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摘 要： 利用中國原子能科學(xué)研究院的中高能質(zhì)子實(shí)驗(yàn)平臺, 針對兩款商用鐵電存儲器開展了中高能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究, 發(fā)現(xiàn)其中一款器件在質(zhì)子輻照下發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子功能中斷. 本文主要針對單粒子功能中斷效應(yīng)展開了后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究. 首先通過改變質(zhì)子能量對
利用中國原子能科學(xué)研究院的中高能質(zhì)子實(shí)驗(yàn)平臺, 針對兩款商用鐵電存儲器開展了中高能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究, 發(fā)現(xiàn)其中一款器件在質(zhì)子輻照下發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子功能中斷. 本文主要針對單粒子功能中斷效應(yīng)展開了后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究. 首先通過改變質(zhì)子能量對器件進(jìn)行輻照, 發(fā)現(xiàn)單粒子功能中斷截面隨質(zhì)子能量的提高而增加. 為進(jìn)一步研究器件發(fā)生單粒子功能中斷的機(jī)理, 利用激光微束平臺開展了輔助實(shí)驗(yàn), 對鐵電存儲器的單粒子功能中斷效應(yīng)的敏感區(qū)域進(jìn)行了定位, 最后發(fā)現(xiàn)鐵電存儲器單粒子功能中斷是由器件外圍電路發(fā)生的微鎖定導(dǎo)致的.
關(guān)鍵詞: 鐵電存儲器, 中高能質(zhì)子, 單粒子功能中斷效應(yīng)
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(dǎo)體存儲器中的一種, 與傳統(tǒng)的隨機(jī)存儲器(random access memory, RAM) 不同之處在于斷電后能繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù). 它與市場上的靜態(tài)隨機(jī)存儲器(static random access memory, SRAM)可以實(shí)現(xiàn)替換, 可以說是SRAM和FLASH 存儲器最好工藝的結(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)10萬億次的讀寫循環(huán), 是標(biāo)準(zhǔn)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(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介質(zhì) [3−6] , 使得存儲單元不受輻射環(huán)境中產(chǎn)生電荷波動的影響, 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.
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在國內(nèi), FRAM重離子單粒子效應(yīng)的相關(guān)研究已經(jīng)開展. 辜科等 [9,10] 對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工具對存儲單元的翻轉(zhuǎn)進(jìn)行了仿真; Zhang等[11] 對一款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. 由于之前國內(nèi)并無中高能質(zhì)子加速器, 所以目前國內(nèi)對于FRAM質(zhì)子單粒子效應(yīng)方面的研究仍處于空白. 直到近年來中國原子能科學(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展.
1.2 國外的工作
2008年NASA在印第安納大學(xué)對型號同為 FM22L16的商用FRAM 進(jìn)行了地面質(zhì)子輻照測試, 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 [13] , 但是并未對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 affordable science and technology satellite, FASTSAT)上搭載一款商用 FRAM進(jìn)行在軌測試(輻照環(huán)境主要是質(zhì)子), 在一年的在軌測試時(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)子輻照下會產(chǎn)生 SEU [15,16] , 而FRAM則會產(chǎn)生SEU和SEFI. 對比 NASA的地面質(zhì)子輻照測試, 發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致, 但NASA對于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FRAM的SEFI進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).
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(jié)構(gòu)為2T2C, 前者未知. 實(shí)驗(yàn)平臺采用中國原子能科學(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, 利用降能片來實(shí)現(xiàn)能量的降低, 通過法拉第筒進(jìn)行注量率的測量, 二次電子監(jiān)督器對注量進(jìn)行束流監(jiān)督. 通過束流診斷, 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 × 106 p/(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)對本實(shí)驗(yàn)的影響.
2.2 測試系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)所用的測試系統(tǒng)如圖 3所示, 測試板由ARM (advanced RISC machine)模塊, FPGA (field-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模塊輸出存儲器的控制時(shí)序, 通過I/O接口 將操作命令及控制時(shí)序信息傳遞給器件, 對器件進(jìn)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(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), 使其顯示并存儲這些信息.
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)子束流輻照的過程中對器件進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)的測試. 動態(tài)測試通過測試系統(tǒng)在質(zhì)子輻照過程中實(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)行比較來判斷是否發(fā)生了數(shù)據(jù)錯(cuò)誤. 靜態(tài)測試在質(zhì)子輻照過程中不進(jìn)行讀出操作, 輻照結(jié)束后才開始讀出數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生了單粒子效應(yīng) (single event effect, 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在輻照過程中發(fā)生了一些單粒子效應(yīng): 當(dāng)質(zhì)子束流打開時(shí), 測試系統(tǒng)立刻監(jiān)測到大量的瞬態(tài)錯(cuò)誤, 這些錯(cuò)誤每隔幾個(gè)周期會短暫消失, 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有留下錯(cuò)誤. 將這個(gè)過程中發(fā)生的 SEE詳細(xì)地分為4種, 如表1 所列.
動態(tài)測試中當(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)測試過程中, 累計(jì)注量低時(shí)未檢測到SEE, 累計(jì)注量高時(shí), 發(fā)現(xiàn)了硬SEFI效應(yīng). 在兩個(gè)月后對器件進(jìn)行加電測試, 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.
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)).
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FM22L16 存儲器進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 使用波長為1064 nm的激光脈沖, 對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25 µm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. 在激光掃描的過程中對FRAM 預(yù)先寫入數(shù)據(jù)再進(jìn)行動態(tài)的回讀測試, 并同時(shí)觀察測試過程中是否會出現(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 Ω的分壓電阻, 利用高頻示波器監(jiān)測波形, 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(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(gè)雙極管飽和, 此時(shí)由于流過可控硅結(jié)構(gòu)的電流過大, 實(shí)際上改變了硅的有效摻雜狀態(tài), 使其阻值變低[24] .
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(tài), 這在納米級尺寸的器件中表現(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), 庫侖力對質(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, 會在相對較短的路徑中通過直接電離的方式, 產(chǎn)生電子 -空穴對. 而對激光脈沖而言, 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 [25] , 這與低能質(zhì)子及重離子的直接電離過程十分相似.
輻照環(huán)境產(chǎn)生的載流子的積累會使得CMOS 工藝中的可控硅結(jié)構(gòu)打開, 圖 8 (b)所示為電子電路中的可控硅結(jié)構(gòu)示意圖, 電子空穴對在襯底中被 Vss 至Vcc 的內(nèi)部電場所收集, 電流流過內(nèi)部寄生襯底電阻時(shí), 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(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, 測試系統(tǒng)對器件失去控制, 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), 測試系統(tǒng)并未對器件失去控制, 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, PMOS管和 NMOS管的開關(guān)作用失效.
FRAM的數(shù)據(jù)讀取和寫入過程的順利執(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, 用來響應(yīng)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(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), 寄存器無法響應(yīng), FRAM 的讀出功能失效, 測試系統(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, 通過核反應(yīng)產(chǎn)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(fā)生微鎖定效應(yīng)的時(shí)間越長, 測試系統(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均會導(dǎo)致其他兩個(gè)部分隨之發(fā)生SEE, 推測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(jié) 論
本文對兩款商用FRAM開展了質(zhì)子單粒子實(shí)驗(yàn)研究, 通過比較兩款器件在質(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FRAM進(jìn)行輻照, FM22L16 型 FRAM在30—90 MeV的質(zhì)子能量下均能檢測到 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.