X射线辐照对纳米尺度氮化物基电荷捕获闪存可靠性的影响

1、研究背景与意义

    电荷捕获闪存（CTF）是嵌入式电子设备的关键创新之一，对当今物联网（IoT）趋势起到了重要作用。根据存储介质的不同，闪存设备可以分为电荷捕获和非电荷捕获两类。非电荷捕获型非易失性存储主要依赖于材料的电、热或磁特性来存储数据。目前，相变存储器（PCM）是唯一进入量产的非电荷捕获型非易失性存储芯片。

    电荷捕获闪存（CTF）根据其电荷捕获介质的不同，可以分为三种类型：氮化物基CTF（NB-CTF）、浮栅（FG）基CTF和纳米晶体基CTF。浮栅基CTF利用夹在二氧化硅层之间的导电多晶硅作为主要电荷捕获层。由于浮栅基CTF的电荷捕获层是导电的，注入的电荷以连续状态存储在浮栅中，这使得电荷容易通过硅氧化层中的单点缺陷泄漏，特别是在应力引起的漏电流（SILC）存在的情况下。

    相比之下，氮化物基CTF和纳米晶体基CTF的电荷捕获介质是硅氮化物层和纳米晶体层中的离散电荷捕获节点。由于注入的电荷被离散地捕获在这些节点中，单点缺陷引起的电荷泄漏对整体电荷捕获介质的影响被显著缓解。因此，氮化物基CTF和纳米晶体基CTF在SILC方面具有更高的可靠性。

    随着半导体器件特征尺寸的不断缩小，CTF的可靠性面临严峻挑战。技术节点低于30nm后，CTF的可靠性问题变得更加突出，因为半导体器件的基本物理限制逐渐显现。此外，随着器件尺寸的缩小，可容忍的电荷丢失量显著减少，导致即使少量电荷丢失也会引发读取故障。因此，研究X射线辐照对CTF的影响，探索有效的防护措施，对于保障芯片的可靠性和数据完整性具有重要意义。

2、实验方法

样品准备：使用功能良好的90nm氮化物基CTF，每个设备的存储密度为1Mb（1,048,576个存储单元）；并设计4组试验，3个因子（Zn屏蔽片、Zn屏蔽片与射线源距离、样品是否开盖）。

实验步骤：

X射线辐照条件：电压为110kV，电流为40μA，照射时间为360秒。

滤光片使用：测试300μm锌（Zn）滤光片对电荷丢失的影响，同时评估滤光片不同位置的效果差异。

3、实验结果与分析

    电荷丢失现象：X射线辐照导致部分存储单元的阈值电压（Vt）下降，特别是在编程分布的低端。

    滤光片效果：使用300μm Zn滤光片可以显著减少电荷丢失现象，将电荷丢失引发的Vt分布偏移降低约6.446倍。

    滤光片位置影响：当滤光片靠近样品时，由于X射线荧光的二次效应，电荷丢失反而加剧了7.4280倍。因此，建议将滤光片放置在X射线源附近，以最大限度地减少X射线辐照对样品的影响。

    封装影响：部分开盖（partial decapped）样品由于直接暴露在 X射线下，更容易受到电荷丢失的影响。

4、结论与建议

    结论：X射线辐照是纳米尺度氮化物基电荷捕获闪存可靠性的一个重要问题。使用300μm Zn滤光片可以有效减少电荷丢失现象，但滤光片的位置对效果有显著影响。

   建议：滤光片放置建议在X射线源附近放置Zn滤光片，未来的研究可以进一步探讨不同材料和结构对X射线辐照的敏感性，以及开发更有效的防护措施。

    这项研究为理解和缓解X射线辐照对电荷捕获闪存的影响提供了有价值的见解。通过合理使用滤光片和优化设备封装，可以有效提高芯片的抗辐照能力，保障其在实际应用中的可靠性和数据完整性。

附图：X射线检测设备中的Zn滤光片

引用论文：Investigation on X-ray irradiation on nanoscale nitride based charge trapping flash memory devices