电离总剂量效应对浮栅型Flash存储器擦写耐久与数据保持特性的影响研究
90nm浮栅型P-FLASH器件总剂量电离辐射效应研究
90nm浮栅型P-FLASH器件总剂量电离辐射效应研究朱少立;汤偲愉;刘国柱;曹立超;洪根深;吴建伟;郑若成【摘要】研究了基于90 nm eFLASH工艺制备的浮栅型P-Channel FLASH单元的总剂量电离辐射效应,主要研究了FLASH单元随总剂量增加的变化规律及鳊程/擦除时间对FLASH单元抗总剂量能力的影响.研究表明:随着总剂量的增加,浮栅型P-FLASH器件“开”态驱动能力(Idsat)、“关”态漏电(Ioff)及跨导(gm)未发生明显退化,但“擦除/编程”态的阈值窗口明显减小,且呈现“鳊程”态阈值电压(TP)下降幅度较“擦除”态(VTE)快的特征;编程/擦除时间的增加会导致FLASH单元阈值电压漂移量,对鳊程态FLASH单元,鳊程时间的增大导致阈值电压漂移量增大,而对于擦除态器件FLASH单元,擦除时间的增加导致阈值电压漂移量减小.综上所述,总剂量的增加仅引起浮栅型P-FLASH单元阈值电压的漂移,即浮栅内电荷的转移;编程/擦除时间的增加导致FLASH单元阈值电压漂移量的差异,主要是由于编程/擦除应力时间的增加导致隧道氧化层及界面处陷阱电荷的引入所引起的.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2018(018)008【总页数】6页(P36-40,43)【关键词】浮栅型P-FLASH;总剂量电离效应;编程/擦除时间;阈值电压漂移【作者】朱少立;汤偲愉;刘国柱;曹立超;洪根深;吴建伟;郑若成【作者单位】中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214035【正文语种】中文【中图分类】TN3061 引言非易失性存储器特别是FLASH存储器具有高速度、大容量、低功耗以及高可靠性等特点，目前，FLASH存储器已经逐步应用于卫星遥感、航天探测等对可靠性要求十分严格的辐照空间应用中[1]。
自然空间环境中总剂量电离辐射引起的MOS器件性能衰降
自然空间环境中总剂量电离辐射引起的MOS器件性能衰降K.F.Galloway;R.D.Schrimpf;黄益全
【期刊名称】《微电子学》
【年(卷),期】1991(21)1
【摘要】本文详细地综述了自然空间环境中总剂量电离辐照引起的MOS器件性能衰降;MOS介质经受电离辐射期间产生的界面和氧化物电荷使得大量器件电特性发生变化;所观察到的辐射影响包括MOSFET的阈值电压漂移、沟道迁移降低、驱动性能损失和漏泄电流增大;在自然空间环境中,当总剂量以非常低的剂量率积累时,界面和氧化物俘获电荷之间可以综合折衷。
【总页数】7页(P46-52)
【关键词】MOS器件;电离辐照;性能衰降;MOSFET
【作者】K.F.Galloway;R.D.Schrimpf;黄益全
【作者单位】亚利桑那大学电气与计算机工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TN386.1
【相关文献】
1.12位LC2MOS工艺数模转换器总剂量电离辐射效应 [J], 王信;陆妩;郭旗;吴雪;席善斌;邓伟;崔江维;张晋新
2.剂量率对MOS器件总剂量辐射性能的影响 [J], 朱小锋;周开明;徐曦
3.90nm浮栅型P-FLASH器件总剂量电离辐射效应研究 [J], 朱少立;汤偲愉;刘国
柱;曹立超;洪根深;吴建伟;郑若成
4.高压SOIp LDMOS器件电离辐射总剂量效应研究 [J], 马阔;乔明;周锌;王卓
5.总剂量辐射对硅双极和MOS器件性能的影响 [J], 蔡俊;傅义珠
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大规模集成电路浮栅ROM器件总剂量辐射效应
第27卷 第1期2006年1月半 导 体 学 报CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORSVol.27 No.1J an.,2006通信作者.Email :baopinghe @ 2005208214收到,2005209225定稿ν2006中国电子学会大规模集成电路浮栅ROM 器件总剂量辐射效应何宝平1,2, 周荷琴1 郭红霞2 周 辉2 罗尹虹2 姚志斌2 张凤祁2(1中国科学技术大学,合肥 230026)(2西北核技术研究所,西安 710024)摘要:提出了一种大规模集成电路总剂量效应测试方法:在监测器件和电路功能参数的同时,监测器件功耗电流的变化情况,分析数据错误和器件功耗电流与辐射总剂量的关系.根据该方法利用60Co γ射线进行了浮栅ROM 集成电路(A T29C256)总剂量辐照实验,研究了功耗电流和出错数量在不同γ射线剂量率辐照下的总剂量效应,以及参数失效与功能失效时间随辐射剂量率的变化关系,并利用外推实验技术预估了电路在空间低剂量率环境下的失效时间.关键词:大规模集成电路;总剂量效应;低剂量率;失效时间PACC :6180E ;7340Q EEACC :2560R 中图分类号:TN38611 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)01201212051 引言目前我国航天器上已经大量使用大规模集成电路,然而,空间辐射环境中的带电粒子和电子产生的电离总剂量效应会导致大规模集成电路功能异常,严重影响航天器的可靠性及在轨寿命.近年来,大规模集成电路的总剂量辐射效应一直是国外辐射效应研究领域的热点[1,2],国内在小规模电路的效应机理、实验测量以及模拟方法等方面取得了一定的成绩[3～6].我们以往的总剂量效应研究都是针对中小规模集成电路,特别是门电路,大规模集成电路(存储器和CPU 等)的总剂量效应如何测试,抗总剂量水平如何评价,这些都是需要解决的问题.国外尚无统一规范的实验方法,目前国内对于大规模集成电路的总剂量效应研究尚处于探索阶段.大规模集成电路浮栅ROM 器件(主要是FL ASH ROM 和EEPROM )在单一的工作电压下,就可以完成读出、擦除和写入功能,克服了原有只读存储器(ROM )的不足;而且和静态随机存取存储器(SRAM )相比,其存储的数据是非挥发性的,即使掉电,也不会丢失数据.因此,浮栅ROM 集成电路已被广泛应用于包括航天器在内的各领域的电子系统中,开展浮栅ROM 集成电路的总剂量辐射效应研究具有重大的现实意义和应用价值.本文给出了初步的大规模集成电路总剂量效应的测试方法,并利用该方法对大规模集成电路浮栅ROM 器件总剂量辐射效应进行了研究.2 总剂量效应测试方法总剂量效应一个重要的敏感参数就是阈值电压,对于门电路、反相器等中小规模集成电路,主要测试其阈值电压随辐照剂量的变化.对于单个晶体管,可以得到氧化物陷阱导致的阈值电压漂移量和界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量.然而,对于由成千上万只nMOS 和pMOS 晶体管组成的大规模集成电路,仅有几十个管脚,目前尚无有效的方法来测量某个晶体管的阈值电压.因此,适用于小规模集成电路的总剂量效应测试方法无法应用于大规模集成电路.如果许多nMOS 晶体管的准静态电流增大,就会导致器件的功耗电流增大.随辐射电离总剂量的继续增加,阈值电压漂移越来越大,原本应该截止的晶体管导通(或相反)时,器件会出现逻辑功能错误,引起数据错误或运算错误.浮栅ROM 集成电路的集成度高,采用传统的方法测量内部某个晶体管的敏感参数(如阈值电压)不太容易,因此我们提出初步的总剂量效应测试方法:在线监测器件和电路功能参数的同时,监测器件功耗电流的变化情况.器件在进行辐照前,每个字节写入数据,在辐照过程中循环读取存储单元中的数据,与辐照前作比较,记录出错单元,统计出错类型和数量,同时监测器件功耗电流的变化情况,分析数据错误和器件功耗电流与辐射总剂量效应的变化关半 导 体 学 报第27卷系.3 辐射实验辐照实验是在西北核技术研究所的4000居里Co260γ源上进行,辐照温度为室温,利用UN IDOS 剂量仪标定的辐照剂量率有:50rad(Si)/s,16156rad (Si)/s,2193rad(Si)/s,0126rad(Si)/s四种.实验电路为浮栅ROM集成电路A T29C256,分两类:一类为A T29C256(9911),另一类为A T29C256(9939).辐照前每个字节写入数据“55H”,即:“0”与“1”相互间隔.在加电(+5V)状态下辐照,用存储器辐照效应测试系统和电流测试系统动态连续、实时监测被测电路的功能和功耗电流的大小,实时读取数据,统计出错单元的数量和功耗电流值,辐照结束后,继续室温在线监测半小时.4 实验结果4.1 总剂量辐射效应我们根据以往的研究了解到,受辐射的非加固CMOS器件,能够在栅氧化层中诱导产生氧化物陷阱电荷累积,这种累积的电荷能够引起CMOS晶体管阈值电压发生漂移.但是,辐射同样也会在场氧化层中发生氧化物陷阱电荷的积累,这样的电荷积累导致器件漏电情况增加.因此,对于许多非加固的集成电路来讲,功耗电流是一个敏感的辐射损伤参数.实验中,我们把功耗电流作为浮栅ROM集成电路一个辐射敏感参数,来研究其总剂量辐射效应.同时,利用存储器测试系统实时、在线监测集成电路出错数量与辐照剂量的变化,研究电路功能与辐照剂量的关系.图1,2分别给出了浮栅ROM集成电路A T29C256在不同剂量率辐照下,功耗电流和出错数量随时间的变化关系.因为集成电路辐照后第一个测量点的功耗电流与辐照前相比,基本没发生什么变化,它可以反映电路辐照前的电流情况,故图1中没有给出辐照前的数据点.图2给出的是辐照后翻转数与时间的变化关系,因为辐照前电路的翻转数为零.从图1,2中可以看出,剂量积累到一定程度,功耗电流逐渐增大,当电流增大到一定值时,出现数据错误.电路出现数据错误有个累积剂量阈值,当累积剂量小于某一个值时,无数据错误.当累积剂量达到一定值时,开始出现数据错误.随着累积剂量的增加,错误数量迅速增加.功耗电流和出错数量都随着辐照时间的增加而逐渐增加.这主要是因为γ辐射在浮栅及其周围的绝缘层内电离产生电子空穴对.图1 不同剂量率辐照下,功耗电流随辐照时间的变化Fig.1 At radiation of different dose rates,A T29C256 supply current versus time电子空穴在电场的作用下漂移,在界面处形成界面陷阱电荷,使晶体管的阈值电压向负方向漂移.当界面陷阱电荷积累到一定程度,使原来截止的晶体管导通,存储单元的状态发生变化,出现数据错误.由于界面陷阱电荷的积累需要一定的剂量积累,因此,错误的发生存在累积剂量阈值.随着γ累积剂量的增加,阈值电压漂移的晶体管数目增加,错误数量增加.刚开始出错时的错误单元和数据,错误数量及错误地址都不确定,即在某一时刻错误多,而在下一时刻,错误反而少了;某一单元在这一时刻出错,而在下一时刻却是正确的,出现不确定错误.这是由于阈值电压漂移量不大时,晶体管处于截止和导通的临界状态,没有使存储单元由一种状态彻底变为相反状态.在存储单元状态彻底改变之前的一段时间内,其状态是不确定的.实验中发现A T29C256器件的数据错误全是由“0”变成“1”,这时候对应的浮栅晶体管由截止变为导通,导致功耗电流增大.这种由“0”变成“1”的现221第1期何宝平等: 大规模集成电路浮栅ROM器件总剂量辐射效应图2 不同剂量率辐照下,错误数量随辐照时间的变化Fig.2 At radiation of different dose rates,A T29C256 error number versus time象随辐照时间的增加而增加,所以功耗电流随辐照时间的增加而增加.为了研究浮栅ROM器件29C256辐照后高温退火特性,我们将剂量率(50rad(Si)/s)辐照失效的浮栅ROM29C256器件置于70℃和100℃环境中进行高温退火,实验结果如图3所示.比较图2和图3,一方面可以看出,图2中50rad(Si)/s辐照结束时,器件出错数约为104位,而在70℃和100℃环境中开始退火时的出错数约为103位,这主要是因为器件在室温放置1h后出现退火恢复效应所致.另一方面可以看出,室温25℃环境下,器件出错数随退火时间的增加而减少,表现出明显的恢复效应,而100℃环境下出错数恢复比70℃要快,并且出错数开始随着退火时间的增加而增加,退火1000s后,出错数随退火时间的增加而开始减少,对于这种高温退火异常的详细解释,有待于进一步深入研究.4.2 空间低剂量率效应预估实验室条件下研究浮栅ROM集成电路图3 不同温度下,A T29C256出错数量随退火时间的变化Fig.3 At70℃and100℃,A T29C256error number versus anneal timeA T29C256不同剂量率下的辐射响应,目的是确定电路在剂量率降低的辐射响应趋向.本文介绍了一种利用实验室高剂量率辐射实验数据来外推空间低剂量率的辐射响应方法.该方法的主要思想是:根据定义的失效判据,将每一种剂量率辐射结果外推到失效定义值,可以得到不同剂量率辐射下的失效时间.然后将失效时间拟合成剂量率的函数,进而可以预估空间低剂量率的失效时间.在本研究中,我们定义浮栅ROM集成电路(A T29C256)失效判据:功耗电流超过100mA或者出错数超过10%为失效,也就是说,出错数超过25600为失效.图4(a),(b)分别给出了A T29C256(9911)集成电路不同剂量率辐照下,功耗电流和出错数的拟合、外推以及失效时间的提取过程.根据定义的失效判据,我们将从图4 (a)、(b)中提取的在不同剂量率辐照下的失效时间进行拟合,得到如下方程:T=10(A lg D+B)(1)其中 T为失效时间;D为辐照剂量率rad(Si)/s, A,B为常数.表1给出了拟合A T29C256(9911)和A T29C256(9939)实验数据,满足方程(1)的A,B 常数.表1 A T29C256(9911)和A T29C256(9939)满足方程(1)的常数A,BTable1 Constant A and B of equation(1)forA T29C256(9911)and A T29C256(9939)器件类型A T29C256(9911)A T29C256(9939)A B A B按功耗电流拟合-0.967 4.643-1.620 5.486按出错数量拟合-0.970 4.297-1.791 5.276利用方程(1)和表1中的数据,我们给出了浮栅ROM集成电路A T29C256失效时间随辐照剂量率的关系,见图5.对于典型的10-3rad(Si)/s空间剂321半 导 体 学 报第27卷图4 不同剂量率辐照下,实验数据的拟合和外推结果 (a)功耗电流;(b)出错数量Fig.4 Under different dose rate irradiation,fitting and extrapolation of experimental data量率环境,A T29C256(9911)电路按照功耗电流数据预估电路的失效时间约为314×107s,按照出错数预估电路的失效时间约为210×107s;A T29C256 (9939)电路按照功耗电流数据预估电路的失效时间约为212×1010s,按照出错数预估电路的失效时间约为414×1010s.5 结束语上述研究表明,对于大规模集成电路浮栅ROM器件,采取在监测器件和电路功能参数的同时监测器件功耗电流变化这一方法是可行的,有利于分析大规模集成电路总剂量效应.而且在我们并不详细了解其辐射损伤机理的情况下,在实验室条件下根据不同剂量率辐射的功耗电流和出错数量,利用外推技术可以预估集成电路在空间低剂量率的辐射效应.图5 A T29C256集成电路失效时间随辐射剂量率的变化Fig.5 Time to failure versus dose rate for A T29C256参考文献[1] Nguyen D N,Guertin S M,Swift G M,et al.Radiationeffect s on advanced flash memories.IEEE Trans Nucl Sci,1999,46(6):1744[2] Lelis A J,Murrill S R,Oldham T R,et al.Radiation responseof advanced commercial SRAMs.IEEE Trans Nucl Sci,1996,43(6):3103[3] Yao Yujuan,Zhang Zhengxuan,Jiang Jinghe,et al.Bias an2nealing of radiation induced positive trapped charges in metaloxide semiconductor transistor.Chinese Journal of Semicon2ductors,2000,21(4):378(in Chinese)[姚育娟,张正选,姜景和,等.MOS晶体管中辐照引起的陷阱正电荷的强压退火.半导体学报,2000,21(4):378][4] He Baoping,G ong Jiancheng,Wang Guizhen,et al.Isot hermaland isochronal annealing characteristics in irradiated MOS de2vices.Chinese Journal of Semiconductors,2004,25(3):302(inChinese)[何宝平,龚建成,王桂珍,等.CMOS器件的等时、等温退火效应.半导体学报,2004,25(3):302][5] He Baoping,Yao Yujuan,Peng Honglun,et al.Influence oftemperatures and radiation dose rate on CMOS device charac2teristic parameter.Chinese Journal of Semiconductors,2001,22(6):779(in Chinese)[何宝平,姚育娟,彭宏论,等.环境温421第1期何宝平等: 大规模集成电路浮栅ROM器件总剂量辐射效应度、电离辐射剂量率对NMOSFET器件特性参数的影响.半导体学报,2001,22(6):779][6] He Baoping,Wang Guizhen,Zhou Hui,et al.PredictingnMOS device radiation response at different dose rates inγ2rays environment.Acta Physica Sinica,2003,52(1):188(in Chinese)[何宝平,王桂珍,周辉,等.nMOS器件不同剂量率γ射线辐射响应的理论预估.物理学报,2003,52(1):188]Total Dose E ffect of Large2Scale Integrated Circuit Floating G ate ROM DevicesHe Baoping1,2, ,Zhou Heqin1,Guo Hongxia2,Zhou Hui2,L uo Y inhong2,Yao Zhibin2,and Zhang Fengqi2(1Universit y of Science and Technology of China,Hef ei 230026,China)(2N ort hwest I nstit ute of N uclear Technology,X i’an 710613,China)Abstract:A method for testing total dose effects is presented for VL SI.The consumption current of the device is measured. Meanwhile,the f unction parameters of the device and circuit are also measured.The relations between data errors,consumption current and total radiation dose are analyzed.Ionizing radiation experiments are performed on floating gate ROM devices by u2 sing60Coγ2rays as prescribed by this test method.The experimental aim is to examine the radiation response at various dose rates.The parameters and function failure of the devices as f unction of dose rate are studied.By extrapolation,we predict the failure time of a floating gate ROM device in a space radiation environment.K ey w ords:very large scale integrated circuits;total dose effect;low dose rate;failure timePACC:6180E;7340Q EEACC:2560RArticle ID:025324177(2006)0120121205Corresponding aut hor.Email:baopinghe@ Received14August2005,revised manuscript received25September2005ν2006Chinese Institute of Electronics521。
纳米高k栅CMOS器件的总剂量效应及加固技术研究
摘要摘要随着空间技术、核科学和微纳电子技术的不断发展， 越来越多的电子器件被广泛应用于航空、航天及战略武器系统中，遭受着恶劣辐射环境的严重考验。
辐射环境中的高能粒子和射线射入半导体器件的氧化区，造成电离损伤，产生氧化层陷阱电荷，从而诱发总剂量（Total Ionizing Dose，TID）效应。
新工艺技术的出现，如绝缘体上硅（SOI）和高k介质层，使得TID成为引起微电子器件性能退化甚至功能失效最主要的辐射效应。
本文以高k栅全耗尽SOI（Fully Depleted SOI，FD-SOI）MOSFET和环栅纳米线晶体管（Gate All-Around Nanowire Transistor，GAA-NWT）研究对象，对其总剂量效应以及相应的加固技术进行了深入系统的研究，主要工作及研究结果如下。
一、提出了一种线性能量转移（Linear Energy Transfer，LET）的高斯—对数模型，推导了辐射场中材料吸收剂量的计算表达式，并基于此对高k材料的辐射敏感性进行了分析。
基于对大量LET试验数据的分析，通过对对数变换后的LET数据进行高斯函数拟合，得出了计算任意粒子在硅中LET的简化表达式，并在此基础上计算了粒子在硅中射程及Bragg峰值，其计算结果与实验数据吻合较好。
提出一种利用LET表达式计算任意初始能量下粒子在硅中Bragg曲线的简化方法，通过使用粒子剩余能量建立起粒子入射深度与LET之间的数学关系，不仅极大地减少了计算耗时，而且与TRIM计算结果吻合度较高。
推导了单向平行辐射场和一般辐射场中材料吸收剂量的计算表达式，建立起粒子通量与吸收剂量之间的数学关系，并在此基础上，计算了HfO2与SiO2在相同辐射环境中的吸收剂量之比，定量分析了HfO2对总剂量辐射的敏感性。
二、对浮体FD-SOI器件的总剂量（Total Ionizing Dose，TID）效应进行了TCAD 仿真，并详细分析了浮体FD-SOI器件TID效应的影响因素。
Flash存储器单粒子效应测试研究综述
0引言空间环境中存在的一些高能粒子(包括质子、中子、重离子和α粒子等)会对航天航空系统中半导体器件造成辐射损伤,威胁着航天器的安全。
空间辐射效应主要分为三类:总剂量效应、位移损伤效应和单粒子效应。
当单个高能粒子入射到半导体器件中,与器件的灵敏区域相互作用产生的电子-空穴对被器件收集所引发的器件功能异常或者器件损坏就是单粒子效应,包括单粒子翻转、单粒子闭锁、单粒子功能中断和单粒子瞬态等。
随着半导体器件的特征尺寸不断缩小,单粒子效应越来越显著,并已经成为影响宇航电子系统正常工作的主要因素。
Flash 存储器的基本单元是基于浮栅工艺的MOS管,它有两个栅:一个控制栅和一个位于沟道和控制栅之间的浮栅。
按照Flash 内部架构以及技术实现特点,可以将其分为NOR 型和NAND 型。
NOR Flash 各单元间是并联的,它传输效率高,读取速度快,具有片上执行功能,作为重要的程序和FPGA 位流存储器,大量应用于各型号航天系统。
NAND 型Flash 各存储单元间是串联的,它比NOR 架构有更高的位密度,每位的成本更低。
NAND Flash 的非易失性、低功耗、低成本、低重量等特性也使其在航天系统中得到了应用。
故对Flash 存储器的单粒子效应评价至关重要。
地面高能粒子模拟实验是目前单粒子效应研究中最常用的实验方法,它能较好地反映器件的辐射特性,常用的地面模拟源有粒子加速器提供的重离子束或质子束、252Cf 裂片模拟源、14MeV 中子源等,本文讨论的内容都是针对重离子辐照实验开展的。
目前国内单粒子效应试验均依据QJ10005标准开展,但标准中没有给出具体效应的测试方法,传统测试方法中缺失了对器件存储区与外围电路的效应区分和不同影响考虑,故本文对国内外Flash 存储器单粒子效应实验中常见效应及其测试区分方法进行综述,总结分析测试流程,为相关测试实验研究提供参考。
∗基金项目:装备领域预研基金(41402040301);军用电子元器件科研项目(1905WK0014)Flash 存储器单粒子效应测试研究综述∗黄姣英,王乐群,高成(北京航空航天大学,北京100191)摘要:随着Flash 存储器在航天系统中的大量应用,其单粒子效应评价至关重要。
电离总剂量辐射效应及加固方法解析
目录一、辐射环境 (2)1.1 范艾伦辐射带 (2)1.1.1 内辐射带（Inner Belt） (3)1.1.2 外辐射带（Outer Belt） (3)1.2 宇宙线辐射环境 (3)1.2.1 银河宇宙线 (3)1.2.2 太阳宇宙线 (3)1.3 核爆辐射环境 (4)1.4 存在电离总剂量辐射的环境 (4)二、总剂量辐射损伤的产生机理 (4)三、电离总剂量辐射对器件的影响 (6)3.1 总剂量辐射对 NMOS 晶体管关态漏电流的影响 (6)3.2 总剂量辐射对 VDMOS 晶体管 1/f 噪声的影响 (7)3.3 总剂量辐射对 SRAM 静态功耗电流的影响 (8)3.4 总剂量辐射对 SRAM 功能的影响 (9)四、针对辐射损伤所采取的辐射加固方法 (9)4.1 环形栅结构 (10)4.2 H 形栅结构 (13)4.3 P+保护环 (15)4.4 厚场氧旁附加薄场氧层 (16)电离总剂量辐射效应及加固方法解析起草人：丛忠超一、辐射环境辐射环境主要包括空间自然辐射环境和人造辐射环境两种。
其中，空间辐射环境又可以分为范.艾伦辐射带和宇宙射线两种，而人造辐射环境主要是指核武器爆炸和地面辐射模拟源两种。
下面针对上述辐射环境进行详细介绍。
1.1 范艾伦辐射带所谓地球辐射带就是指那些存在于地球周围的高能粒子集中的区域，一般存在于近层宇宙空间中，即距离地球 100 公里到几百公里的空间。
它是由美国科学家詹姆斯·范艾伦于1958年根据美国第一颗卫星的空间粒子探测得出结果推测发现的，因此被称为范·艾伦辐射带。
范.艾伦辐射带是由地磁场俘获高达几兆电子伏的电子以及高达几百兆电子伏的质子组成，其中只有很少百分比像O+这样的重粒子，其分布结构图如 2.1 所示。
由图可知，高能质子与高能电子主要分布在两个对称的集中区域，在赤道附近呈环状绕着地球，并向极地弯曲，这两个区域分别被称为内辐射带和外辐射带，简称内带与外带，其中距离地球较近的称为内带，距离地球较远的称为外带，它们共同组成了范艾伦辐射带，下面将分别介绍内带与外带。
SILC效应机理及其对Flash Memory的影响
子 注 入 和 紫 外 辐 射 方 法 减 少 氧 化 层 陷 阱 正 电荷 所 导 致 的 泄 漏 电流 。
１ ２ 陷阱辅 助 隧穿模 型 ．
Ｄ ｍｉ和 Ｒ ｃ 认为 ＳＬ ｕ ｎ ｉｏ Ｉ Ｃ的起 因是 陷阱 图３ 陷阱 辅 助 电子 弹 性 隧穿 产 生 ＳＬ 能 带 示 意 图 ｌｃ ①基 金 项 目 ： 南 科 技 大 学 博 士 启 动 基 金 项 目（ ５ ０ ０ 湖 Ｅ １８ ） 辅助隧穿 。 们认为高压应力下 ， 他 氧化 层 内
随 着 ＭＯＳ 件栅 氧厚 度 的 不 断 减 小 和 器
（ Ｏ ｔ ） 可 靠 性 变得 愈 发重 要 ， ＜１ ｎ 的 ｏ 因为 此 时
Ｓ —ｓ ｉ — ｕｂ Ｓｉ ２ Ｏ
产 生 的 高 的 栅 氧 化 层 电场 很 容 易导 致 陷阱 化 。 时 应 力 后 产 生 的 陷阱 将 会 使 得 栅 泄 同 漏 电 流 增 大 。 种在 Ｍ ＯＳ 这 器件 中 由于 称 为
１ ３ ｐｏｌ Ｓｉ ｇａ ｙ
ｅ ｎｔ
辅 助 隧 穿 和 氧 化 层 正 俘 获 电 荷 的辅 助 隧 穿 模型是最 为流行和被人们 采用的模型 。 １． 正 电荷辅 助隧 穿模 型 １ Ｔ ｒ ｍｏ ｏ ｅ ａ ｔ 等人 认为Ｆ Ｎ应 力感 应的 额外
泄漏 电 流 是 由 高 能 电 子 产生 的空 穴 注 入 氧 化层 而 引起 的 。 ｌ Ｆ 应 力过程 中Ｎ Ｏ 图 是 Ｎ Ｍ Ｓ
图１ Ｆ 应 力 过 程 中Ｎ Ｓ 件载 流 子 传 输 示 意 图 Ｎ ＭＯ 器
所 以 关于 Ｓ ＬＣ机 理研 究 还 有 很 多方 面 未 能 Ｉ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
被 人 们掌 握 。 Ｉ Ｃ的研 究过 程 中 ， 们提 在Ｓ Ｌ 人 出 了 多种 相 关 模 型 与 陷阱 产 生 机 制 。 阱 陷
浮栅型有机非易失性存储器的研究
１ 有 机 浮 栅 存 储 器 件 的 工 作 原 理
作 为有 机 非 易 失性 存 储 器件 的一 种 重要 类 型 ， 有 机浮栅 存储 器具 有 与 Ｓ ｉ 基 闪存 （ Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ ）完 全一 样
定性 是学 术界 和工 业界 面 临的一 个非 常重要 和 紧迫 的任务 ．
面 积 电子皮 础研究 走 向产 业 化 阶 段 ， 有机 电子 学 已经 成 为 国际上 发展 迅速 、 方 兴 未艾 的一 个 重 要 的研 究
有 机 电子器 件具 有成 本低 、 质 量轻 、 低 温集成 以 及 可柔性 和 任意 形状 大 面积制 造等 无机 材料 无可 比
拟 的优 点 ， 在过 去 的 ２ ０年 间受 到 了学术 界 和工业 界
几 乎相 同的 问题 ： 界 面 的陷阱 电荷 、 疲 劳 和印记 等铁 电材料存 在 的本 征特 性 ， 极 大地 影 响 了其存 储 器 件 的长期稳 定 特性 ； 电阻型存 储器 也 面 临着 与无 机 电阻存储 器 同样 的 问题 ： 器件 的可 靠 性 和 长期 稳 定 性 不好 ， 对 电 阻 翻转 的机 制 尚不 够 清 楚 ； 浮 栅 型 有 机存储 器 由一个 有机 场效 应 晶体管 和嵌 于绝 缘介
的 电阻型 （ Ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ｉ ｖ ｅ ）等几 种 主要 类 型 ． 虽然 对 各 种存 储器 体 系 的存 储 机制 、 器件 性 能 、 制 备工 艺等 方 面 的研 究 都 已取得 了重 要进 展 ＿ １ Ｊ ， 但是 还存 在许 多 问题 ． 如 驻极 体 型 存储 器 通 常需 要 很 高 的操 作 电 压， 并 且受 困于写 入 速 度慢 以及 数 据 保 持 时 间 短 等 问题 ＿ １ ． 铁 电聚 合物存 储 器 面临 和无 机 铁 电存 储 器
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LIU Qi, SHEN Mingjie, DONG Yi
(Shanghai Fudan Microelectronics Group Co. Ltd., Shanghai 200433, China)
Abstract: The impact of the total ionizing dose(TID) on the endurance and the data retention characteristics of the typical floating gate Flash is investigated experimentally by the TID test, the program/erase cycling, the data retention test, and their combinations. A relatively high total dose of 150 krad(Si), and various bias conditions including the dynamic bias, are introduced and evaluated. It is demonstrated that the impact of the TID on the endurance is nearly negligible. And the impact of the TID on the data retention is majorly reflected in the radiation-induced leakage current (RILC), and the impact can be ignored as long as the data is refreshed after the TID test. For the system-level applications, an increased number of data refreshings is suggested, to reduce the impact of the RILC on the data retention.
Flash 存储器的可靠性有 2 项基本指标：擦写 耐久和数据保持。擦写耐久是指存储器在满足功能 和电参数指标前提下的数据可重写能力，通常用擦 写循环次数表征，对于 Flash 存储器，该值通常为 104～105；数据保持是指存储器经时间推移仍然可 以保持数据的能力，通常用数据保持时间表征，对 于 Flash 存 储 器 ， 该 值 通 常 为 55 ℃ 下 数 据 保 持 10 年。若应用在航空航天领域，则对存储器还有抗 辐射的相关要求。在空间环境中，Flash 存储器会受 到空间辐射的影响，主要可分为单粒子效应、电离 总剂量效应和位移损伤 3 种类型。其中，单粒子效 应是高能粒子引起的一些瞬时效应，主要对 CMOS 电路有影响，部分单粒子效应对双极型和光电电路 也有影响；电离总剂量效应[1] 会使原子或分子电离 产生大量的电子–空穴对，对双极型和 CMOS 电路 都有影响；位移损伤[2] 会使原子或离子的位置发生 移动，在半导体内形成缺陷，对双极型和光电电路 有影响，对 CMOS 电路（包括 Flash 存储器）无影 响。本文主要研究电离总剂量效应的影响。
电离总剂量效应对浮栅型 Flash 存储器 擦写耐久与数据保持特性的影响研究
刘 岐，沈鸣杰，董 艺
（上海复旦微电子集团股份有限公司，上海 200433）
摘要：文章通过电离总剂量效应、擦写循环和数据保持试验及其叠加试验，研究了总剂量效应对浮
栅型 Flash 存储器擦写耐久和数据保持特性的影响。对较高总剂量（150 krad(Si)）和含动态偏置在内的
中图分类号：TN406; V416.5
文献标志码：A
文章编号：1673-1379(2019)03-0264-07
DOI: 10.12126/see.2019.03.011
The impact of TID effect on the endurance and data retention characteristics of floating gate flash memory
Keywords: floating gate flash memory; TID effect; endurance; data retention; reliabilห้องสมุดไป่ตู้ty; test study
收稿日期：2018-12-03；修回日期：2019-05-24 基金项目：国家重大科技专项工程
引用格式：刘岐, 沈鸣杰, 董艺. 电离总剂量效应对浮栅型 Flash 存储器擦写耐久与数据保持特性的影响研究 [J]. 航天器环 境工程, 2019, 36(3): 264-270 LIU Q, SHEN M J, DONG Y. The impact of TID effect to the endurance and data retention characteristics of floating gate flash memory[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2019, 36(3): 264-270
多种偏置条件进行了评估。结果表明：总剂量效应对擦写特性的影响较小，甚至可以忽略；总剂量效应
对数据保持的影响主要表现在辐射致电荷泄漏，若总剂量效应试验后刷新数据，则其影响几乎可以忽
略。为了减小辐射致电荷泄漏对数据保持的影响，在系统级应用上建议增加数据刷新次数。
关键词：浮栅型 Flash 存储器；电离总剂量效应；擦写耐久；数据保持；可靠性；试验研究
第3期
刘 岐等：电离总剂量效应对浮栅型 Flash 存储器擦写耐久与数据保持特性的影响研究
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0 引言
Flash 存储器是一种用于数据或程序存储的通 用集成电路产品，主要有浮栅型和电荷俘获型 2 种，浮栅型因具有优异的可靠性，被广泛应用于消 费电子、工业和航空航天等领域；电荷俘获型因其 高温特性略差，大多应用于消费电子领域。
Vol. 36, No. 3 264
航天器环境工程 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING
第 36 卷第 3 期 2019 年 6 月
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