Modeling of Radiation Effects in Flash Memories

Modern electronic systems can be disrupted or damaged by high energy particles. Radiation effects have become a critical reliability issue in nanometer-scaled memory devices, particularly for aviation applications or space environments, and now increasingly for safety critical ground level applications such as transportation and medicine. In order to ensure safety and reliability of electronic systems, radiation-tolerant or even radiation-hardened devices need to be adopted, depending upon the environment and criticality of the application.

In the industrial development process of such devices the radiation tolerance is studied at particle accelerator facilities or gamma-ray sources. However, this method is time consuming and very expensive, and the availability of such facilities is limited. If the degradation of device performance due to irradiation can be simulated by software, the test time and cost of investment for device development will be greatly reduced. Furthermore, with the advancement of semiconductor technology, the characteristic dimension of modern flash memory cells have already reached the nanometer-scale. The potential radiation effects and tolerances are inherently different for devices at the nanometer-scale and devices at the micrometer-scale. This project aims to develop a set of physical models to accurately describe operation and degradation of nano-scaled flash memory devices in a radiative environment. The model will account for spatial and energy distributions of carriers obtained from detailed particle interactions, advanced carrier transport models, hot carrier injection, full numerical band structure up to high energies, trap generation, and the effects of carrier trapping and detrapping. The developed models will be validated against experimental data produced by the Chinese partner, and integrated into a commercially available semiconductor device simulator.

The result will be a powerful Technology CAD tool to tackle the growing radiation reliability concerns that occur as integrated electronic devices are down-scaled to the nanometer regime. The tool will allow semiconductor industry to explore radiation-tolerant designs at the modelling phase, without the need for expensive prototype fabrication and irradiation experiments at particle accelerators or gamma-ray sources. In this way, an apparent gap in available options for industry to model radiation effects in nanometer-sized flash technology will be filled.

Moderne elektronische Schaltkreise können durch hochenergetische Teilchen gestört werden. Strahlungseffekte werden zunehmend zu einem Zuverlässigkeitsproblem in Nanometer großen Speicherbausteinen, speziell in der Luft- und Raumfahrt, aber auch für sicherheitskritische, bodennahe Anwendungen wie Transport und Medizin. Um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen strahlungstolerante bzw. strahlungsfeste Bauelemente eingesetzt werden, je nach Umgebung und Gefährlichkeit der jeweiligen Anwendung.

Im industriellen Entwicklungsprozess wird die Strahlungstoleranz mittels Röntgenstrahlen aus Teilchenbeschleunigern untersucht. Diese Methoden sind jedoch sehr zeit- und kostenaufwendig und die Verfügbarkeit dieser Einrichtungen ist limitiert. Wenn es gelingt, Degradation von Bauelementen durch den Strahlungseinfluss mittels Software zu simulieren, können die Testzeiten und Kosten für die Bauelemententwicklung stark reduziert werden. Durch den stetigen Fortschritt der Halbleitertechnologie liegen die charakteristischen Größen von modernen Flash-Speichern heutzutage im Nanometerbereich. Die potenziellen Strahlungseffekte und Toleranzen unterscheiden sind grundsätzlich von jenen im Mikrometerbereich. Dieses Projekt hat als Ziel, einen Satz von physikalischen Modellen zu entwickeln um das Verhalten und die Degradation von Nanometer Flash-Speichern in einer strahlungsbelasteten Umgebung zu beschreiben. Die Modelle berücksichtigen die räumlichen und energetischen Verteilungen der Ladungsträger. Diese Verteilungen werden mit Hilfe geeigneter Transportmodelle berechnet, wobei detaillierte Wechselwirkungen, die Injektion heißer Ladungsträger in das Oxid, die numerische Bandstruktur, Defekt-Generation und Ladungsträger-Einfang berücksichtigt werden.

Die entwickelten Modelle werden an Hand von experimentellen Daten des chinesischen Projektpartners überprüft und in einen kommerziell verfügbaren Halbleiter-Bauelemente-Simulator integriert. Das Ergebnis soll ein effizientes TCAD Werkzeug sein, das die Untersuchung der Strahlungszuverlässigkeit von integrierten elektronischen Bauelementen im Nanometerbereich erlaubt. Das Werkzeug soll es der Halbleiterindustrie ermöglichen, strahlungstolerante Designs bereits in der Modellierungsphase zu erforschen, und so die enormen Kosten für die Herstellung von Prototypen und Strahlungstests mit Teilchenbeschleunigern zu reduzieren. Somit wird der Halbleiter-Industrie eine derzeit noch fehlende Option zur Modellierung von Strahlungseffekten in Flash-Speichern zur Verfügung gestellt.