曹楊 習(xí)凱 徐彥楠 李梅 李博 畢津順? 劉明

1) (中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

2) (中國科學(xué)院微電子研究所, 北京 100029)

(2018 年 9 月 5 日收到; 2018 年 12 月 18 日收到修改稿)

基于60Co-γ射線和 10 keV X 射線輻射源, 系統(tǒng)地研究了 55 nm 硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅閃存單元的電離總劑量效應(yīng), 并特別關(guān)注其電學(xué)特性退化的規(guī)律與物理機(jī)制. 總劑量輻照引起閃存單元I- V特性曲線漂移、存儲窗口變小和靜態(tài)電流增大等電學(xué)特性的退化現(xiàn)象, 并對其數(shù)據(jù)保持能力產(chǎn)生影響. 編程態(tài)閃存單元的Id- Vg曲線在輻照后顯著負(fù)向漂移, 而擦除態(tài)負(fù)向漂移幅度較小. 對比兩種射線輻照, 擦除態(tài)的Id- Vg曲線漂移方向不同. 相比于擦除態(tài), 富含存儲電子的編程態(tài)對總劑量輻照更為敏感; 且相比于60Co-γ射線, 本文觀測到了顯著的X射線劑量增強(qiáng)效應(yīng). 利用TCAD和Geant 4工具, 從能帶理論詳細(xì)討論了55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅閃存單元電離總劑量效應(yīng)和損傷的物理機(jī)制, 并模擬和深入分析了X射線的劑量增強(qiáng)效應(yīng).

1 引 言

隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的持續(xù)微縮, 傳統(tǒng)浮柵型閃存面臨嚴(yán)重的隧穿氧化層漏電和存儲單元間的串?dāng)_等問題[1,2], 而基于氮化硅的硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅技術(shù)(silicon-oxide-nitride-oxidesilicon, SONOS)可以有效抑制和解決上述瓶頸問題. SONOS具有分立的電荷存儲能力、低操作電壓和更好的耐受性/保持能力, 制程簡單并與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary-metal-oxidesemiconductor, CMOS)工藝兼容等優(yōu)勢[3?6]. 其結(jié)構(gòu)中富含深能級陷阱的無定形氮化硅層用來存儲電子和空穴, 當(dāng)單一缺陷導(dǎo)致的漏電路徑產(chǎn)生時(shí),存儲層可以保留絕大部分電荷, 從而避免存儲信息的丟失及器件功能的失效[7].

應(yīng)用于空間環(huán)境的存儲器件需要面對極端惡劣的輻射環(huán)境, 各種高能帶電粒子(如電子、質(zhì)子和重離子)與射線會對器件的功能、性能和可靠性產(chǎn)生顯著影響[8]. 通常主要關(guān)注電離總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)等. 電離總劑量效應(yīng)會引起器件閾值電壓漂移、漏電增加、噪聲增加和電子遷移率降低等退化, 甚至造成器件失效[9,10]. 國內(nèi)外學(xué)者已對浮柵型閃存的輻射效應(yīng)開展了大量研究工作, 包括存儲單元、或非門(NOR)和與非門(NAND)電路等[11?15].Snyder等[16]指出, 引起浮柵型閃存中輻射誘發(fā)閾值電壓漂移的機(jī)制主要包括: 1)周圍氧化層中產(chǎn)生的電荷注入至浮柵; 2)隧穿氧化層中的電荷俘獲; 3)浮柵中載流子的光電效應(yīng). Northrop Grumman和Cypress等公司在高可靠SONOS閃存研制方面開展了系統(tǒng)性的工作[17?19]. 0.13 μm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)的SONOS存儲單元具有良好的抗總劑量輻照能力[20,21]. 得益于較寬的存儲窗口, 新型三維環(huán)柵納米線SONOS閃存單元可承受1 Mrad(Si)的總劑量輻照[22]. 然而, 當(dāng)前國內(nèi)外對納米級SONOS閃存單元的輻射效應(yīng)研究仍較少, 且通常基于單一輻射源, 鮮有研究不同輻射源對其電離總劑量效應(yīng)影響的報(bào)道.

本文首先介紹SONOS閃存單元的測試結(jié)構(gòu)和總劑量輻照實(shí)驗(yàn)及流程, 重點(diǎn)研究60Co-γ射線源和10 keV X射線源對閃存單元I- V特性曲線、存儲窗口和靜態(tài)電流的影響, 然后基于TCAD和Geant 4工具, 仿真分析和討論SONOS閃存器件退化機(jī)理, 并模擬和深入分析兩種射線的劑量增強(qiáng)效應(yīng).

2 器件和實(shí)驗(yàn)條件

測試結(jié)構(gòu)為基于超低功耗55 nm CMOS工藝的2 × 2位NOR型閃存單元微陣列, 每個(gè)閃存單元由2個(gè)晶體管(2T)結(jié)構(gòu)組成, 即存儲晶體管(memory transistor, MT)串聯(lián)選擇晶體管 (select transistor, ST). 圖 1給出了微陣列的原理圖和閃存單元的透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)橫截面. 每個(gè)閃存單元有五個(gè)端口, 即 WLS, WL, BL, SL 和 B, 其中 WLS 和 BL 分別對應(yīng)MT的柵極(G)和漏極(D). MT為SONOS型閃存器件, 其基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示, ST為MOSFET. MT和ST均為n型溝道晶體管, 因此在測量Id-Vg曲線時(shí), ST要保持在強(qiáng)開啟狀態(tài)以保證閃存單元被選擇.

圖1 (a) SONOS 結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 2 × 2 位的閃存單元微陣列及其TEM橫截面Fig.1. (a) Diagram of SONOS structure; (b) 2 × 2 bit flash cells mini-array and the TEM cross-section.

室溫下, 基于Agilent B1500A半導(dǎo)體器件分析儀對測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行電性測量. 輻照前, 利用Fowler-Nordheim隧穿機(jī)制預(yù)先對閃存單元進(jìn)行編程 (PGM)或擦除 (ERS)操作, 具體條件如表1所列. 讀操作(READ)時(shí), ST開啟(對應(yīng)柵壓為 2.5 V), MT 漏極偏置為 0.6 V. 從?3 V 至 3 V掃描 MT的柵壓, 當(dāng)其漏電流達(dá)到 1 μA時(shí), 對應(yīng)的MT柵極電壓定義為閾值電壓Vth. 存儲窗口定義為編程態(tài)和擦除態(tài)存儲單元Vth之差.Istand-by定義為且柵壓Vg(VWLS) = 0 V 時(shí)的漏極讀取電流 (通常靜態(tài)電流定義為各個(gè)端口均不施加偏壓時(shí)的Id, 本測試中讀取時(shí)需要施加VWL以保證閃存單元被選擇,VBL則是測試機(jī)臺固定設(shè)置).

表1 SONOS 閃存單元的操作條件Table 1. Operation conditions of the SONOS single flash cell.

基于60Co-γ射線源的總劑量輻照實(shí)驗(yàn)在北京師范大學(xué)進(jìn)行, 輻照劑量率為 100 rad(Si)/s, 輻照過程中未施加電學(xué)偏置, 輻照后離線移位測試電學(xué)特性; 基于10 keV X射線源的總劑量輻照實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所進(jìn)行, 輻照劑量率為100 rad(Si)/s, 輻照后在線原位測試電學(xué)特性.

3 總劑量輻照實(shí)驗(yàn)

3.1 60Co-γ射線輻射源

圖2給出了60Co-γ射線源輻照下SONOS閃存單元Id-Vg曲線的變化規(guī)律. 輻照后, 編程態(tài)SONOS閃存單元的Id-Vg曲線負(fù)向漂移, 而擦除態(tài)對應(yīng)的曲線則正向漂移. 為直觀比較閃存單元的抗輻照能力, 圖3(a)給出了總劑量輻照引起的編程態(tài)和擦除態(tài)的Vth漂移.Vth在60Co-γ射線下的變化較為平緩, 輻照總劑量達(dá)到 300 krad(Si)時(shí), 編程態(tài)Vth較初始減小69.2%, 而擦除態(tài)Vth增大10.0%,存儲窗口減小27.9%. 輻照總劑量在100 krad(Si)以下時(shí)存儲窗口的變化顯著, 而在100—300 krad(Si)區(qū)間的變化較平緩. 除Vth漂移外, 總劑量輻照也導(dǎo)致閃存單元的Istand-by發(fā)生變化, 如圖3(b)所示.60Co-γ 射線下的Istand-by變化平緩, 輻照總劑量達(dá)到300 krad(Si)時(shí), 編程態(tài)和擦除態(tài)Istand-by變化均小于一個(gè)數(shù)量級.

圖 2 60Co-γ射線總劑量輻照后 , 編程態(tài)和擦除態(tài)的SONOS閃存單元的I-V特性變化規(guī)律Fig.2. I-V characteristics of the programmed and erased single SONOS flash cell after total ionizing dose irradiation by 60Co-γ rays.

圖3 編程態(tài)和擦除態(tài)閃存單元的(a)閾值電壓和歸一化的存儲窗口, 以及(b)靜態(tài)電流隨60Co-γ射線總劑量輻照的變化規(guī)律Fig.3. (a) Threshold voltage and normalized memory window, and (b) stand-by current of the programmed and erased single flash cell after total ionizing dose irradiation by 60Co-γ rays.

3.2 10 keV X射線輻射源

圖4給出了10 keV X射線源輻照下SONOS閃存單元Id-Vg曲線的變化規(guī)律. 編程態(tài)閃存單元的Id-Vg曲線在輻照后顯著負(fù)向漂移, 而擦除態(tài)負(fù)向漂移幅度較小. 對比兩種射線輻照, 擦除態(tài)的Id-Vg曲線漂移方向不同. 隨10 keV X射線輻照總劑量增至 150 krad(Si),Vth變化顯著, 編程態(tài)Vth減小248.4%, 擦除態(tài)Vth減小11.1%, 存儲窗口減小60.7%, 如圖 5(a)所示. 擦除態(tài)Istand-by基本無變化,而編程態(tài)Istand-by上升了5個(gè)數(shù)量級, 如圖5(b)所示.

圖4 輻射源為 10 keV X 射線下編程態(tài)和擦除態(tài)閃存單元的I-V特性變化規(guī)律Fig.4. I-V characteristics of the programmed and erased single flash cell after total ionizing dose irradiation by 10 keV X-rays.

4 器件退化機(jī)理分析

由上述60Co-γ 射線源和 10 keV X 射線源總劑量輻照后編程態(tài)和擦除態(tài)SONOS閃存單元的IV特性, 以及提取的Vth和Istand-by可知: 定性而言, 不同輻射源對器件的電學(xué)特性影響趨勢基本一致, 即表現(xiàn)為閾值電壓漂移、存儲窗口減小和漏電增大; 但定量而言,60Co-γ射線下器件電學(xué)特性和參數(shù)退化較小, 當(dāng)輻照總劑量達(dá)到300 krad(Si)時(shí), 與輻照前相比, 編程態(tài)Vth減小 69.2%, 擦除態(tài)Vth增大10.0%, 編程態(tài)和擦除態(tài)Istand-by的變化均小于一個(gè)數(shù)量級. 閃存單元對10 keV X射線的總劑量輻照則更為敏感, 當(dāng)輻照總劑量達(dá)到150 krad(Si)時(shí), 與輻照前相比, 編程態(tài)Vth減小248.4%, 擦除態(tài)Vth增大 11.1%, 擦除態(tài)Istand-by無明顯變化, 但編程態(tài)Istand-by增大了5個(gè)數(shù)量級.

圖5 編程態(tài)和擦除態(tài)閃存單元的(a)閾值電壓和歸一化的存儲窗口, 以及(b)靜態(tài)電流隨10 keV X射線總劑量輻照的變化規(guī)律Fig.5. (a) Threshold voltage and normalized memory window, and (b) stand-by current of the programmed and erased single flash cell after total ionizing dose irradiation by 10 keV X-rays.

在測試過程中, MOS結(jié)構(gòu)的ST均處于強(qiáng)開啟狀態(tài), 總劑量輻照對ST的影響在單元級特性研究中不明顯, 因此本文著重討論總劑量輻照對SONOS 結(jié)構(gòu) MT 的影響. 為研究 55 nm SONOS閃存單元電離總劑量效應(yīng)的物理機(jī)理(以編程態(tài)為例), 利用 Sentaurus TCAD 工具構(gòu)建了 MT 的SONOS器件結(jié)構(gòu), 并獲得編程態(tài)SONOS結(jié)構(gòu)能帶圖, 分別如圖6和圖7所示. 輻照誘發(fā)編程態(tài)SONOS器件I-V特性退化的機(jī)制主要為圖7所示的5個(gè)子物理過程:

1) 柵極材料吸收輻照能量, 氮化硅層中產(chǎn)生電子-空穴對. 小尺寸SONOS器件的隧穿氧化層和阻擋氧化層很薄(< 5 nm), 其內(nèi)的輻照誘發(fā)電子-空穴對數(shù)量很少, 可忽略不計(jì)[23];

2) 氮化硅層中存儲的大量電子導(dǎo)致其電勢較柵極和襯底低, 產(chǎn)生內(nèi)建電場E1,E2, 將 1)產(chǎn)生的電子-空穴對中的電子掃出氮化硅層, 部分越過隧穿氧化層和阻擋氧化層, 進(jìn)入柵極或襯底;

3) 由1)產(chǎn)生的電子-空穴對中的空穴緩慢移動到Si3N4/SiO2界面, 被俘獲形成陷阱電荷和界面態(tài);

4) 部分電子或空穴重新被氮化硅層中的陷阱俘獲, 形成電子或空穴的積累;

5) 存儲在氮化硅層中的電子吸收輻照能量,被激發(fā)到導(dǎo)帶.

圖 6 在 Sentaurus TCAD 中構(gòu)建MT的SONOS 結(jié)構(gòu),其主要物理參數(shù)來自于圖1中的TEM截面信息Fig.6. Diagram of MT’s SONOS structure constructed in Sentaurus TCAD tool, with main physical parameters derived from the cross-section TEM information in Fig.1.

圖7 基于圖 6 獲得編程態(tài) SONOS 器件能帶圖, 并標(biāo)示出其電離總劑量效應(yīng)的子物理過程Fig.7. Energy band diagram of programmed SONOS device based on Fig.6, which illustrates sub-physical processes of total ionizing dose effect.

上述編程態(tài)器件退化機(jī)制中, 導(dǎo)致SONOS閃存單元的閾值電壓降低、I-V特性曲線負(fù)向漂移的主要原因包括: 氮化硅層中存儲電子的損失、輻照誘發(fā)的電荷積累和界面態(tài). 擦除態(tài)器件退化機(jī)制與編程態(tài)類似, 不同之處在于存儲電荷為空穴, 內(nèi)建電場方向與圖7中E1,E2相反, 退化表現(xiàn)為閾值電壓升高、I-V特性曲線正向漂移. 值得注意的是,圖4中10 keV X射線總劑量輻照后的編程態(tài)I-V特性變化比擦除態(tài)明顯, 且擦除態(tài)的I-Vg曲線負(fù)向漂移. 在超薄氧化層情況下, 輻照導(dǎo)致的隧穿氧化層和阻擋氧化層中陷阱電荷及界面態(tài)的產(chǎn)生也是使器件退化的重要因素[24]. 編程態(tài)和擦除態(tài)器件中穿過氧化層的電場方向和強(qiáng)度不同, 根據(jù)文獻(xiàn)[25],10 nm厚度氧化層的n型多晶硅柵電容器中負(fù)向氧化層電場比正向產(chǎn)生更多的界面態(tài), 由此可推測編程態(tài)SONOS器件中產(chǎn)生了更多的界面態(tài), 進(jìn)而顯著增加了器件的亞閾值斜率(圖8中得以驗(yàn)證),表現(xiàn)為退化更嚴(yán)重. 根據(jù)前面的理論模型,Vth漂移的主因是氮化硅層中存儲電荷的損失和輻照誘發(fā)的電荷積累[26]. 編程態(tài)器件中存儲電子的損失與輻照誘發(fā)的空穴積累相疊加, 擦除態(tài)下存儲空穴的損失與后者則是相抵消, 因此兩種狀態(tài)下的器件Vth漂移程度不同; 當(dāng)擦除態(tài)器件中輻照誘發(fā)的空穴積累甚至大于存儲空穴的損失時(shí), 發(fā)生圖4中I-Vg曲線的負(fù)向漂移[6].

圖8 輻射源為 10 keV X 射線下編程態(tài)和擦除態(tài)閃存單元的亞閾值斜率變化規(guī)律Fig.8. Sub-threshold slopes of the programmed and erased single flash cell after total ionizing dose irradiation by 10 keV X-rays.

閃存單元的另一個(gè)重要輻照退化現(xiàn)象是靜態(tài)電流Istand-by的增加. 造成此退化的原因主要包括:1)閃存單元的I-V特性曲線漂移導(dǎo)致Istand-by不可避免地產(chǎn)生變化, 且從圖4可以看到X射線下編程態(tài)I-V特性曲線漂移遠(yuǎn)超擦除態(tài)(其機(jī)理已在上文分析), 因此在Istand-by上也反映為退化比擦除態(tài)嚴(yán)重得多; 2)輻照誘發(fā)了寄生電流的產(chǎn)生. 本器件采用淺溝道隔離工藝實(shí)現(xiàn)閃存單元間和阱間隔離,此時(shí)閃存單元中的MT可等效成一個(gè)主晶體管和兩個(gè)寄生晶體管并聯(lián)[27?29], 如圖9所示. 寄生晶體管的有效柵氧厚度相對較大, 輻照前閾值電壓較大, 泄漏電流較小; 輻照后氧化層中產(chǎn)生正的陷阱電荷, 導(dǎo)致閾值電壓負(fù)向漂移. 而閾值電壓變量( ?Vth)與氧化層厚度的平方近似成正比[30], 較大有效柵氧厚度的寄生晶體管產(chǎn)生顯著的 ?Vth負(fù)向漂移. 因此某個(gè)輻照總劑量水平下的寄生晶體管即使在柵極零偏置下也會開啟產(chǎn)生寄生電流, 在主晶體管的I-V特性上即表現(xiàn)為靜態(tài)電流的一部分[27].寄生電流與主晶體管的導(dǎo)通電流相比較小, 主要反映在Id-Vg曲線的亞閾區(qū).

圖9 (a)閃存單元中MT的布局簡圖和溝道邊緣的漏電路徑; (b)沿虛線A—A', MT可等效成一個(gè)主晶體管與兩個(gè)寄生晶體管的并聯(lián), MT靠近隔離氧化物處反型層的形成導(dǎo)致寄生電流產(chǎn)生Fig.9. (a) MT top view with the leakage paths at the channel edges; (b) cross-section of MT along line A– A'indicates that MT can be considered as a main transistor in parallel with two parasitic transistors. The formation of the inverse layer along the isolated oxide leads to the generation of parasitic currents.

兩種射線輻照劑量率均為100 rad(Si)/s, 但對比圖3和圖5, 10 keV X射線總劑量輻照導(dǎo)致的閾值電壓和靜態(tài)電流退化均遠(yuǎn)超60Co-γ 射線. 光子入射到材料中與靶材料發(fā)生相互作用的物理機(jī)理主要包括康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng). 高能光子輻照(60Co-γ 射線)中康普頓效應(yīng)為主導(dǎo), 光子與靶材料原子的外層電子(自由電子)發(fā)生彈性碰撞, 反應(yīng)截面與靶材料原子序數(shù)Z的依賴關(guān)系較淺; 而低能光子輻照(10 keV X射線)中則以光電效應(yīng)為主導(dǎo), 光子與內(nèi)層電子作用, 反應(yīng)截面與Z呈很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系(Z的5次方)[31?34]. 本器件在多晶硅柵上方使用了實(shí)現(xiàn)金屬接觸的高Z材料(如W,Cu等), X射線在高Z材料中產(chǎn)生大量二次電子,部分次級電子進(jìn)入交界面(如Si/SiO2, SiO2/Si3N4界面)的靈敏區(qū)中, 因此在靈敏區(qū)產(chǎn)生劑量增強(qiáng)效應(yīng).

為研究本器件中X射線的劑量增強(qiáng)效應(yīng)與高Z材料種類、厚度的關(guān)系, 利用Geant 4工具建立MT的器件模型(如圖10)[35?37], 然后分別調(diào)整兩種高Z材料的厚度參數(shù)對其進(jìn)行模擬: 1) Cu厚度為 100 nm, 其下方 W 厚度從 70 nm 增至 300 nm;2) W 厚度為 100 nm, 其上方 Cu 厚度從 70 nm 增至300 nm. 設(shè)置SiN及上下兩層氧化物為靈敏體積(SV), 輻照模擬過程中檢測SV中的電子-空穴對數(shù)目, 設(shè)置Cu及W兩層高Z材料厚度、入射射線后, 分別更改Cu或W高Z層為Si 材料, 模擬得到輻照下SV中電子數(shù)目為N1; 將高Z層中的Si材料換回為高Z材料, 重復(fù)模擬得到SV中電子數(shù)目N2. 劑量增強(qiáng)因子為N2/N1, 代表了高Z材料存在情況下的劑量增強(qiáng)效應(yīng)強(qiáng)度. 從圖11可看到,W材料的存在使得X射線的劑量增強(qiáng)效應(yīng)明顯,其劑量增強(qiáng)因子遠(yuǎn)大于γ射線, 但與W層厚度無明顯關(guān)系; Cu材料的影響很小, 其一是因?yàn)樯渚€在W層中產(chǎn)生的電子-空穴對密度遠(yuǎn)高于Cu, 相當(dāng)于阻隔了Cu對靈敏區(qū)的影響, 其二則是因?yàn)镃u層離器件靈敏區(qū)距離較遠(yuǎn).

圖10 Geant 4 中建立的 MT 器件模型Fig.10. MT device model established by Geant 4 tool.

圖11 Geant 4 工具模擬高 Z 材料與 X 射線劑量增強(qiáng)效應(yīng)的關(guān)系Fig.11. Dose enhancement effect of X-rays on high-Z materials, simulated by Geant 4 tool.

5 結(jié) 論

本文研究了60Co-γ射線和10 keV X射線兩種輻射源對于55 nm SONOS閃存單元電離總劑量效應(yīng)的影響.60Co-γ射線和 10 keV X 射線輻照均引起SONOS閃存單元閾值電壓漂移、存儲窗口減小和靜態(tài)電流增加, 且隨總劑量的增大而逐漸失去信息存儲的能力. 氮化硅層中存儲電荷的損失、輻照誘發(fā)的電荷積累和界面態(tài)的產(chǎn)生導(dǎo)致了閾值電壓退化, 進(jìn)而影響到靜態(tài)電流. 靜態(tài)電流變化的另一個(gè)原因是輻照誘發(fā)隔離氧化物中的凈陷阱正電荷導(dǎo)致了漏電路徑的產(chǎn)生. 器件中多晶硅柵上方的高Z材料W使得X射線輻照產(chǎn)生劑量增強(qiáng)效應(yīng),導(dǎo)致其總劑量輻照退化較γ射線嚴(yán)重得多.