鐵電存儲器中高能質子引發的單粒子功能中斷效應實驗研究?

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

1)(湘潭大學材料科學與工程學院,湘潭 411105)

2)(西北核技術研究所,西安 710024)

3)(西安交通大學核科學與技術學院,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 鐵電存儲器的抗輻照背景

鐵電存儲器(ferroelectric random access memory,FRAM)作為新型半導體存儲器中的一種,與傳統的隨機存儲器(random access memory,RAM)不同之處在于斷電后能繼續保持數據.它與市場上的靜態隨機存儲器(static random access memory,SRAM)可以實現替換,可以說是SRAM和FLASH存儲器最好工藝的結合[1].相較于Flash,FRAM具有更高的讀寫次數,更快的讀寫速度以及超低的功耗[2].FRAM具有高達10萬億次的讀寫循環,是標準電可擦可編程只讀存儲器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)的100萬倍,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與互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝結合而成,采用具有自發極化特性的鈣鈦礦材料作為存儲介質[3?6],使得存儲單元不受輻射環境中產生電荷波動的影響,從而具有優良的抗輻照性能[7,8].所有的這些優點使得FRAM自誕生之日起就在航天航空應用領域成為熱門.

在國內,FRAM重離子單粒子效應的相關研究已經開展.辜科等[9,10]對1 M的FRAM進行了不同種類重離子的實驗研究,得到了該器件發生單粒子翻轉(single event upset,SEU)的線性能量傳遞(linear energy transfer,LET)閾值和單粒子翻轉截面以及發生單粒子閂鎖的LET值并利用TCAD工具對存儲單元的翻轉進行了仿真;Zhang等[11]對一款4 M商用FRAM進行了重離子輻照,發現了至少六種單粒子效應,并確定是由外圍電路的異常造成的.

在復雜的空間輻射環境中,質子分布廣泛并占據很大的比例,如宇宙射線中80%為高能質子,太陽風中95%是質子,極光輻射和范·艾倫輻射帶的內帶中也存在著大量質子[12].因此,對質子源引發的單粒子效應進行實驗研究具有重要的意義.由于之前國內并無中高能質子加速器,所以目前國內對于FRAM質子單粒子效應方面的研究仍處于空白.直到近年來中國原子能科學研究院的中高能質子加速器成功出束,這方面的工作才得以開展.

1.2 國外的工作

2008年NASA在印第安納大學對型號同為FM22L16的商用FRAM進行了地面質子輻照測試,發現了兩種單粒子效應:單粒子翻轉(SEU)和單粒子功能中斷(single event function interrupt,SEFI),并得到了圖1所示的SEU翻轉截面隨質子能量變化的趨勢[13],但是并未對SEFI現象進行深入分析.2010年2月,NASA在首顆快速、經濟可承受科學技術衛星(fast and af f ordable science and technology satellite,FASTSAT)上搭載一款商用FRAM進行在軌測試(輻照環境主要是質子),在一年的在軌測試時間內并未發現有單個或多個字節的翻轉[14].作為新型非易失性存儲器,FRAM在質子輻照下發生的單粒子效應也與傳統SRAM有所不同:SRAM在相同能量質子輻照下會產生SEU[15,16],而FRAM則會產生SEU和SEFI.對比NASA的地面質子輻照測試,發現實驗現象一致,但NASA對于FRAM的SEFI的研究并未深入.在實驗中我們發現,SEFI出現的頻率較高(如圖4所示),甚至器件的失效是由SEFI引起的.所以SEFI對FRAM在質子輻照環境下正常工作狀態造成的影響不可忽視,本文使用100 MeV以下的質子束流對FRAM的SEFI進行了實驗.

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

2 實 驗

2.1 實驗器件及設備

本實驗選用兩款產自Cypress公司的商用FRAM,型號為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,后者的存儲單元工藝結構為2T2C,前者未知.實驗平臺采用中國原子能科學研究院自主研發的100 MeV質子回旋加速器,如圖2所示.它可以產生100 MeV以下的質子束流,利用降能片來實現能量的降低,通過法拉第筒進行注量率的測量,二次電子監督器對注量進行束流監督.通過束流診斷,確定中子質子比小于千分之一,束流的空間均勻性大于75%.這樣的質子束流可以認為是穩定可靠的,并且能夠滿足本實驗的要求.實驗中選擇90,70,50和30 MeV的質子能量,實際注量率為6.9×106p/(cm2·s).由于FRAM的累計失效劑量高達280 K·rad(Si)以上[17,18],輻照過程中每只器件所接受的質子總劑量遠遠小于失效累計劑量的80%,可以忽略總劑量效應對本實驗的影響.

圖2 中國原子能科學研究院100 MeV質子回旋加速器Fig.2 .100 MeV proton cyclotron of China institute of atomic energy.

2.2 測試系統

實驗所用的測試系統如圖3所示,測試板由ARM(advanced RISC machine)模塊,FPGA(f i eld-programmable gate array)模塊及電源模塊組成.ARM模塊接收上位機發送的配置信息及測試命令,并將這些命令解析后發送給FPGA模塊,FPGA模塊輸出存儲器的控制時序,通過I/O接口將操作命令及控制時序信息傳遞給器件,對器件進行存取操作.器件讀出的信息通過I/O口反饋給FPGA模塊,FPGA模塊分析比較器件是否發生了效應并記錄這些數據,依次傳遞給ARM模塊和上位機,使其顯示并存儲這些信息.

圖3 FRAM測試系統示意圖Fig.3 .Illustration of FRAM testing system.

在上述能量點下,根據器件的數據位數,分別向FRAM中填入棋盤式數據格式55或5555,然后在質子束流輻照的過程中對器件進行動態和靜態的測試.動態測試通過測試系統在質子輻照過程中實時地從FRAM中讀出數據,并和之前寫入的棋盤式數據進行比較來判斷是否發生了數據錯誤.靜態測試在質子輻照過程中不進行讀出操作,輻照結束后才開始讀出數據判斷是否發生了單粒子效應(single event ef f ect,SEE).

2.3 實驗結果與分析

在上述參數的束流輻照下,FM28V100型FRAM未觀察到任何單粒子效應,但是FM22L16型FRAM在輻照過程中發生了一些單粒子效應:當質子束流打開時,測試系統立刻監測到大量的瞬態錯誤,這些錯誤每隔幾個周期會短暫消失,接著又重新出現(如圖4所示),束流停止后器件中留下極少甚至是沒有留下錯誤.將這個過程中發生的SEE詳細地分為4種,如表1所列.

動態測試中當質子注量累計較低時,器件發生軟SEFI,SEU和多位翻轉 (multiple-bit-upset,MBU)效應,而隨著注量累計增加,器件發生了硬SEFI效應,無法讀出器件的SEU和MBU信息,此時斷電操作不能使器件恢復正常,視為器件發生了失效.在靜態測試過程中,累計注量低時未檢測到SEE,累計注量高時,發現了硬SEFI效應.在兩個月后對器件進行加電測試,所有發生硬SEFI的FRAM功能恢復正常,此時可以讀出器件的SEU與MBU信息.

圖4 FRAM在質子輻照過程中的SEFI現象Fig.4 .SEFI phenomenon of FRAM using proton irradiation.

功能中斷截面計算公式為

其中δ為功能中斷截面;n為功能中斷發生時測試系統回讀的錯誤個數;Φ為質子的注量.

根據上述公式計算出功能中斷截面并進行比較,發現由SEFI造成的錯誤截面隨著質子能量的增加而增加,如圖5所示(由于多只器件的失效,未能準確給出30 MeV能量下的截面數據).

表1 FRAM在質子輻照過程出現中的SEETable 1 .SEE happened using proton irradiation for FRAM.

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

2.4 SEFI效應機理探索

該實驗中,器件SEFI效應在質子輻照環境下出現的頻率較高,并且硬SEFI導致FRAM失效.SEFI對FRAM造成的影響不可忽視.為了更進一步地探索FRAM中的SEFI敏感區,使用西北核技術研究所的脈沖激光單粒子模擬裝置對FM22L16存儲器進行實驗,使用波長為1064 nm的激光脈沖,對器件的版圖從背部進行全面掃描[19].如圖6所示,從版圖左下角每隔25μm入射一個激光脈沖,每秒入射兩個脈沖,激光的能量為5 nJ,一直到版圖的右上角結束.在激光掃描的過程中對FRAM預先寫入數據再進行動態的回讀測試,并同時觀察測試過程中是否會出現錯誤,一旦有SEFI效應發生,立刻停止激光掃描,并記錄下該點坐標,然后繼續測試.

結果發現激光脈沖在器件的整個外圍電路中掃描(圖6中A,B區域)均能夠引起SEU效應,存儲陣列C區內的激光脈沖不能引發任何單粒子效應,能夠引發SEFI效應的區域只有在外圍電路中的某一塊區域,如圖6中B區紅點所示.需要指出的是,脈沖激光的直徑遠遠小于圖中紅點的直徑,紅點表示SEFI敏感區所在的范圍,并非單一點.另外當激光能量小于5 nJ時,可被監測的敏感點個數減少,而激光能量大于5 nJ時,可被監測的敏感點個數增加.在FRAM的電源輸出端串聯一個100 ?的分壓電阻,利用高頻示波器監測波形,結果發現在使用激光微束造成器件SEE時,伴隨著每次SEFI的發生,器件的電源輸出端都能捕捉到一個微電流的產生(如圖7所示),并且在該SEFI過程中的所有出錯地址均是連續的.

顯然FRAM的外圍電路才是其SEE敏感區,而紅點所在區域是器件SEFI敏感區.FRAM的外圍電路基于傳統的CMOS工藝加工而成,而集成電路中CMOS工藝易受輻射環境的影響[20?22],特別是緩存器和寄存器,受到輻射環境的影響會導致短暫的讀寫錯誤,甚至是功能中斷[23].圖8(a)所示是一個簡化的可控硅電路原理圖,Vdd和Vss通過寄生電阻分別與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閉的狀態,但是當任何一個雙極管基極的偏置增加時,電路中流動的電流會增大.一旦雙極管的電流增益大于1,電路中的電流再生,直到兩個雙極管飽和,此時由于流過可控硅結構的電流過大,實際上改變了硅的有效摻雜狀態,使其阻值變低[24].

圖6 FM22L16 FRAM中的SEFI敏感區域Fig.6 .SEFI Sensitivity area of FM22L16 FRAM.

圖7 伴隨SEFI效應產生的電流波Fig.7 .Electric wave of FRAM accompanied with SEFI.

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

在本實驗的輻射環境中,質子帶一個單位的正電荷,由于其原子質量很輕,所以在物質中的穿透能力較強.當能量低于3 MeV的質子入射到電子器件中時,會通過直接電離的方式在硅中沉積出電子-空穴對,改變電子器件的邏輯或工作狀態,這在納米級尺寸的器件中表現較為突出[16].而本實驗選擇的中高能質子穿透器件時,庫侖力對質子的阻礙能力減弱,此時質子主要與材料物質發生核反應生成重離子和其他次級粒子,重離子帶有更多單位的正電荷,并且原子質量較重,穿透能力較弱,會在相對較短的路徑中通過直接電離的方式,產生電子-空穴對.而對激光脈沖而言,激光入射器件時,光子被材料吸收,沿著其入射方向電離出電子-空穴對[25],這與低能質子及重離子的直接電離過程十分相似.

輻照環境產生的載流子的積累會使得CMOS工藝中的可控硅結構打開,圖8(b)所示為電子電路中的可控硅結構示意圖,電子空穴對在襯底中被Vss至Vcc的內部電場所收集,電流流過內部寄生襯底電阻時,基極的偏置增大,電路中流動的電流會增大.如果偏置足夠高,可控硅結構被觸發進入電流再生模式,器件發生單粒子鎖定,測試系統對器件失去控制,直到給器件斷電,并重新加電才能恢復正常[26,27].在本實驗中SEFI發生時,測試系統并未對器件失去控制,因此可以認為可控硅結構中未達到電流增益狀態,而是發生了微鎖定現象,此時寄生可控硅結構中有電流流過,PMOS管和NMOS管的開關作用失效.

FRAM的數據讀取和寫入過程的順利執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,用來響應電路外部傳入的命令代碼和地址信號.在外圍電路的寄存器發生微鎖定時,產生了如圖7所示的微小電流,其持續的時間為激光或質子在材料中產生的電子-空穴能夠維持可控硅結構的寄生二極管中基極正向偏置的時間.在這個時間內,寄存器無法響應,FRAM的讀出功能失效,測試系統回讀出大量的錯誤,當這個時間結束后,電流消失,寄存器恢復正常,測試系統讀出正確的數據,上一個周期中讀出的錯誤消失,直到下一次微鎖定發生時這種情況再次出現,如圖4所示.隨著質子能量的增高,通過核反應產生的次級重離子種類和能量也增加,在硅襯底中電離出的電子-空穴對隨之增加,外圍寄存器發生微鎖定效應的時間越長,測試系統回讀的錯誤數越多,導致FRAM的功能中斷截面隨著質子能量的增加而增加.在NASA對Intel生產的微處理器理器(microprocessor)、協處理器(coprocessor)、集成外圍(integrated peripheral)的輻照效應研究中,發現其中某一個部分發生SEU均會導致其他兩個部分隨之發生SEE,推測這是由于各部分的總線連接造成的[28].因此認為,外圍電路中發生的微鎖定電流,通過總線的連接可以在器件的輸出端被觀測到,如圖7所示.

3 結 論

本文對兩款商用FRAM開展了質子單粒子實驗研究,通過比較兩款器件在質子輻照下的表現,發現特征尺寸對FRAM的SEE敏感性的影響與傳統SRAM不同,雖然FM28V100的特征尺寸比FM22L16小,但FM28V100在90 MeV以下的質子能量輻照下未發生SEE,反而是特征尺寸較大的FM22L16出現了SEE.這是因為FM28V100的容量比FM22L16小,外圍電路面積也比后者小,導致SEE敏感單元(如寄存器)在版圖布局中的比例小,在相同的質子輻照環境下未發生SEE.利用不同能量的質子束流對FRAM進行輻照,FM22L16型FRAM在30—90 MeV的質子能量下均能檢測到SEFI效應,并且器件SEFI截面隨著質子能量的增加而增加.

通過激光微束的輔助實驗,發現器件發生SEU效應的敏感區分布在整個外圍電路中,而器件發生SEFI的敏感區只分布在外圍電路中的某一塊區域.本文認為外圍電路中參與讀寫過程的寄存器在輻照環境下發生了微鎖定,使其在讀取數據的過程中失效,導致數據讀取失敗.與單粒子鎖定現象不同,微鎖定產生的電流未超過FRAM的正常工作電流(15 mA),可以自主恢復.這個電流持續的時間決定了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,對FRAM的輸出電流進行同步采樣,發現伴隨著SEFI效應的發生,輸出端會俘獲到一段瞬態電流,為器件發生SEFI效應機理提供了支撐.