浮柵器件和普通NMOS器件總劑量效應對比研究

董 藝，沈鳴杰，劉 岐

（上海復旦微電子集團股份有限公司，上海 200433）

0 引言

衛星集成電路在空間環境中會受到電離輻射的影響，產生總劑量效應[1]。總劑量效應會在集成電路的二氧化硅層產生大量的電子?空穴對并導致界面態效應。集成電路中的NMOS器件對這些效應比較敏感，在總劑量效應下，NMOS器件會出現漏電流增加以及閾值電壓變化，嚴重影響器件特性，并使得集成電路的性能和功能出現異常，進而導致衛星系統無法正常工作[2]。

普通集成電路中的器件以PMOS和NMOS器件為主，但對于Flash[3-5]產品來說，其主要組成單元是存放數據的浮柵器件，圍繞浮柵器件的電路稱為外圍電路。外圍電路主要包括用于算法控制的數字電路和用于高壓擦寫的高壓電路，前者主要由低壓MOS器件組成，后者主要由高壓MOS器件組成。以上不同類型的器件在電離輻射條件下會產生不同的特性變化，特別是Flash產品所特有的浮柵器件的總劑量效應，需要抗輻射Flash產品的設計者予以特別關注。

本文對Flash產品中的多種器件開展總劑量輻照試驗，搜集數據，以展示不同類型器件對總劑量輻照所產生的不同效應，特別是浮柵器件在總劑量輻照下產生的獨特效應。

1 低壓NMOS器件總劑量效應

選取某應用NOR Flash工藝的低壓NMOS器件作為試驗對象。該NMOS器件柵氧化層厚度為7 nm，測試芯片中采用100個NMOS器件進行并聯，每個 NMOS 器件的W/L=4 μm/0.39 μm。衛星長期穩定在軌工作，至少要能耐受31 krad(Si)的總劑量，再考慮到設計余量，會要求宇航用器件的抗總劑量輻射能力至少達到100 krad(Si)[6]。因此本試驗累計總劑量做到100 krad(Si)，并再追加50 krad(Si)到累計150 krad(Si)。試驗中采用的劑量率為50 rad/s。總劑量輻照后進行100 ℃的退火，退火時間依次為24、72、168 h。試驗采用加電輻照，對器件的柵端施加3.6 V電壓，輻照后分別對低壓NMOS器件的漏電流和閾值電壓進行測量。以上試驗方法依據了相關航天標準[7]。同時高/低壓NMOS器件和浮柵MOS器件在工藝上同屬于NMOS結構類型器件，因此試驗可采用同樣的方法進行。整個試驗過程為：總劑量輻照在中國科學院上海應用物理研究所進行，輻照時器件放置在自制偏置板上以保證偏置；輻照完成后回上海復旦微電子集團股份有限公司的測試間進行器件性能測試。主要試驗設備包括鈷60射線源、PK2存儲器專用測試機和穩壓電源E3631A。試驗測試內容包括靜態總劑量試驗下被測NMOS器件的主要表征參數，如漏端電流、MOS器件閾值電壓。

低壓NMOS器件漏電流在總劑量輻照前后的試驗結果如表1所示。漏電流測量時NMOS器件的柵端接0 V，漏端接3.6 V。試驗樣品中，1#和2#沒有采用任何抗總劑量加固設計，3#和4#采用了環柵的抗總劑量版圖加固設計。

表1 低壓NMOS器件漏電流的總劑量效應試驗結果Table 1 TID test result of low voltage NMOS leakage current

測試數據中的負值是由于在所測量電流過小接近于0 nA的情況下，PK2機臺測試電流會由于精度問題出現不低于-20 nA的負值。從表1試驗結果看出，采用環柵加固后的低壓NMOS器件在總劑量輻照后漏電流沒有任何增加，但不進行加固的器件在總劑量100 krad(Si)和150 krad(Si)下漏電流增加劇烈[8]。該試驗中對漏電流上限進行了2.5 μA的限流，因此測試值最大只到2499 nA。未加固的低壓NMOS器件經過總劑量輻照后只要經過24 h以內的退火，漏電流即迅速恢復到輻照前的量值。

表2 低壓NMOS器件閾值電壓的總劑量效應試驗結果Table 2 TID test result of low voltage NMOS threshold voltage

從表2試驗結果看出，采用環柵加固后的低壓NMOS器件在總劑量輻照后，閾值電壓幾乎無變化，不進行加固的器件在總劑量100 krad(Si)輻照后在漏電流的影響下其等效閾值電壓有明顯下降，繼續追加輻照劑量到150 krad(Si)后其等效閾值有輕微下降。未加固的低壓NMOS器件經過總劑量輻照后只要經過24 h以內的退火，其閾值電壓即迅速恢復，恢復的機理是由于總劑量輻照過程中產生的氧化物陷阱電荷在退火過程中消失[9]。同時試驗數據也證明了環柵設計對低壓MOS器件總劑量效應的抑制作用，為相關產品的抗總劑量設計提供了參考。

2 高壓NMOS器件總劑量效應

選取某NOR Flash工藝的高壓NMOS器件作為試驗對象。該NMOS器件柵氧化層厚度為16 nm，測試芯片中采用100個NMOS進行并聯，每個NMOS 的W/L=4 μm/0.62 μm。整個總劑量試驗方法和第1章低壓NMOS器件的相同。

高壓NMOS器件漏電流在總劑量輻照前后的試驗結果如表3所示。漏電流測量時NMOS器件的柵端接0 V，漏端接9 V。試驗樣品中，1#和2#沒有采用任何抗總劑量加固設計，3#和4#采用了環柵的抗總劑量版圖加固設計。

表3 高壓NMOS器件漏電流的總劑量效應試驗結果Table 3 TID test result of high voltage NMOS leakage current

從表3試驗結果看出，采用環柵加固后的高壓NMOS器件在總劑量輻照后漏電流沒有任何增加，但不進行加固的器件在總劑量100 krad(Si)和150 krad(Si)的輻照下漏電流增加劇烈[8]。該試驗中對漏電流上限進行了2.5 μA的限流，因此測試值最大只到2499 nA。未加固的高壓NMOS器件經過總劑量輻照后進行24 h以內的退火，漏電流無法恢復到初始值，在退火進行到168 h后漏電流能恢復到初始值。

高壓NMOS器件閾值電壓在總劑量輻照前后的試驗結果如表4所示。閾值測量方法同低壓NMOS器件。

表4 高壓NMOS器件閾值電壓的總劑量效應試驗結果Table 4 TID test result of high voltage NMOS threshold voltage

從表4試驗結果看出，采用環柵加固后的高壓NMOS器件閾值電壓在總劑量輻照后有輕微下降，隨著退火的進行，器件閾值電壓會恢復且最終會高于初始值。不進行加固的器件在總劑量100krad(Si)輻照后由于漏電流的影響其等效閾值電壓有明顯的降低，追加輻照總劑量到150 krad(Si)后其等效閾值電壓不變。未加固的高壓NMOS器件隨著退火的進行，其閾值電壓會恢復且最終會高于初始值，恢復的機理是由于總劑量輻照過程中產生的氧化物陷阱電荷在退火過程中消失[9]。但該器件退火恢復所需要的時間比低壓NMOS器件的要長。同時試驗數據也證明了環柵設計對高壓MOS器件總劑量效應的抑制作用，為相關產品的抗總劑量設計提供了參考。

3 浮柵器件總劑量效應

選取某NOR Flash工藝的浮柵器件作為試驗對象。浮柵器件結構基于NMOS器件，在單柵的NMOS器件結構中加入了一個被隔離的浮柵作為電荷存儲介質。浮柵下面的隧道氧化層是編程和擦除時電子出入浮柵的通路。浮柵器件結構如圖1所示。試驗所用的浮柵隧道氧化層厚度為10 nm。整個總劑量試驗方法和前文的低壓NMOS器件相同。

圖1 浮柵器件結構圖Fig. 1 Structure of the floating gate device

進行試驗的浮柵器件編號為5#和6#，均沒有進行任何抗總劑量加固設計。浮柵器件電流在總劑量輻照前后的測試結果如表5所示。測試中對浮柵器件的柵端加2.8 V電壓，漏端加0.1 V電壓以測量浮柵器件的電流。

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表5 總劑量輻照前后浮柵器件的電流值Table 5 TID test result of floating gate device current

表5中電流的變化反映了浮柵器件閾值隨著總劑量輻照試驗進行而產生的變化趨勢。為了更直觀地看出浮柵器件閾值電壓的變化，采用掃描浮柵器件柵端電壓的方式來得到浮柵器件的閾值電壓，閾值判斷點為漏端施加0.1 V電壓時電流達到1 μA（浮柵單元尺寸小且是單一器件，因此判斷點電流小于第1章低壓NMOS器件的）。由此得到的浮柵器件閾值電壓在總劑量輻照前后的測試結果如表6所示。

表6 總劑量輻照前后浮柵器件的閾值電壓Table 6 TID test result of floating gate device threshold voltage

對于該工藝的NOR Flash浮柵器件，器件初始閾值2.84 V是處于低閾值的擦除狀態，即處于“1”狀態；相對的，器件閾值如果處于高閾值的編程狀態則被定義為“0”狀態。通過試驗發現，處于擦除態的浮柵器件的總劑量效應明顯不同于普通的NMOS器件。普通NMOS器件的閾值電壓會隨著輻照總劑量的增加而降低，但浮柵器件的閾值電壓會隨著輻照總劑量的增加而持續升高，閾值變化幅度和輻照總劑量成正比；總劑量試驗后的退火無法使得器件閾值向著初始閾值方向降低，反而隨著退火的進行持續升高（在退火過程中沒有施加任何擦寫電壓）。高、低壓NMOS器件和浮柵器件的閾值電壓在總劑量試驗中的變化趨勢對比見圖2。

圖2 總劑量輻照中各種器件閾值電壓變化對比Fig. 2 Comparison among threshold voltage of floating gate device and MOS devices after TID irradiation

4 對比分析

浮柵器件在總劑量輻照后產生的效應完全不同于普通NMOS器件。這主要是由于兩方面的原因造成的：

一方面，總劑量效應在二氧化硅中產生大量電子?空穴對，電子會被快速掃出氧化層。本試驗結果不能確定全部電子都定向進入浮柵，但從浮柵器件閾值電壓持續升高的現象能確認，其中一部分電子會注入浮柵。對于浮柵器件來說，將電子進入浮柵從而提高浮柵器件閾值電壓稱為編程效應，而將電子離開浮柵從而降低浮柵閾值電壓稱為擦除效應，因此以上效應相當于對浮柵器件產生了編程并提高了浮柵器件的閾值電壓。隨著總劑量的增加，電子?空穴對不停地產生，電子持續注入浮柵。總劑量試驗停止后，由于浮柵保存電子的特性，所以浮柵內的電子數量永遠保持在總劑量試驗停止的那一刻，后續即使進行退火，也不可能將浮柵內的電子趕出浮柵，因而退火后浮柵器件閾值電壓繼續升高。總劑量試驗中會采用過輻照50%加退火進行試驗[9]；但對于浮柵器件來說，過輻照50%產生的影響是完全無法通過退火恢復的，因此過輻照50%加退火的總劑量試驗對于浮柵器件來說是過嚴的試驗。

另一方面，浮柵器件的浮柵下存在隧道氧化層，會在總劑量下產生和普通NMOS器件相同的效應，即NMOS器件的氧化層中由于電子?空穴對的產生出現氧化物陷阱電荷和界面態陷阱電荷，會造成浮柵器件的閾值電壓降低；但對于起始閾值為2.84 V的浮柵器件來說，電子注入浮柵造成的閾值電壓升高幅度大于陷阱電荷造成的閾值電壓降低幅度，因此表現出浮柵器件整體閾值升高。和普通NMOS器件相類似，陷阱電荷引起閾值電壓降低的效應能通過高溫退火恢復。正是由于這個特性，造成了經歷150 krad(Si)總劑量試驗后的浮柵器件在退火過程中其閾值電壓表現為繼續持續上升。

由于以上兩方面的原因，在對浮柵器件進行總劑量并追加退火的試驗過程中，器件表現出隨著總劑量的增加以及退火的進行，其閾值電壓一直持續上升且不會出現向初始態恢復降低的現象。相對而言，NMOS器件在同樣的試驗條件下則表現出隨著總劑量的增加其閾值電壓降低；但隨著退火進行，閾值電壓會恢復升高。

對該NOR Flash工藝上的實際產品進行普通編程操作可以發現，施加2 μs的電編程脈沖可以將2.8 V的浮柵器件閾值電壓提高到6 V以上。而經過總劑量150 krad(Si)輻照并追加退火后浮柵器件的閾值電壓從2.84 V僅提高到3.04 V，相對于一般的電編程操作，總劑量輻照引起閾值電壓提升的幅度小得多。因此在總劑量輻照下，浮柵器件所產生的編程效應是一種弱編程效應。該弱編程效應引起擦除態浮柵器件閾值提高的效應符合相關文獻的試驗結果[10]。產品設計師可參考該浮柵器件閾值電壓變化的幅度，在進行NOR Flash產品的抗總劑量設計時選擇合適的浮柵器件閾值窗口以及合適的非揮發配置位結構等。

5 結束語

本文針對NOR Flash工藝中的幾類代表性器件進行了總劑量輻照試驗，對試驗數據進行比對發現，NOR Flash工藝中高壓NMOS器件在總劑量試驗后通過退火恢復所需的時間比低壓NMOS器件的要長，采用環柵加固可以有效抑制高、低壓NMOS器件的總劑量效應。而浮柵器件由于其特有的隔離浮柵結構，會在總劑量輻照中被注入電子而產生特有的弱編程效應，并且退火不能使得該效應所產生的影響恢復，即浮柵器件表現出明顯不同于其他NMOS器件的總劑量效應。

本文的試驗結果可以作為抗輻射Flash器件抗總劑量加固設計的依據。