 h i q - - t o2 喇降i o1 5 一h o126 3 0126 30126 30126 3 _ x 0 d f d 1 0 2 4 l 灿d ei l 蛐c o 妇i i y - d e e 。出r ii 脚。a e r t o l 0 0s e n 5 et o l 0 1s e n s e t o l 0 2s e m e 眦pa m pa m p 图3 t 闪存一个信息块的结构示意图 t o1 0 1 5s g , r d e 鸭口口口口口口口口口口口口口口0 0 0 0口口口口口口口口口导 丑 百 异万 币 口心 里 巴 亨 异 霄声 f u昏 万 里 i ； 芎 芹 争 i 三 n n r h 且 里 万 里 雯 l 霎 翌 异 争万异r r p 一o n_口 p e r i p h e r yc 1 r c u 吐r y 矗口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口暇 c 。出吐蕊。s r n p 耐。啪。 图3 2 闪存6 4 个信息块的布局简化图 实验设计方案为将器件的6 4 个信息块分成4 组，每组1 6 个信息块，每组全 部存储同一种状态，这样一个器件就同时存储了“o o ”、“0 1 ”、“1 0 ”和“1 1 ”四 种状态。辐射之前，首先测试其电性能( 包括闻值电压、输入特性、漏电流等) ， 其次放置于不同的辐射源下辐射，辐射后再测试其电性能，再次将器件放置于不 同的退火条件( 根据具体条件选做) ，最后测试其电性能。 实验的辐射源分别为y 射线和x 射线。y 射线辐射是在上海原子核物理所的 ”c oy 射线辐射装置上进行的。实验分为两组。每组样品若于，一组剂量率为 5 r a d ( s i ) s ，另一组剂量率为5 0 r a d ( s i ) s 。每组分别辐射1 0 分钟、1 0 0 分钟、2 0 0 分钟和3 5 0 分钟。完成电性能测试后，再分别：博每组样品置于1 0 0 。c 和2 0 0 下 各退火1 5 分钟。y 射线辐射的方案具体见表3 2 。辐射环境温度为3 5 左右， 辐射时所有的器件均开路。 表3 2y 射线辐射的设计方案 剂量率 55 。 】( r a d ( s i ) s ) 辐射时间 1 0 o1 0 0 ，02 0 0 ，03 5 0 ，0l o ，01 0 0 o2 0 0 ，0。5 0 。 ( r a i n ) 总剂量 3 3 1 0 46 1 0 1 1 0 53 芰饕! ( r a d ( s i ) ) 1 0 一3 1 0 。6 1 0 。 1 0 1l 0 1 x 射线辐射同样分为两组，一组剂量率为0 8 8r a d ( s i ) s ，另一组剂量率为2 0 8 r a d ( s i ) s 。每组分别辐射5 分钟和i 0 分钟。辐射处于室温下进行，辐射时所有样 品均开路。未进行退火实验。见表3 3 。 表3 3x 射线辐射的设计方案 剂量率 o 8 82 0 8 ( r a d ( s i ) s ) 辐射时间 5 3 51 0 75 o5 o ( m i n ) 总剂量 2 8 2 ，4 85 6 4 9 66 2 41 2 4 8 l ( r a d ( s i ) ) 器件的电性能参数测量是在f a t 5 系统上完成的。f a t 5 为一套控制a g i l e n t t e c h n o l o g i e s ( 安捷伦科技) v 1 0 0 0 测试平台的软件。利用这套软件和测试平台， 可以完成对闪存的绝大部分电性能测试。整个软件和平台以及器件( d u t ) 的层 次结构如图1 3 所示。其写操作是在控制栅加l l 1 2 v ，漏端加5 6 v ，源端接地。 擦除操作是在控制栅上加一1 2 v ，源端加3 v ，漏端开路。读操作是在控制栅加5 v ， 漏端l v ，源端接地。闪存单元的阈值电压定义为漏端电流为l oua 时的控制电 压。 图3 3f a t 5 系统的层次示意图 第四章实验结果与讨论 4 1 功能测试 辐射后对所有的器件在f a t 5 系统上进行功能测试。低剂量辐射后，器件操 作正常，可以完成正常的功能测试。随着剂量的增加，器件的存储信息发生变化， 功能测试报错。不同剂量下的失效情况见表41 和表4 2 。 表4 ，1y 射线辐射剂量对应的失效情况 剂量率 ( r a d ( s i )55 0 s ) 辐射时间 ( m i n ) l o o1 0 0 02 0 0 03 5 0 0l o ，o 1 0 0 02 0 0 03 5 0 0 总剂量 3 3 1 0 16 1 0 。 1 0 53 1 0 5 ， 3 1 0 。6 1 0 3 ( r a d ( s i ) )1 0 。 1 0 。1 0 11 0 6 是否失效正常失效失效失效失效失效失效失效 表4 2x 射线辐射剂量对应的失效情况 剂量率 o 8 8 2 0 8 ( r a d ( s i ) 5 ) 辐射时间 5 3 51 0 75 o 5 0 ( m i n ) 总剂量 2 8 2 4 85 6 4 9 6 6 2 41 2 4 8 ( r a d ( s i ) ) 是否失效正常 正常正常正常 由上表可知，y 射线辐射只有最小剂量( 3 1 0 3 r a d ( s i ) ) 辐射后的器件仍f 常，其余全部失效，说明多能级闪存的抗y 射线辐射水平为1 0 3 r a d ( s i ) 量级。而 x 射线辐射后，所有器件均正常，没有失效。由于实验条件所限，x 射线辐射的 剂量率以及总的剂量都不可能太大，故没有观察到大剂量下的辐射效应，但是下 文比较得出，x 射线辐射对阈值电压造成的漂移程度要大于同剂量的y 射线辐 射，说明相同剂量辐射下，x 射线辐射对多能级测存的损伤程度要大于y 射线( 详 见4 3 ) 。 4 2 1 阈值电压 4 2 y 射线辐射 表征多能级闪存性能的一个重要参数是闽值电压。阈值电压v ，是使表面沟 道达到强反型时栅极所加的电压，它是多能级闪存进入工作状态的起始电压。不 同存储状态间的阈值电压范围也是闪存正确“读”操作的栅压范围。 a 辐射对阈值电压的影响 0 0 2o x l 0 44o x l 0 6o x l 0 8o x l 0 io x l 0 312 x 1 0 5 d o s e ( r a d ( s i ) ) ( a ) 5 r a d ( s i ) s o0 20 x 1 0 54 0 x 1 0 56 0 x 1 0 58 0 x 1 0 5 1o x l 酽 d o s e ( r a d ( s i ) ) ( b ) 5 0 r a d ( s i ) s 图4 。1 闽值电压随y 射线辐射剂量的变化关系( a ) 5 r a d ( s i ) s ( b ) 5 0 r a d ( s i ) s ：罟 鲫 如 拍 拍 加 一 一一 ：罟 拍 们 拍 如 = 2 m 一 一一 图4 1 为y 射线辐射时，不同剂量率辐射下的阈值电压随总剂量的变化关系。 可以看到：四种存储状态的变化趋势并不完全一样。浮栅上存储电子较多的“0 0 ”、 “0 1 ”以及“1 0 ”状态的阈值电压均是随着剂量的增加而下降，下降幅度取决于 未辐射前的阈值电压( 原始v t ) 的高低，原始v t 越高，下降的的幅度越大。而 浮栅上存储电子最少的“1 1 ”状态与以上三种状态的变化趋势截然相反，其闽值 电压随着辐射剂量的增大而上升。比较小剂量率( 5 r a d ( s i ) s ) 和大剂量率 ( 5 0 r a d ( s i ) s ) 辐射下的阈值电压变化，可以发现小剂量率下v t 的变化幅度不如 大剂量率，但是变化趋势一致。图( b ) 中随着剂量的增加，四种状态的阈值电 压愈来愈接近，当剂量增加到1 0 5 1 0 6 r a d ( s i ) 时，四种状态的闽值电压趋于同 一值。 9 9 粤。 t o 5 0 ：o 1 0 1 1 0 l 0 0 l 0 0 0 x 工l1 00 i o o 7， 争 j 0 f， f j j lr f丁 f j r i 曩 ， j 4 f j 刀0 f ， 一 ， ，r 以；r jy a f 叠7； f ，fi fj j r 尹 ， jj - r铲一寸矿 一 v0 1 一& f t e r t1 0 一b e f o r e - i l b e f o r o l i a f t e r l li 22 i3 ：5 d4ssiie65 v t f ；n 图4 2 5 r a d ( s i ) s 辐射1 0 0 分钟前后的闽值电压分布 9 9 0 0 t o s o ：o 1 0 1 l 0 1 0 0 1 p - 一 鱼t 芦 f 一 j i 一 f ， fj 5lr 摹j ， f 叫 r 芦0事 j 丌jif j ， rf 一6 t uz f ， ， 7 厶 f ，j 寸 7 f i f ! 严7f ，j r0一 il52z5 ：sl4 55 5 s66 5 v t ( v ) ( a ) 1 0 0 分钟 节瞄丫 a 眷 膊jf _ ， 辛 ， t 嚣j f j 戳f j “j j “ rf 址 j于 腰 剪7 ；f 牙 f il | l f 严，l r ， l 嚆一 ll521 s： ：54_ j55 56e5 v t ( v ) ( b ) 3 5 0 分钟 图4 3 5 0 r a d ( s i ) s 辐射下的阈值电压分布( a ) 1 0 0 分钟： ) 3 5 0 分钟 一般而言，测量单个单元的闽值电压可能会受到器件本身、外界环境、机器 以及操作者等的影响而有较大的误差，因此测量整个信息块辐射前后的闽值电压 分布情况就比测量单个单元的阈值电压误差更小，更具有代表性。图4 2 显示了 器件在5 r a d ( s i ) s 下辐射1 0 0 分钟，四种状态的v t 分布的累积概率变化图。横坐 标为四个信息块的闽值电压分布范围，纵坐标为不同阂值电压时的累积概率，以 百分数表示。可以看到“0 0 ”、“0 1 ”、“1 0 ”三种状态的闽值电压分布均向左移， 0 o 0 0 0 1 l 1 i 1 9 t s j l o o 0 o o0 ，0o ， 只有“1 l ”状态的阈值分布向右移动，这其实和图4 1 ( a ) ( b ) 结果一致。此剂量率 辐射下的其它器件都有相同的规律，不同的就是闽值电压的变化程度而已。 5 0 r a d ( s i ) s 辐射下的器件比较复杂：辐射1 0 分钟的器件，阈值电压变化与 5 r a d ( s i ) s 辐射下的器件一致，但是当辐射时间达到1 0 0 分钟时( 总剂量3 1 0 5 r a d ) ，“1 1 ”状态的阈值电压分布曲线开始出现交叉现象，见图4 3 ( a ) 。这说 明此剂量下“1 1 ”状态的闽值电压己有小部分随剂量的增加而下降，虽然绝大部 分单元仍然是随剂量的增加而上升。当辐射时间达至02 0 0 分钟或者3 5 0 分钟时， “1 1 ”状态的累积概率曲线绝大部分是向左漂移，只有- - d , 部分是向右漂移，见 图4 3 ( b ) 。这说明信息块里绝大部分单元的闽值电压是随剂量的增加而下降，只 有- d , 部分是随剂量的增加而增加。此外，从图4 3 中还可以看到3 5 0 分钟辐 射后的阈值电压分布曲线都集中到了一个很窄的区域( 基本重合) 。这也说明总 剂量足够大时，所有状态的阈值电压都趋于一致的观点是正确的。 为什么“0 0 ”、“0 1 ”、“1 0 ”状态的闽值电压随着剂量的增加下降，而“1 1 ” 状态的阈值电压随着剂量的增加有时增加有时下降? 为什么剂量足够大时，所有 状态的阈值电压趋于相同? 我们知道，m o s f e t 辐射后的显著效应就是在氧化层中产生辐射感生氧化 物陷阱电荷以及界面态陷阱电荷。对于n 型m o s ，辐射感生的氧化物陷阱电荷 为正电荷，使闺值电压减小。辐射感生的界面态陷阱电荷只有受主态起作用，呈 负电荷，使阈值电压升高【z “。此时阈值电压可写成 v r = v r 0 + v 0 。+ v i 式中：v t 0 为未受辐射前的阈值电压；v 。和v 。分别是辐射感生氧化物 陷阱电荷和界面态陷阱电荷引起的阈值电压变化，可以通过亚阈分离技术【9 】将其 分离。 本实验的辐射对象是多能级闪存，其不同于m o s f e t 之处在于其独特的浮 栅结构，浮栅上可以存储电子。辐射不仅会产生氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电 荷，而且辐射也会对浮栅上电子造成得失，这些均会引起闽值电压变化，故多能 级闪存的阈值电压可以写为 v t = _ v t o + a v 。t + 州；t + a v f g 式中：v f g 为浮栅上电荷的变化引起的阈值电压的变化。由于浮栅的影响， 多能级闪存不可以象m o s f e t 那样通过亚阈分离技术将辐射引起的氧化物陷阱 电荷和界殛态电荷分离，进一步的研究仍需进行。 ，一 1 。弋 、 ： _ e l p o l i s i 盥 i ， i - + + i + + 乡 s i o z y 五# n t，、 一 1 e i e 2 乓 一 p o l y s i 一 ， l + + + + + o n o s i o z 。 ( a ) 图4 4 多能级闪存辐射时的浮栅能带图( a ) 状态 ( b ) “0 0 ”、“o l ”、“1 0 ”状态( b ) “1 1 ” 本文从浮栅上电子得失的角度，将这种现象归结为浮栅上的总电荷效应的变 化【2 “，如图4 4 所示，可以由以下四种机制来解释： 1 在“0 0 ”、“0 1 ”、“l o ”三种状态时，浮栅上的电子数较多，从而产生一场 强指向浮栅的内建场。电场强度由浮栅上的电子数决定，“o o ”状态最强，“叭” 其次，“1 0 ”最弱。辐射将在浮栅两旁的o n o 和s i 0 2 中产生电子空穴对，这些 辐射感生的电子空穴对有一部分很快会复合，复合比例则取决于电场强度。强度 越强，则复合的比例越小。那些逃脱复合的电子空穴对在内建场的作用下，沿相 反方向运动。由于电子速度比较快，很快就被扫出介质层，而空穴的漂移速度远 远小于电子的速