一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法

摘要

本发明提供一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法，包括选取样品芯片并按照辐照剂量分组；辐照样品并经与未辐照样品对比，去除性能严重退化的样品芯片；将得到的性能正常的样品芯片在重离子加速器上进行单粒子翻转测试；同时将未经辐照的相同批次的样品芯片作为对照组，在相同的实验环境下进行测试；得到不同累积剂量下该样品芯片的单粒子翻转截面；分析e中的截面数据，得到能够满足加固需求的最佳累积剂量，并将其作为该款铁电存储器的抗单粒子翻转加固的标准剂量。本发明是一种外部加固方法，不改变芯片的版图、生产工艺，也不改变芯片的封装尺寸以及工作时序，因此经过加固的芯片可直接用于替换未加固的芯片，无需重新设计电路。

权利要求

1.一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)选取样品芯片

a、选取待加固的铁电存储器样品芯片，对全部样品芯片进行全参数测试和功能验证；

b、根据样品芯片实际应用时的工作状态，确定辐照前写入样品芯片的初始数据；

c、选取多个辐照累积剂量节点，并将样品芯片根据节点数进行分组；

2)辐照样品

d、将步骤1)选取的各组样品芯片全部管脚接地，并在60Co源辐照装置上辐照至相应的累积剂量节点；

e、对辐照后的样品芯片重新进行全参数测试，将得到的性能指标与步骤1)中未经辐照的样品芯片指标进行对比，去除性能严重退化的样品芯片；

3)得到样品芯片的加固标准剂量

f、将步骤2)中得到的性能正常的样品芯片在重离子加速器上进行单粒子翻转测试；同时将未经辐照的相同批次的样品芯片作为对照组，在相同的实验环境下进行测试；得到不同累积剂量下该样品芯片的单粒子翻转截面；

g、分析e中的截面数据，得到能够满足加固需求的最佳累积剂量，并将其作为该款铁电存储器的抗单粒子翻转加固的标准剂量；

通过以下步骤得到最佳累积剂量：

对存储固定数据的芯片，选择使翻转截面减小值达到饱和的最低剂量作为最佳累积剂量；

对不存储固定数据的芯片，选取使写入55H和AAH的翻转截面都得到最大改善的剂量作为最佳累积剂量。

2.根据权利要求1所述的铁电存储器抗单粒子翻转加固方法，其特征在于：步骤1)中b所述的实际应用时的工作状态分为两种，一种为存储固定数据，即使用中只对芯片进行读操作，不对芯片进行擦写；另一种为不存储固定数据，即使用中需要对芯片进行擦写；

对存储固定数据的芯片，直接在辐照前写入需要存储的数据；

对不存储固定数据的芯片，在辐照前写入棋盘式数据55H。

3.根据权利要求1所述的铁电存储器抗单粒子翻转加固方法，其特征在于：辐照累积剂量节点为0Mrad～10Mrad。

说明书

一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体器件抗辐射加固领域，具体涉及一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法，尤其适用于对存储固定数据的商用铁电存储器的加固。

背景技术

[0002] 半导体存储器是航天电子系统中不可或缺的重要部件，担任着各类数据存储的任务。随着航天事业的迅猛发展，相关行业对高性能存储器的需求日益增大，但现有的存储技术已暴露出一些明显缺陷。SRAM和DRAM的挥发特性导致其在断电时会丢失数据，而传统的非挥发性存储器FLASH和EEPROM的写入速度较慢，且功耗较高。

[0003] 铁电存储器(FRAM)是一种集成了铁电薄膜与硅基半导体工艺的新型非挥发性存储器，具有高读写耐久性、高速烧写及超低功耗等多种优势。此外，铁电材料具有较强的抗辐射性能，研究表明，铁电薄膜抗中子辐射能力大于1015n/cm2，抗总剂量能力达到10Mrad，远优于同等条件下的SiO2，因此铁电存储器具有很好的空间应用前景。

[0004] 对航天任务所用电子元器件而言，由于大气层外的空间存在着相当强的自然辐射环境，它们主要来自宇宙射线，太阳粒子，围绕地球的范·艾伦辐射带以及X射线和电磁辐射等，因此必须要考虑空间辐射带来的影响。单粒子翻转(Single Event Upset)是空间环境对电子器件造成的主要辐射效应之一，它是指单个高能粒子入射器件敏感区时，因强烈的电离而在很小的空间内(约100nm)内产生高密度的电子空穴对，这些电荷被迅速收集，产生瞬态脉冲，从而使器件的逻辑状态发生翻转。随着电子元器件特征尺寸的不断降低和临界电荷的减小，单粒子翻转的影响变得越来越显著。

[0005] 铁电存储器是利用铁电薄膜材料中存在的两种方向相反的稳定极化状态来以二进制数字形式存储信息的，并可以通过施加一定的外加电场来改变极化状态，从而改变存储信息。图1为铁电体的电滞回线(P-E曲线)示意图。当施加一个小的正向电场时，该外加电场不足以使铁电晶体的中心离子越过势垒到达另一个平衡位置，此时铁电材料对外表现出线性的P-E关系，若外加电场继续增大，铁电晶体内各电畴的极化方向随外加电场趋于相同，最终极化强度达到饱和状态。撤去外加电场后，某些电畴的极化方向有所改变，但大部分电畴仍然保持原来的极化方向，称为为剩余极化(PR+)。此时若施加反向电场，铁电体极化强度开始减小，当极化强度变为0时，对应的外加电场强度称为矫顽电场(EC-)。继续增加反向电场，极化方向继续向反方向转变，最终铁电晶体达到负向饱和极化状态。施加正向电场时极化状态的变化与之类似。最终P-E曲线形成一个闭合回路。

[0006] 图2为典型的1T-1C铁电存储单元，其基本结构包含一个NMOS晶体管和一个铁电电容。数据读出时，首先将位线(BL)电压预充至0，然后将字线(WL)置高使NMOS导通，板线(PL)与地之间形成由铁电电容CFE和位线寄生电容CBL组成的分压器。CFE有CP+和CP-两个近似值，分别对应剩余极化值为PR+和PR-两种状态。因此当PL置高时，BL上将出现两个不同的电压VP+、VP-，则：

[0007] VP+＝CP+VDD/(CP++CBL)   (1)

[0008] VP-＝CP-VDD/(CP-+CBL)   (2)

[0009] 将灵敏放大器开启，使VP+拉低至0，VP-拉高至VDD，即可读出二进制数据0和1。数据写入的过程与上述过程相反。

[0010] 由于铁电存储器兼容了传统CMOS工艺和铁电薄膜工艺，因此其单粒子翻转机制也应从两个方面分析。铁电存储器的外围电路采用的是CMOS工艺，其单粒子效应机制和其他CMOS器件类似。对铁电存储器的存储单元而言，其失效主要是由于与铁电电容相连的NMOS受到单粒子轰击产生瞬态脉冲，导致铁电电容的充电和放电，从而影响其极化状态。此外，铁电存储器在读出过程中，存储数据的电容需要发生极化状态的反转，这是破坏性的读出方式，因此在读出完成后要将读出数据重新写回到铁电电容，这个过程中，如果外围电路单粒子效应造成位线信号的扰动，这些扰动也会被写入铁电电容，导致极化状态的改变，进而引发数据翻转。由此可见，提高铁电电容的抗干扰能力，对提高铁电存储器整体抗单粒子水平有决定性作用。

发明内容

[0011] 本发明解决的技术问题是：在不改变芯片版图，不改变生产工艺等条件的前提下，提出一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法。

[0012] 在60Co源辐照装置上对待加固芯片进行辐照，通过高能γ射线与铁电材料的相互作用，向铁电电容中引入电子空穴对。电子和空穴被铁电电容中的缺陷俘获形成缺陷俘获电荷。利用缺陷俘获电荷对电畴畴壁的钉扎效应和其在电容中产生的内建电场对退极化场的屏蔽效应改善铁电电容的抗干扰能力，从而提高铁电存储器的抗单粒子翻转水平。

[0013] 本发明的技术解决方案是提供一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法，包括以下步骤：

[0014] 1)选取样品芯片

[0015] a、选取待加固的铁电存储器样品芯片，对全部样品芯片进行全参数测试和功能验证；

[0016] b、根据芯片实际应用时的工作状态，确定辐照前写入芯片的初始数据；

[0017] c、选取多个辐照累积剂量节点，并将样品芯片根据节点数进行分组；

[0018] 2)辐照样品

[0019] d、将步骤1)选取的各组样品芯片全部管脚接地，并在60Co源辐照装置上辐照至相应的累积剂量节点；

[0020] e、对辐照后的样品芯片重新进行全参数测试，将得到的性能指标与步骤1)中未经辐照的样品芯片指标进行对比，去除性能严重退化的样品芯片；

[0021] 3)得到样品芯片的加固标准剂量

[0022] f、将步骤2)中得到的性能正常的样品芯片在重离子加速器上进行单粒子翻转测试；同时将未经辐照的相同批次的样品芯片作为对照组，在相同的实验环境下进行测试；得到不同累积剂量下该样品芯片的单粒子翻转截面；

[0023] g、分析e中的截面数据，得到能够满足加固需求的最佳累积剂量，并将其作为该款铁电存储器的抗单粒子翻转加固的标准剂量。

[0024] 上述步骤1)中b所述的实际应用时的工作状态可分为两种，一种为存储固定数据，即使用中只对芯片进行读操作，不对芯片进行擦写；另一种为不存储固定数据，即使用中需要对芯片进行擦写。

[0025] 上述步骤1)的b中通过以下方式确定辐照前向芯片中写入的初始数据：

[0026] 对存储固定数据的芯片，直接在辐照前写入需要存储的数据；

[0027] 对不存储固定数据的芯片，在辐照前写入棋盘式数据55H(即0101)。

[0028] 上述步骤3)中通过以下步骤得到最佳累积剂量：

[0029] 对存储固定数据的芯片，选择使翻转截面减小值达到饱和的最低剂量作为最佳累积剂量；

[0030] 对不存储固定数据的芯片，应选取使写入55H和AAH的翻转截面都得到最大改善的剂量作为最佳累积剂量。

[0031] 优选的，上述辐照累积剂量节点为0Mrad～10Mrad。

[0032] 本发明的有益效果是：

[0033] 1)本发明是一种外部加固方法，不改变芯片的版图、生产工艺，也不改变芯片的封装尺寸以及工作时序，因此经过加固的芯片可直接用于替换未加固的芯片，无需重新设计电路。

[0034] 2)本发明可以在对芯片内部电路不是完全清楚的情况下进行加固，因此尤其适用于外购商用芯片的加固。

[0035] 3)本发明是在不对芯片外加偏置的情况下利用60Co源辐照芯片来达到加固的目的，操作简单，辐照后无残留，操作人员可直接接触芯片，缩短了交付周期。

[0036] 4)本发明所用的60Co源为工业用源，剂量率高，辐照面积大，可进行大批量的辐照加固处理，提高了加固效率。

[0037] 5)随着芯片特征尺寸的降低，铁电存储器外围CMOS电路抗总剂量能力越来越强，而铁电薄膜由于尺寸效应的影响，累积剂量对其性能的影响越来越明显，即要达到相同的加固效果，特征尺寸更小的芯片所用剂量也更低。因此本发明有很好的应用前景。

附图说明

[0038] 图1是铁电体电滞回线(P-E曲线)示意图；

[0039] 图2是典型的1T-1C型铁电存储单元示意图；

[0040] 图3是累积剂量对初始极化状态为PR+的铁电电容电滞回线的影响示意图；

[0041] 图4是累积剂量对初始极化状态为PR-的铁电电容电滞回线的影响示意图；

[0042] 图5是本发明的操作流程示意图；

[0043] 图6是利用本发明的方法对FM28V100加固后的单粒子翻转测试结果。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图对本发明进行进一步说明。

[0045] 本发明原理为：

[0046] 由于待加固芯片辐照前已经写入数据，且辐照过程中没有外加偏置，因此芯片内所有铁电电容都处于极化状态，并在辐照过程中与外界隔离，其内部电场主要为由极化电荷所产生的退极化场(ED)。高能γ射线入射铁电电容材料后，可产生初级电子、次级电子甚至三级电子，这些电子可以把材料中的价带电子激发到导带，产生大量电子空穴对。电子空穴对在铁电电容畴界局域电场的作用下被迅速分开，其中一部分被退极化场扫向铁电薄膜与电极的界面处，由于界面处存在大量缺陷，电子空穴将分别为缺陷所俘获形成缺陷俘获电荷。缺陷俘获电荷的存在会在铁电薄膜中形成内建电场(EI)，其方向与ED方向相反，在宏观上表现为铁电薄膜电滞回线沿X轴漂移，具体为：当极化方向为正时，电滞回线沿X轴向左侧漂移，使|EC-|增大，EC+减小；当极化方向为负时，电滞回线沿X轴向右侧漂移使|EC-|减小，EC+增大。这是一种类似印记的效应。与此同时，存在于畴壁和晶界处的缺陷也会俘获一部分电荷，即原位俘获。这些带电缺陷在畴壁和晶界处不断累积，会造成畴壁的钉扎效应。当施加与原极化方向相反的电场时，由于畴壁被钉扎，部分电畴不能发生极化反转，从而造成剩余极化值PR减小，即PR+和PR-同时向原点偏移。但根据初始极化状态的不同，PR的退化幅度不同，具体为：当初始极化为PR+正时，辐照后PR-变化幅度较大，而PR+变化幅度较小；当初始极化为PR-时，辐照后PR+变化幅度较小，而PR-变化幅度较大。这是一种类似疲劳的效应。累积剂量对铁电电容的影响是上述两种效应的叠加，其对铁电电容电滞回线的影响如图3和图4所示，图中虚线为接受累积剂量后，实线为接受累积剂量前。可见，累积剂量在造成铁电电容矫顽电压和剩余极化变化的同时，也使电滞回线变得更加“扁平”，即极化值随外加电场的变化变得缓慢，使铁电电容的抗干扰能力得到了增强。

[0047] 由于辐照中不对芯片外加偏置，因此电离辐射在外围CMOS电路半导体材料中引入的电子空穴对大部分重新复合，累积剂量对外围电路造成的性能退化很小，并能通过短时间常温退火消除。

[0048] 本发明的操作流程如图5所示，具体为：

[0049] 1)选取待加固的铁电存储器样品，对全部样品进行全参数测试和功能验证，去除未通过的样品。

[0050] 2)向样品芯片中写入初始数据。

[0051] 3)选取从0Mrad～10Mrad之间的多个剂量节点，并将样品芯片根据节点数进行分组。

[0052] 4)将分组后的芯片全部管脚接地，并在60Co源辐照装置上分别辐照至3)中选取的剂量节点。

[0053] 5)对辐照后的芯片重新进行全参数测试和功能验证，将得到的性能指标与1)中未经总剂量辐照时的指标进行对比，去除性能严重退化的芯片。

[0054] 6)对5)中得到的功能正常的芯片在重离子加速器上进行单粒子翻转实验，同时将未经总剂量辐照的相同批次的芯片作为对照组，在相同的实验条件下进行单粒子翻转实验。实验中对被测芯片进行循环读操作，并将读回的数据与原始写入数据进行对比，若二者不符，则视为发生翻转，然后将翻转数、翻转数据及地址记录并保存。根据得到的翻转数和重离子注量计算得到不同累积剂量下该芯片的单粒子翻转截面。此外，重离子实验中向被测芯片中写入的数据分为两种，一种与累积剂量实验中写入的数据相同，另一种则与之互补。

[0055] 7)分析6)中的截面数据，得到能够满足加固需求的最低累积剂量，并将其作为该款铁电存储器的抗单粒子翻转加固的标准剂量。

[0056] 图6为发明人在兰州重离子加速器(HIRFL)上开展的针对1M位铁电存储器FM28V100加固效果的评估结果。被测芯片在60Co源辐照前写入数据55H。为节省实验机时，仅利用Bi离子对累积剂量为0Mrad、2Mrad和4Mrad的样品进行了评估。可见，当累积剂量为2Mrad时，无论向被测芯片写入55H还是AAH，其单粒子翻转截面相比于未接受累积剂量的芯片都显著减小。而当累积剂量达到4Mrad时，写入55H芯片的翻转截面继续减小，写入AAH芯片的截面则有所增加，但仍低于未接受剂量的芯片。这是由于接受累积剂量前，已经向被测芯片中写入数据，存储单元中的铁电电容全部处于极化状态，此时累积剂量对其电滞回线的影响呈现不对称性，如图3和图4所示。当初始极化为PR+时，接受累积剂量后，PR-大幅减小，而PR+的变化则相对较小，因此CP+的变化小于CP-，根据式(1)、(2)，VP-的变化幅度将大于VP+，因此，VP-更容易受到扰动，使其与参考电压之间的电压差小于灵敏放大器的最小识别范围，导致AAH中的1→0翻转增加。同理，初始极化为PR-的铁电电容而言，VP+的变化幅度将大于VP-，导致AAH中的0→1翻转增加。可以预见，随着剂量继续增加，芯片将出现“粘位”现象，当向其中写入AAH时，部分存储单元固定在55H，导致无法写入。此外，由图可知，随剂量的增加，55H的翻转截面减小速率逐渐降低，这是由于内建电场对退极化场的屏蔽效应和带电缺陷对畴壁的钉扎效应逐渐趋于饱和导致的。

[0057] 综上，在选取最终的加固剂量时，应考虑待加固芯片的具体应用场景。如果用来存储固定数据，即使用中不对芯片内存储数据进行擦写，则可选择使翻转截面减小值达到饱和的最低剂量；当使用中需要对芯片内数据进行擦写时，应选取使写入原始数据和互补数据的翻转截面都得到最大改善的剂量。

[0058] 本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。