非易失性阻变存储器总剂量效应试验研究
发布时间：2022-02-14 15:11
存储器作为航天器电子系统不可或缺的一部分,在航天应用中需要有良好的抗辐射能力。阻变存储器（Resistive Random Access Memory,RRAM）是一种新型的非易失性半导体存储器,性能优良,但对其辐射效应的研究较少。本文侧重于在理论分析的基础上,结合60Coγ射线辐照试验得到的结果对RRAM的总剂量效应失效机理进行分析研究。首先,通过对RRAM中单个MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）管总剂量效应的分析,提出器件失效机理的两个假设,然后对写入不同初始数据的器件进行有针对性的辐照试验,对不同累积剂量时存储器的数据读取功能和静态工作电流进行测量,统计得到的结果验证了假设的正确性。研究结果表明:RRAM辐照敏感单元为存储阵列,RRAM读取功能失效是由于MOS管在辐照下产生漏电流,导致读电路的电平输出状态改变而引起的。
【文章来源】：核技术. 2020,43(12)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
阻变元件结构Fig.2Structurediagramofresistiveswitchingelement
电压负向漂移，界面态陷阱电荷引起阈值电压正向漂移，但氧化物陷阱电荷密度大于界面态陷阱电荷密度，总体的结果是阈值电压负向漂移。同时，陷阱电荷的存在会使得导电沟道中载流子数目增多，产生漏电流。另外，存储阵列是基于NMOS集成电路工艺的，用于隔绝作用的场氧化层在总剂量效应的作用下，也会积累正电荷，进而在与场氧化层相邻的Si衬底表面反型形成新的漏电路径，产生漏电流。由于场氧化层相对于栅氧化层厚很多，所以其产生的漏电流会相对大许多，栅氧化层和场氧化层在总剂量效应作用下产生的漏电流如图4中（1）和（2）所示［1114］。在分析了单个MOS管的总剂量效应之后，展开RRAM存储单元总剂量效应的分析。首先，在1T1R结构的二进制存储单元中，MOS晶体管作为选通管，起到开关作用，阈值电压漂移可能会引起未被选取存储单元中MOS晶体管的异常打开，影响到对同一位线上被选取存储单元的正确读取；其次，产生的漏电流（1）和（2）升高到一定值时，会改变正常的读电流值，影响到电路正常电平的输出，进而引起对相应阻变元件阻态的误读。而MOS晶体管栅氧化层较之于场氧化层薄很多，因此可初步假设总剂量效应引起的阈值电压漂移对器件功能的影响不及漏电流对器件功能的影响。对于外围电路部分，外围电路中各功能电路地址译码器、读写控制电路等在辐射剂量达到一定程度时候，同样会因为其中的MOS管阈值电压漂移严重，漏电流过高失去其功能［8］。但是，与存储阵列相比较，外围电路在工艺上没有较厚的场氧化层作为隔离层，不会产生比较大的漏电流。因此，可先假设RRAM总剂量效应辐照敏感单元为存储阵列部分，即存储阵列会先于外围电路发生功能失效。在上?
芸?算兄档缪蛊?贫允?荻寥∈?的影响。由图8，在60Coγ射线辐照下RRAM样品数据发生翻转错误的阈值在1~2Mrad（Si）之间，之后随着辐照累积剂量的增加，数据翻转错误增多，并且错误翻转均为从“0”到“1”的翻转。同时，从图9可以看出，当累积辐射剂量在1~2Mrad（Si）之间时，RRAM的工作电流也明显地开始升高，并随着累计辐照剂量的增加，工作电流逐渐升高，说明随着累计剂量的增加，器件中产生的漏电流产生并逐渐升高。避开MOS管电压漂移引起数据读取错误的因素，以图6MB85AS4MT器件开盖处理后照片Fig.6PhotographofMB85AS4MTdeviceafterremovingthecover图7RRAM总剂量效应试验流程图Fig.7FlowchartoftotalionizingdoseeffectsofRRAMtestprocedure表2试验读取数据翻转数统计Table2Statisticsofthenumberofflipsinthedatabeingreadinthetest累积辐照剂量Cumulativeradiationdose/Mrad(Si)012345678910样品1翻转数Sample1flipnumber002240100160210300480674835样品2翻转数Sample2flipnumber002538120186230280520719943图8数据翻转率随累计剂量的变化Fig.8Variationofdatarolloverratewithcumulativedose
【参考文献】：
期刊论文
[1]Total ionizing dose and synergistic effects of magnetoresistive random-access memory[J]. Xing-Yao Zhang,Qi Guo,Yu-Dong Li,Lin Wen. Nuclear Science and Techniques. 2018(08)
[2]Heavy ion-induced single event upset sensitivity evaluation of 3D integrated static random access memory[J]. Xue-Bing Cao,Li-Yi Xiao,Ming-Xue Huo,Tian-Qi Wang,Shan-Shan Liu,Chun-Hua Qi,An-Long Li,Jin-Xiang Wang. Nuclear Science and Techniques. 2018(03)
[3]CMOS APS光电器件单粒子效应电荷收集特性仿真分析[J]. 安恒,杨生胜,苗育君,薛玉雄,曹洲,王俊,张晨光. 核技术. 2017(07)
[4]空间辐射效应地面模拟等效的关键基础问题[J]. 陈伟,郭晓强,姚志斌,罗尹虹,丁李利,何宝平,王祖军,王晨辉,王忠明,丛培天. 现代应用物理. 2017(02)
[5]新型非易失性存储器的抗辐射能力研究进展[J]. 刘洋,辜科,李平,李威. 太赫兹科学与电子信息学报. 2016(06)
[6]典型CMOS存储器电离辐照效应[J]. 徐导进,刘伟鑫,王晨,蔡楠,吾勤之. 上海航天. 2011(01)
本文编号：3624786
【文章来源】：核技术. 2020,43(12)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
阻变元件结构Fig.2Structurediagramofresistiveswitchingelement
电压负向漂移，界面态陷阱电荷引起阈值电压正向漂移，但氧化物陷阱电荷密度大于界面态陷阱电荷密度，总体的结果是阈值电压负向漂移。同时，陷阱电荷的存在会使得导电沟道中载流子数目增多，产生漏电流。另外，存储阵列是基于NMOS集成电路工艺的，用于隔绝作用的场氧化层在总剂量效应的作用下，也会积累正电荷，进而在与场氧化层相邻的Si衬底表面反型形成新的漏电路径，产生漏电流。由于场氧化层相对于栅氧化层厚很多，所以其产生的漏电流会相对大许多，栅氧化层和场氧化层在总剂量效应作用下产生的漏电流如图4中（1）和（2）所示［1114］。在分析了单个MOS管的总剂量效应之后，展开RRAM存储单元总剂量效应的分析。首先，在1T1R结构的二进制存储单元中，MOS晶体管作为选通管，起到开关作用，阈值电压漂移可能会引起未被选取存储单元中MOS晶体管的异常打开，影响到对同一位线上被选取存储单元的正确读取；其次，产生的漏电流（1）和（2）升高到一定值时，会改变正常的读电流值，影响到电路正常电平的输出，进而引起对相应阻变元件阻态的误读。而MOS晶体管栅氧化层较之于场氧化层薄很多，因此可初步假设总剂量效应引起的阈值电压漂移对器件功能的影响不及漏电流对器件功能的影响。对于外围电路部分，外围电路中各功能电路地址译码器、读写控制电路等在辐射剂量达到一定程度时候，同样会因为其中的MOS管阈值电压漂移严重，漏电流过高失去其功能［8］。但是，与存储阵列相比较，外围电路在工艺上没有较厚的场氧化层作为隔离层，不会产生比较大的漏电流。因此，可先假设RRAM总剂量效应辐照敏感单元为存储阵列部分，即存储阵列会先于外围电路发生功能失效。在上?
芸?算兄档缪蛊?贫允?荻寥∈?的影响。由图8，在60Coγ射线辐照下RRAM样品数据发生翻转错误的阈值在1~2Mrad（Si）之间，之后随着辐照累积剂量的增加，数据翻转错误增多，并且错误翻转均为从“0”到“1”的翻转。同时，从图9可以看出，当累积辐射剂量在1~2Mrad（Si）之间时，RRAM的工作电流也明显地开始升高，并随着累计辐照剂量的增加，工作电流逐渐升高，说明随着累计剂量的增加，器件中产生的漏电流产生并逐渐升高。避开MOS管电压漂移引起数据读取错误的因素，以图6MB85AS4MT器件开盖处理后照片Fig.6PhotographofMB85AS4MTdeviceafterremovingthecover图7RRAM总剂量效应试验流程图Fig.7FlowchartoftotalionizingdoseeffectsofRRAMtestprocedure表2试验读取数据翻转数统计Table2Statisticsofthenumberofflipsinthedatabeingreadinthetest累积辐照剂量Cumulativeradiationdose/Mrad(Si)012345678910样品1翻转数Sample1flipnumber002240100160210300480674835样品2翻转数Sample2flipnumber002538120186230280520719943图8数据翻转率随累计剂量的变化Fig.8Variationofdatarolloverratewithcumulativedose
【参考文献】：
期刊论文
[1]Total ionizing dose and synergistic effects of magnetoresistive random-access memory[J]. Xing-Yao Zhang,Qi Guo,Yu-Dong Li,Lin Wen. Nuclear Science and Techniques. 2018(08)
[2]Heavy ion-induced single event upset sensitivity evaluation of 3D integrated static random access memory[J]. Xue-Bing Cao,Li-Yi Xiao,Ming-Xue Huo,Tian-Qi Wang,Shan-Shan Liu,Chun-Hua Qi,An-Long Li,Jin-Xiang Wang. Nuclear Science and Techniques. 2018(03)
[3]CMOS APS光电器件单粒子效应电荷收集特性仿真分析[J]. 安恒,杨生胜,苗育君,薛玉雄,曹洲,王俊,张晨光. 核技术. 2017(07)
[4]空间辐射效应地面模拟等效的关键基础问题[J]. 陈伟,郭晓强,姚志斌,罗尹虹,丁李利,何宝平,王祖军,王晨辉,王忠明,丛培天. 现代应用物理. 2017(02)
[5]新型非易失性存储器的抗辐射能力研究进展[J]. 刘洋,辜科,李平,李威. 太赫兹科学与电子信息学报. 2016(06)
[6]典型CMOS存储器电离辐照效应[J]. 徐导进,刘伟鑫,王晨,蔡楠,吾勤之. 上海航天. 2011(01)
本文编号：3624786
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