鐵電存儲(chǔ)器中高能質(zhì)子引發(fā)的單粒子功能中斷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究?

琚安安 郭紅霞? 張鳳祁 郭維新 歐陽(yáng)曉平 魏佳男羅尹虹 鐘向麗 李波 秦麗

1)(湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湘潭 411105)

2)(西北核技術(shù)研究所,西安 710024)

3)(西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710049)

(2018年6月24日收到;2018年8月29日收到修改稿)

1 引 言

1.1 鐵電存儲(chǔ)器的抗輻照背景

鐵電存儲(chǔ)器(ferroelectric random access memory,FRAM)作為新型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中的一種,與傳統(tǒng)的隨機(jī)存儲(chǔ)器(random access memory,RAM)不同之處在于斷電后能繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù).它與市場(chǎng)上的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(static random access memory,SRAM)可以實(shí)現(xiàn)替換,可以說(shuō)是SRAM和FLASH存儲(chǔ)器最好工藝的結(jié)合[1].相較于Flash,FRAM具有更高的讀寫次數(shù),更快的讀寫速度以及超低的功耗[2].FRAM具有高達(dá)10萬(wàn)億次的讀寫循環(huán),是標(biāo)準(zhǔn)電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)的100萬(wàn)倍,寫入速度為EEPROM的76倍,而功耗卻只有EEPROM的3%.FRAM的工藝由鐵電薄膜技術(shù)與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝結(jié)合而成,采用具有自發(fā)極化特性的鈣鈦礦材料作為存儲(chǔ)介質(zhì)[3?6],使得存儲(chǔ)單元不受輻射環(huán)境中產(chǎn)生電荷波動(dòng)的影響,從而具有優(yōu)良的抗輻照性能[7,8].所有的這些優(yōu)點(diǎn)使得FRAM自誕生之日起就在航天航空應(yīng)用領(lǐng)域成為熱門.

在國(guó)內(nèi),FRAM重離子單粒子效應(yīng)的相關(guān)研究已經(jīng)開(kāi)展.辜科等[9,10]對(duì)1 M的FRAM進(jìn)行了不同種類重離子的實(shí)驗(yàn)研究,得到了該器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)(single event upset,SEU)的線性能量傳遞(linear energy transfer,LET)閾值和單粒子翻轉(zhuǎn)截面以及發(fā)生單粒子閂鎖的LET值并利用TCAD工具對(duì)存儲(chǔ)單元的翻轉(zhuǎn)進(jìn)行了仿真;Zhang等[11]對(duì)一款4 M商用FRAM進(jìn)行了重離子輻照,發(fā)現(xiàn)了至少六種單粒子效應(yīng),并確定是由外圍電路的異常造成的.

在復(fù)雜的空間輻射環(huán)境中,質(zhì)子分布廣泛并占據(jù)很大的比例,如宇宙射線中80%為高能質(zhì)子,太陽(yáng)風(fēng)中95%是質(zhì)子,極光輻射和范·艾倫輻射帶的內(nèi)帶中也存在著大量質(zhì)子[12].因此,對(duì)質(zhì)子源引發(fā)的單粒子效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究具有重要的意義.由于之前國(guó)內(nèi)并無(wú)中高能質(zhì)子加速器,所以目前國(guó)內(nèi)對(duì)于FRAM質(zhì)子單粒子效應(yīng)方面的研究仍處于空白.直到近年來(lái)中國(guó)原子能科學(xué)研究院的中高能質(zhì)子加速器成功出束,這方面的工作才得以開(kāi)展.

1.2 國(guó)外的工作

2008年NASA在印第安納大學(xué)對(duì)型號(hào)同為FM22L16的商用FRAM進(jìn)行了地面質(zhì)子輻照測(cè)試,發(fā)現(xiàn)了兩種單粒子效應(yīng):單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)和單粒子功能中斷(single event function interrupt,SEFI),并得到了圖1所示的SEU翻轉(zhuǎn)截面隨質(zhì)子能量變化的趨勢(shì)[13],但是并未對(duì)SEFI現(xiàn)象進(jìn)行深入分析.2010年2月,NASA在首顆快速、經(jīng)濟(jì)可承受科學(xué)技術(shù)衛(wèi)星(fast and af f ordable science and technology satellite,FASTSAT)上搭載一款商用FRAM進(jìn)行在軌測(cè)試(輻照環(huán)境主要是質(zhì)子),在一年的在軌測(cè)試時(shí)間內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)有單個(gè)或多個(gè)字節(jié)的翻轉(zhuǎn)[14].作為新型非易失性存儲(chǔ)器,FRAM在質(zhì)子輻照下發(fā)生的單粒子效應(yīng)也與傳統(tǒng)SRAM有所不同:SRAM在相同能量質(zhì)子輻照下會(huì)產(chǎn)生SEU[15,16],而FRAM則會(huì)產(chǎn)生SEU和SEFI.對(duì)比NASA的地面質(zhì)子輻照測(cè)試,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致,但NASA對(duì)于FRAM的SEFI的研究并未深入.在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),SEFI出現(xiàn)的頻率較高(如圖4所示),甚至器件的失效是由SEFI引起的.所以SEFI對(duì)FRAM在質(zhì)子輻照環(huán)境下正常工作狀態(tài)造成的影響不可忽視,本文使用100 MeV以下的質(zhì)子束流對(duì)FRAM的SEFI進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).

圖1 不同質(zhì)子能量下FRAM SEU翻轉(zhuǎn)截面[13]Fig.1 .SEU cross section of FRAM verses dif f erent proton energy[13].

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器件及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)選用兩款產(chǎn)自Cypress公司的商用FRAM,型號(hào)為FM28V100和FM22L16,它們的特征尺寸分別為90 nm和130 nm,容量為1 M和4 M,后者的存儲(chǔ)單元工藝結(jié)構(gòu)為2T2C,前者未知.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用中國(guó)原子能科學(xué)研究院自主研發(fā)的100 MeV質(zhì)子回旋加速器,如圖2所示.它可以產(chǎn)生100 MeV以下的質(zhì)子束流,利用降能片來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的降低,通過(guò)法拉第筒進(jìn)行注量率的測(cè)量,二次電子監(jiān)督器對(duì)注量進(jìn)行束流監(jiān)督.通過(guò)束流診斷,確定中子質(zhì)子比小于千分之一,束流的空間均勻性大于75%.這樣的質(zhì)子束流可以認(rèn)為是穩(wěn)定可靠的,并且能夠滿足本實(shí)驗(yàn)的要求.實(shí)驗(yàn)中選擇90,70,50和30 MeV的質(zhì)子能量,實(shí)際注量率為6.9×106p/(cm2·s).由于FRAM的累計(jì)失效劑量高達(dá)280 K·rad(Si)以上[17,18],輻照過(guò)程中每只器件所接受的質(zhì)子總劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于失效累計(jì)劑量的80%,可以忽略總劑量效應(yīng)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響.

圖2 中國(guó)原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器Fig.2 .100 MeV proton cyclotron of China institute of atomic energy.

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)所用的測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示,測(cè)試板由ARM(advanced RISC machine)模塊,FPGA(f i eld-programmable gate array)模塊及電源模塊組成.ARM模塊接收上位機(jī)發(fā)送的配置信息及測(cè)試命令,并將這些命令解析后發(fā)送給FPGA模塊,FPGA模塊輸出存儲(chǔ)器的控制時(shí)序,通過(guò)I/O接口將操作命令及控制時(shí)序信息傳遞給器件,對(duì)器件進(jìn)行存取操作.器件讀出的信息通過(guò)I/O口反饋給FPGA模塊,FPGA模塊分析比較器件是否發(fā)生了效應(yīng)并記錄這些數(shù)據(jù),依次傳遞給ARM模塊和上位機(jī),使其顯示并存儲(chǔ)這些信息.

圖3 FRAM測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.3 .Illustration of FRAM testing system.

在上述能量點(diǎn)下,根據(jù)器件的數(shù)據(jù)位數(shù),分別向FRAM中填入棋盤式數(shù)據(jù)格式55或5555,然后在質(zhì)子束流輻照的過(guò)程中對(duì)器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的測(cè)試.動(dòng)態(tài)測(cè)試通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)在質(zhì)子輻照過(guò)程中實(shí)時(shí)地從FRAM中讀出數(shù)據(jù),并和之前寫入的棋盤式數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)判斷是否發(fā)生了數(shù)據(jù)錯(cuò)誤.靜態(tài)測(cè)試在質(zhì)子輻照過(guò)程中不進(jìn)行讀出操作,輻照結(jié)束后才開(kāi)始讀出數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生了單粒子效應(yīng)(single event ef f ect,SEE).

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述參數(shù)的束流輻照下,FM28V100型FRAM未觀察到任何單粒子效應(yīng),但是FM22L16型FRAM在輻照過(guò)程中發(fā)生了一些單粒子效應(yīng):當(dāng)質(zhì)子束流打開(kāi)時(shí),測(cè)試系統(tǒng)立刻監(jiān)測(cè)到大量的瞬態(tài)錯(cuò)誤,這些錯(cuò)誤每隔幾個(gè)周期會(huì)短暫消失,接著又重新出現(xiàn)(如圖4所示),束流停止后器件中留下極少甚至是沒(méi)有留下錯(cuò)誤.將這個(gè)過(guò)程中發(fā)生的SEE詳細(xì)地分為4種,如表1所列.

動(dòng)態(tài)測(cè)試中當(dāng)質(zhì)子注量累計(jì)較低時(shí),器件發(fā)生軟SEFI,SEU和多位翻轉(zhuǎn) (multiple-bit-upset,MBU)效應(yīng),而隨著注量累計(jì)增加,器件發(fā)生了硬SEFI效應(yīng),無(wú)法讀出器件的SEU和MBU信息,此時(shí)斷電操作不能使器件恢復(fù)正常,視為器件發(fā)生了失效.在靜態(tài)測(cè)試過(guò)程中,累計(jì)注量低時(shí)未檢測(cè)到SEE,累計(jì)注量高時(shí),發(fā)現(xiàn)了硬SEFI效應(yīng).在兩個(gè)月后對(duì)器件進(jìn)行加電測(cè)試,所有發(fā)生硬SEFI的FRAM功能恢復(fù)正常,此時(shí)可以讀出器件的SEU與MBU信息.

圖4 FRAM在質(zhì)子輻照過(guò)程中的SEFI現(xiàn)象Fig.4 .SEFI phenomenon of FRAM using proton irradiation.

功能中斷截面計(jì)算公式為

其中δ為功能中斷截面;n為功能中斷發(fā)生時(shí)測(cè)試系統(tǒng)回讀的錯(cuò)誤個(gè)數(shù);Φ為質(zhì)子的注量.

根據(jù)上述公式計(jì)算出功能中斷截面并進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)由SEFI造成的錯(cuò)誤截面隨著質(zhì)子能量的增加而增加,如圖5所示(由于多只器件的失效,未能準(zhǔn)確給出30 MeV能量下的截面數(shù)據(jù)).

表1 FRAM在質(zhì)子輻照過(guò)程出現(xiàn)中的SEETable 1 .SEE happened using proton irradiation for FRAM.

圖5 FRAM的SEFI截面隨質(zhì)子能量的變化Fig.5 .FRAM SEFI cross section verses dif f erent proton energy.

2.4 SEFI效應(yīng)機(jī)理探索

該實(shí)驗(yàn)中,器件SEFI效應(yīng)在質(zhì)子輻照環(huán)境下出現(xiàn)的頻率較高,并且硬SEFI導(dǎo)致FRAM失效.SEFI對(duì)FRAM造成的影響不可忽視.為了更進(jìn)一步地探索FRAM中的SEFI敏感區(qū),使用西北核技術(shù)研究所的脈沖激光單粒子模擬裝置對(duì)FM22L16存儲(chǔ)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),使用波長(zhǎng)為1064 nm的激光脈沖,對(duì)器件的版圖從背部進(jìn)行全面掃描[19].如圖6所示,從版圖左下角每隔25μm入射一個(gè)激光脈沖,每秒入射兩個(gè)脈沖,激光的能量為5 nJ,一直到版圖的右上角結(jié)束.在激光掃描的過(guò)程中對(duì)FRAM預(yù)先寫入數(shù)據(jù)再進(jìn)行動(dòng)態(tài)的回讀測(cè)試,并同時(shí)觀察測(cè)試過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤,一旦有SEFI效應(yīng)發(fā)生,立刻停止激光掃描,并記錄下該點(diǎn)坐標(biāo),然后繼續(xù)測(cè)試.

結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光脈沖在器件的整個(gè)外圍電路中掃描(圖6中A,B區(qū)域)均能夠引起SEU效應(yīng),存儲(chǔ)陣列C區(qū)內(nèi)的激光脈沖不能引發(fā)任何單粒子效應(yīng),能夠引發(fā)SEFI效應(yīng)的區(qū)域只有在外圍電路中的某一塊區(qū)域,如圖6中B區(qū)紅點(diǎn)所示.需要指出的是,脈沖激光的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖中紅點(diǎn)的直徑,紅點(diǎn)表示SEFI敏感區(qū)所在的范圍,并非單一點(diǎn).另外當(dāng)激光能量小于5 nJ時(shí),可被監(jiān)測(cè)的敏感點(diǎn)個(gè)數(shù)減少,而激光能量大于5 nJ時(shí),可被監(jiān)測(cè)的敏感點(diǎn)個(gè)數(shù)增加.在FRAM的電源輸出端串聯(lián)一個(gè)100 ?的分壓電阻,利用高頻示波器監(jiān)測(cè)波形,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在使用激光微束造成器件SEE時(shí),伴隨著每次SEFI的發(fā)生,器件的電源輸出端都能捕捉到一個(gè)微電流的產(chǎn)生(如圖7所示),并且在該SEFI過(guò)程中的所有出錯(cuò)地址均是連續(xù)的.

顯然FRAM的外圍電路才是其SEE敏感區(qū),而紅點(diǎn)所在區(qū)域是器件SEFI敏感區(qū).FRAM的外圍電路基于傳統(tǒng)的CMOS工藝加工而成,而集成電路中CMOS工藝易受輻射環(huán)境的影響[20?22],特別是緩存器和寄存器,受到輻射環(huán)境的影響會(huì)導(dǎo)致短暫的讀寫錯(cuò)誤,甚至是功能中斷[23].圖8(a)所示是一個(gè)簡(jiǎn)化的可控硅電路原理圖,Vdd和Vss通過(guò)寄生電阻分別與PNP和NPN雙極管的基極相連,寄生電阻的存在使其通常保持在關(guān)閉的狀態(tài),但是當(dāng)任何一個(gè)雙極管基極的偏置增加時(shí),電路中流動(dòng)的電流會(huì)增大.一旦雙極管的電流增益大于1,電路中的電流再生,直到兩個(gè)雙極管飽和,此時(shí)由于流過(guò)可控硅結(jié)構(gòu)的電流過(guò)大,實(shí)際上改變了硅的有效摻雜狀態(tài),使其阻值變低[24].

圖6 FM22L16 FRAM中的SEFI敏感區(qū)域Fig.6 .SEFI Sensitivity area of FM22L16 FRAM.

圖7 伴隨SEFI效應(yīng)產(chǎn)生的電流波Fig.7 .Electric wave of FRAM accompanied with SEFI.

圖8 (a)電子電路中寄生的可控硅結(jié)構(gòu);(b)簡(jiǎn)化的可控硅原理圖Fig.8 .(a)Silicon controlled rectif i er parasitic in digital circuits;(b)simplif i ed silicon controlled rectif i er .

在本實(shí)驗(yàn)的輻射環(huán)境中,質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電荷,由于其原子質(zhì)量很輕,所以在物質(zhì)中的穿透能力較強(qiáng).當(dāng)能量低于3 MeV的質(zhì)子入射到電子器件中時(shí),會(huì)通過(guò)直接電離的方式在硅中沉積出電子-空穴對(duì),改變電子器件的邏輯或工作狀態(tài),這在納米級(jí)尺寸的器件中表現(xiàn)較為突出[16].而本實(shí)驗(yàn)選擇的中高能質(zhì)子穿透器件時(shí),庫(kù)侖力對(duì)質(zhì)子的阻礙能力減弱,此時(shí)質(zhì)子主要與材料物質(zhì)發(fā)生核反應(yīng)生成重離子和其他次級(jí)粒子,重離子帶有更多單位的正電荷,并且原子質(zhì)量較重,穿透能力較弱,會(huì)在相對(duì)較短的路徑中通過(guò)直接電離的方式,產(chǎn)生電子-空穴對(duì).而對(duì)激光脈沖而言,激光入射器件時(shí),光子被材料吸收,沿著其入射方向電離出電子-空穴對(duì)[25],這與低能質(zhì)子及重離子的直接電離過(guò)程十分相似.

輻照環(huán)境產(chǎn)生的載流子的積累會(huì)使得CMOS工藝中的可控硅結(jié)構(gòu)打開(kāi),圖8(b)所示為電子電路中的可控硅結(jié)構(gòu)示意圖,電子空穴對(duì)在襯底中被Vss至Vcc的內(nèi)部電場(chǎng)所收集,電流流過(guò)內(nèi)部寄生襯底電阻時(shí),基極的偏置增大,電路中流動(dòng)的電流會(huì)增大.如果偏置足夠高,可控硅結(jié)構(gòu)被觸發(fā)進(jìn)入電流再生模式,器件發(fā)生單粒子鎖定,測(cè)試系統(tǒng)對(duì)器件失去控制,直到給器件斷電,并重新加電才能恢復(fù)正常[26,27].在本實(shí)驗(yàn)中SEFI發(fā)生時(shí),測(cè)試系統(tǒng)并未對(duì)器件失去控制,因此可以認(rèn)為可控硅結(jié)構(gòu)中未達(dá)到電流增益狀態(tài),而是發(fā)生了微鎖定現(xiàn)象,此時(shí)寄生可控硅結(jié)構(gòu)中有電流流過(guò),PMOS管和NMOS管的開(kāi)關(guān)作用失效.

FRAM的數(shù)據(jù)讀取和寫入過(guò)程的順利執(zhí)行是有外圍電路中的寄存器參與的,這些寄存器中有命令寄存器和地址寄存器,用來(lái)響應(yīng)電路外部傳入的命令代碼和地址信號(hào).在外圍電路的寄存器發(fā)生微鎖定時(shí),產(chǎn)生了如圖7所示的微小電流,其持續(xù)的時(shí)間為激光或質(zhì)子在材料中產(chǎn)生的電子-空穴能夠維持可控硅結(jié)構(gòu)的寄生二極管中基極正向偏置的時(shí)間.在這個(gè)時(shí)間內(nèi),寄存器無(wú)法響應(yīng),FRAM的讀出功能失效,測(cè)試系統(tǒng)回讀出大量的錯(cuò)誤,當(dāng)這個(gè)時(shí)間結(jié)束后,電流消失,寄存器恢復(fù)正常,測(cè)試系統(tǒng)讀出正確的數(shù)據(jù),上一個(gè)周期中讀出的錯(cuò)誤消失,直到下一次微鎖定發(fā)生時(shí)這種情況再次出現(xiàn),如圖4所示.隨著質(zhì)子能量的增高,通過(guò)核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)重離子種類和能量也增加,在硅襯底中電離出的電子-空穴對(duì)隨之增加,外圍寄存器發(fā)生微鎖定效應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng),測(cè)試系統(tǒng)回讀的錯(cuò)誤數(shù)越多,導(dǎo)致FRAM的功能中斷截面隨著質(zhì)子能量的增加而增加.在NASA對(duì)Intel生產(chǎn)的微處理器理器(microprocessor)、協(xié)處理器(coprocessor)、集成外圍(integrated peripheral)的輻照效應(yīng)研究中,發(fā)現(xiàn)其中某一個(gè)部分發(fā)生SEU均會(huì)導(dǎo)致其他兩個(gè)部分隨之發(fā)生SEE,推測(cè)這是由于各部分的總線連接造成的[28].因此認(rèn)為,外圍電路中發(fā)生的微鎖定電流,通過(guò)總線的連接可以在器件的輸出端被觀測(cè)到,如圖7所示.

3 結(jié) 論

本文對(duì)兩款商用FRAM開(kāi)展了質(zhì)子單粒子實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)比較兩款器件在質(zhì)子輻照下的表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)特征尺寸對(duì)FRAM的SEE敏感性的影響與傳統(tǒng)SRAM不同,雖然FM28V100的特征尺寸比FM22L16小,但FM28V100在90 MeV以下的質(zhì)子能量輻照下未發(fā)生SEE,反而是特征尺寸較大的FM22L16出現(xiàn)了SEE.這是因?yàn)镕M28V100的容量比FM22L16小,外圍電路面積也比后者小,導(dǎo)致SEE敏感單元(如寄存器)在版圖布局中的比例小,在相同的質(zhì)子輻照環(huán)境下未發(fā)生SEE.利用不同能量的質(zhì)子束流對(duì)FRAM進(jìn)行輻照,FM22L16型FRAM在30—90 MeV的質(zhì)子能量下均能檢測(cè)到SEFI效應(yīng),并且器件SEFI截面隨著質(zhì)子能量的增加而增加.

通過(guò)激光微束的輔助實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)器件發(fā)生SEU效應(yīng)的敏感區(qū)分布在整個(gè)外圍電路中,而器件發(fā)生SEFI的敏感區(qū)只分布在外圍電路中的某一塊區(qū)域.本文認(rèn)為外圍電路中參與讀寫過(guò)程的寄存器在輻照環(huán)境下發(fā)生了微鎖定,使其在讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中失效,導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取失敗.與單粒子鎖定現(xiàn)象不同,微鎖定產(chǎn)生的電流未超過(guò)FRAM的正常工作電流(15 mA),可以自主恢復(fù).這個(gè)電流持續(xù)的時(shí)間決定了FRAM的功能中斷截面的大小.最后利用高頻示波器在激光脈沖輻照器件時(shí),對(duì)FRAM的輸出電流進(jìn)行同步采樣,發(fā)現(xiàn)伴隨著SEFI效應(yīng)的發(fā)生,輸出端會(huì)俘獲到一段瞬態(tài)電流,為器件發(fā)生SEFI效應(yīng)機(jī)理提供了支撐.