一種鐵電存儲器抗單粒子翻轉加固方法與流程

2023-07-03 07:20:01 2

本發明屬於半導體器件抗輻射加固領域，具體涉及一種鐵電存儲器抗單粒子翻轉加固方法，尤其適用於對存儲固定數據的商用鐵電存儲器的加固。

背景技術：

半導體存儲器是航天電子系統中不可或缺的重要部件，擔任著各類數據存儲的任務。隨著航天事業的迅猛發展，相關行業對高性能存儲器的需求日益增大，但現有的存儲技術已暴露出一些明顯缺陷。SRAM和DRAM的揮發特性導致其在斷電時會丟失數據，而傳統的非揮發性存儲器FLASH和EEPROM的寫入速度較慢，且功耗較高。

鐵電存儲器(FRAM)是一種集成了鐵電薄膜與矽基半導體工藝的新型非揮發性存儲器，具有高讀寫耐久性、高速燒寫及超低功耗等多種優勢。此外，鐵電材料具有較強的抗輻射性能，研究表明，鐵電薄膜抗中子輻射能力大於1015n/cm2，抗總劑量能力達到10Mrad，遠優於同等條件下的SiO2，因此鐵電存儲器具有很好的空間應用前景。

對航天任務所用電子元器件而言，由於大氣層外的空間存在著相當強的自然輻射環境，它們主要來自宇宙射線，太陽粒子，圍繞地球的範·艾倫輻射帶以及X射線和電磁輻射等，因此必須要考慮空間輻射帶來的影響。單粒子翻轉(Single Event Upset)是空間環境對電子器件造成的主要輻射效應之一，它是指單個高能粒子入射器件敏感區時，因強烈的電離而在很小的空間內(約100nm)內產生高密度的電子空穴對，這些電荷被迅速收集，產生瞬態脈衝，從而使器件的邏輯狀態發生翻轉。隨著電子元器件特徵尺寸的不斷降低和臨界電荷的減小，單粒子翻轉的影響變得越來越顯著。

鐵電存儲器是利用鐵電薄膜材料中存在的兩種方向相反的穩定極化狀態來以二進位數字形式存儲信息的，並可以通過施加一定的外加電場來改變極化狀態，從而改變存儲信息。圖1為鐵電體的電滯回線(P-E曲線)示意圖。當施加一個小的正向電場時，該外加電場不足以使鐵電晶體的中心離子越過勢壘到達另一個平衡位置，此時鐵電材料對外表現出線性的P-E關係，若外加電場繼續增大，鐵電晶體內各電疇的極化方向隨外加電場趨於相同，最終極化強度達到飽和狀態。撤去外加電場後，某些電疇的極化方向有所改變，但大部分電疇仍然保持原來的極化方向，稱為為剩餘極化(PR+)。此時若施加反向電場，鐵電體極化強度開始減小，當極化強度變為0時，對應的外加電場強度稱為矯頑電場(EC-)。繼續增加反向電場，極化方向繼續向反方向轉變，最終鐵電晶體達到負向飽和極化狀態。施加正向電場時極化狀態的變化與之類似。最終P-E曲線形成一個閉合迴路。

圖2為典型的1T-1C鐵電存儲單元，其基本結構包含一個NMOS電晶體和一個鐵電電容。數據讀出時，首先將位線(BL)電壓預充至0，然後將字線(WL)置高使NMOS導通，板線(PL)與地之間形成由鐵電電容CFE和位線寄生電容CBL組成的分壓器。CFE有CP+和CP-兩個近似值，分別對應剩餘極化值為PR+和PR-兩種狀態。因此當PL置高時，BL上將出現兩個不同的電壓VP+、VP-，則：

VP+＝CP+VDD/(CP++CBL) (1)

VP-＝CP-VDD/(CP-+CBL) (2)

將靈敏放大器開啟，使VP+拉低至0，VP-拉高至VDD，即可讀出二進位數據0和1。數據寫入的過程與上述過程相反。

由於鐵電存儲器兼容了傳統CMOS工藝和鐵電薄膜工藝，因此其單粒子翻轉機制也應從兩個方面分析。鐵電存儲器的外圍電路採用的是CMOS工藝，其單粒子效應機制和其他CMOS器件類似。對鐵電存儲器的存儲單元而言，其失效主要是由於與鐵電電容相連的NMOS受到單粒子轟擊產生瞬態脈衝，導致鐵電電容的充電和放電，從而影響其極化狀態。此外，鐵電存儲器在讀出過程中，存儲數據的電容需要發生極化狀態的反轉，這是破壞性的讀出方式，因此在讀出完成後要將讀出數據重新寫回到鐵電電容，這個過程中，如果外圍電路單粒子效應造成位線信號的擾動，這些擾動也會被寫入鐵電電容，導致極化狀態的改變，進而引發數據翻轉。由此可見，提高鐵電電容的抗幹擾能力，對提高鐵電存儲器整體抗單粒子水平有決定性作用。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：在不改變晶片版圖，不改變生產工藝等條件的前提下，提出一種鐵電存儲器抗單粒子翻轉加固方法。

在60Co源輻照裝置上對待加固晶片進行輻照，通過高能γ射線與鐵電材料的相互作用，向鐵電電容中引入電子空穴對。電子和空穴被鐵電電容中的缺陷俘獲形成缺陷俘獲電荷。利用缺陷俘獲電荷對電疇疇壁的釘扎效應和其在電容中產生的內建電場對退極化場的屏蔽效應改善鐵電電容的抗幹擾能力，從而提高鐵電存儲器的抗單粒子翻轉水平。

本發明的技術解決方案是提供一種鐵電存儲器抗單粒子翻轉加固方法，包括以下步驟：

1)選取樣品晶片

a、選取待加固的鐵電存儲器樣品晶片，對全部樣品晶片進行全參數測試和功能驗證；

b、根據晶片實際應用時的工作狀態，確定輻照前寫入晶片的初始數據；

c、選取多個輻照累積劑量節點，並將樣品晶片根據節點數進行分組；

2)輻照樣品

d、將步驟1)選取的各組樣品晶片全部管腳接地，並在60Co源輻照裝置上輻照至相應的累積劑量節點；

e、對輻照後的樣品晶片重新進行全參數測試，將得到的性能指標與步驟1)中未經輻照的樣品晶片指標進行對比，去除性能嚴重退化的樣品晶片；

3)得到樣品晶片的加固標準劑量

f、將步驟2)中得到的性能正常的樣品晶片在重離子加速器上進行單粒子翻轉測試；同時將未經輻照的相同批次的樣品晶片作為對照組，在相同的實驗環境下進行測試；得到不同累積劑量下該樣品晶片的單粒子翻轉截面；

g、分析e中的截面數據，得到能夠滿足加固需求的最佳累積劑量，並將其作為該款鐵電存儲器的抗單粒子翻轉加固的標準劑量。

上述步驟1)中b所述的實際應用時的工作狀態可分為兩種，一種為存儲固定數據，即使用中只對晶片進行讀操作，不對晶片進行擦寫；另一種為不存儲固定數據，即使用中需要對晶片進行擦寫。

上述步驟1)的b中通過以下方式確定輻照前向晶片中寫入的初始數據：

對存儲固定數據的晶片，直接在輻照前寫入需要存儲的數據；

對不存儲固定數據的晶片，在輻照前寫入棋盤式數據55H(即0101)。

上述步驟3)中通過以下步驟得到最佳累積劑量：

對存儲固定數據的晶片，選擇使翻轉截面減小值達到飽和的最低劑量作為最佳累積劑量；

對不存儲固定數據的晶片，應選取使寫入55H和AAH的翻轉截面都得到最大改善的劑量作為最佳累積劑量。

優選的，上述輻照累積劑量節點為0Mrad～10Mrad。

本發明的有益效果是：

1)本發明是一種外部加固方法，不改變晶片的版圖、生產工藝，也不改變晶片的封裝尺寸以及工作時序，因此經過加固的晶片可直接用於替換未加固的晶片，無需重新設計電路。

2)本發明可以在對晶片內部電路不是完全清楚的情況下進行加固，因此尤其適用於外購商用晶片的加固。

3)本發明是在不對晶片外加偏置的情況下利用60Co源輻照晶片來達到加固的目的，操作簡單，輻照後無殘留，操作人員可直接接觸晶片，縮短了交付周期。

4)本發明所用的60Co源為工業用源，劑量率高，輻照面積大，可進行大批量的輻照加固處理，提高了加固效率。

5)隨著晶片特徵尺寸的降低，鐵電存儲器外圍CMOS電路抗總劑量能力越來越強，而鐵電薄膜由於尺寸效應的影響，累積劑量對其性能的影響越來越明顯，即要達到相同的加固效果，特徵尺寸更小的晶片所用劑量也更低。因此本發明有很好的應用前景。

附圖說明

圖1是鐵電體電滯回線(P-E曲線)示意圖；

圖2是典型的1T-1C型鐵電存儲單元示意圖；

圖3是累積劑量對初始極化狀態為PR+的鐵電電容電滯回線的影響示意圖；

圖4是累積劑量對初始極化狀態為PR-的鐵電電容電滯回線的影響示意圖；

圖5是本發明的操作流程示意圖；

圖6是利用本發明的方法對FM28V100加固後的單粒子翻轉測試結果。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行進一步說明。

本發明原理為：

由於待加固晶片輻照前已經寫入數據，且輻照過程中沒有外加偏置，因此晶片內所有鐵電電容都處於極化狀態，並在輻照過程中與外界隔離，其內部電場主要為由極化電荷所產生的退極化場(ED)。高能γ射線入射鐵電電容材料後，可產生初級電子、次級電子甚至三級電子，這些電子可以把材料中的價帶電子激發到導帶，產生大量電子空穴對。電子空穴對在鐵電電容疇界局域電場的作用下被迅速分開，其中一部分被退極化場掃向鐵電薄膜與電極的界面處，由於界面處存在大量缺陷，電子空穴將分別為缺陷所俘獲形成缺陷俘獲電荷。缺陷俘獲電荷的存在會在鐵電薄膜中形成內建電場(EI)，其方向與ED方向相反，在宏觀上表現為鐵電薄膜電滯回線沿X軸漂移，具體為：當極化方向為正時，電滯回線沿X軸向左側漂移，使|EC-|增大，EC+減小；當極化方向為負時，電滯回線沿X軸向右側漂移使|EC-|減小，EC+增大。這是一種類似印記的效應。與此同時，存在於疇壁和晶界處的缺陷也會俘獲一部分電荷，即原位俘獲。這些帶電缺陷在疇壁和晶界處不斷累積，會造成疇壁的釘扎效應。當施加與原極化方向相反的電場時，由於疇壁被釘扎，部分電疇不能發生極化反轉，從而造成剩餘極化值PR減小，即PR+和PR-同時向原點偏移。但根據初始極化狀態的不同，PR的退化幅度不同，具體為：當初始極化為PR+正時，輻照後PR-變化幅度較大，而PR+變化幅度較小；當初始極化為PR-時，輻照後PR+變化幅度較小，而PR-變化幅度較大。這是一種類似疲勞的效應。累積劑量對鐵電電容的影響是上述兩種效應的疊加，其對鐵電電容電滯回線的影響如圖3和圖4所示，圖中虛線為接受累積劑量後，實線為接受累積劑量前。可見，累積劑量在造成鐵電電容矯頑電壓和剩餘極化變化的同時，也使電滯回線變得更加「扁平」，即極化值隨外加電場的變化變得緩慢，使鐵電電容的抗幹擾能力得到了增強。

由於輻照中不對晶片外加偏置，因此電離輻射在外圍CMOS電路半導體材料中引入的電子空穴對大部分重新複合，累積劑量對外圍電路造成的性能退化很小，並能通過短時間常溫退火消除。

本發明的操作流程如圖5所示，具體為：

1)選取待加固的鐵電存儲器樣品，對全部樣品進行全參數測試和功能驗證，去除未通過的樣品。

2)向樣品晶片中寫入初始數據。

3)選取從0Mrad～10Mrad之間的多個劑量節點，並將樣品晶片根據節點數進行分組。

4)將分組後的晶片全部管腳接地，並在60Co源輻照裝置上分別輻照至3)中選取的劑量節點。

5)對輻照後的晶片重新進行全參數測試和功能驗證，將得到的性能指標與1)中未經總劑量輻照時的指標進行對比，去除性能嚴重退化的晶片。

6)對5)中得到的功能正常的晶片在重離子加速器上進行單粒子翻轉實驗，同時將未經總劑量輻照的相同批次的晶片作為對照組，在相同的實驗條件下進行單粒子翻轉實驗。實驗中對被測晶片進行循環讀操作，並將讀回的數據與原始寫入數據進行對比，若二者不符，則視為發生翻轉，然後將翻轉數、翻轉數據及地址記錄並保存。根據得到的翻轉數和重離子注量計算得到不同累積劑量下該晶片的單粒子翻轉截面。此外，重離子實驗中向被測晶片中寫入的數據分為兩種，一種與累積劑量實驗中寫入的數據相同，另一種則與之互補。

7)分析6)中的截面數據，得到能夠滿足加固需求的最低累積劑量，並將其作為該款鐵電存儲器的抗單粒子翻轉加固的標準劑量。

圖6為發明人在蘭州重離子加速器(HIRFL)上開展的針對1M位鐵電存儲器FM28V100加固效果的評估結果。被測晶片在60Co源輻照前寫入數據55H。為節省實驗機時，僅利用Bi離子對累積劑量為0Mrad、2Mrad和4Mrad的樣品進行了評估。可見，當累積劑量為2Mrad時，無論向被測晶片寫入55H還是AAH，其單粒子翻轉截面相比於未接受累積劑量的晶片都顯著減小。而當累積劑量達到4Mrad時，寫入55H晶片的翻轉截面繼續減小，寫入AAH晶片的截面則有所增加，但仍低於未接受劑量的晶片。這是由於接受累積劑量前，已經向被測晶片中寫入數據，存儲單元中的鐵電電容全部處於極化狀態，此時累積劑量對其電滯回線的影響呈現不對稱性，如圖3和圖4所示。當初始極化為PR+時，接受累積劑量後，PR-大幅減小，而PR+的變化則相對較小，因此CP+的變化小於CP-，根據式(1)、(2)，VP-的變化幅度將大於VP+，因此，VP-更容易受到擾動，使其與參考電壓之間的電壓差小於靈敏放大器的最小識別範圍，導致AAH中的1→0翻轉增加。同理，初始極化為PR-的鐵電電容而言，VP+的變化幅度將大於VP-，導致AAH中的0→1翻轉增加。可以預見，隨著劑量繼續增加，晶片將出現「粘位」現象，當向其中寫入AAH時，部分存儲單元固定在55H，導致無法寫入。此外，由圖可知，隨劑量的增加，55H的翻轉截面減小速率逐漸降低，這是由於內建電場對退極化場的屏蔽效應和帶電缺陷對疇壁的釘扎效應逐漸趨於飽和導致的。

綜上，在選取最終的加固劑量時，應考慮待加固晶片的具體應用場景。如果用來存儲固定數據，即使用中不對晶片內存儲數據進行擦寫，則可選擇使翻轉截面減小值達到飽和的最低劑量；當使用中需要對晶片內數據進行擦寫時，應選取使寫入原始數據和互補數據的翻轉截面都得到最大改善的劑量。

本發明未公開技術屬本領域技術人員公知常識。