一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法及系统与流程

本发明涉及半导体器件抗辐射加固领域，特别是涉及一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法及系统。

背景技术

航天任务中，半导体存储器在信息获取和保存方面具有重要的作用。随着航天技术的发展，相关行业对高性能存储器的需求日益增大。铁电存储器是一种新型非挥发性存储器，较之传统的存储方案，具有高读写耐久性、高速烧写、超低功耗以及易于嵌入的多种优势。

暴露于空间环境中的航天电子器件还将面临多种辐射效应的威胁，其中，单粒子效应是导致存储器故障的主要辐射效应之一，因此必须开展备选器件的单粒子效应研究以采取必要的加固措施。单粒子翻转(singleeventupset)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，因强烈的电离而在入射径迹周围产生高密度的电子空穴对，这些电荷被迅速收集，当收集的电荷超过器件维持原有状态所需的临界电荷时，器件的逻辑状态就会发生翻转。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。

铁电存储器集成了传统cmos工艺和铁电薄膜工艺。研究表明，铁电薄膜具有较好的抗辐射能力，其抗中子辐照能力大于10¹⁵n/cm²，抗总剂量能力达到10mrad(si)，远优于同等条件下的sio2，非常适合在空间环境中使用。然而，铁电存储器的外围电路，如控制逻辑、译码电路、灵敏放大器等采用的是传统的cmos工艺，其单粒子效应敏感性远高于基于铁电工艺的存储阵列。同时，由外围电路引发的错误呈现出多地址连续翻转，造成的后果十分严重。

研究表明，铁电存储器外围电路的翻转与局部闭锁及其传播有直接关系，通过在实验中监测电源端口电流，发现在能量为5nj的脉冲激光入射外围电路敏感区时，可以捕获到峰值在50ma左右的瞬态电流脉冲，脉冲持续时间在0.5μs左右，且此类电流脉冲的出现与数据翻转具有同步性。尽管局部闭锁并不会表现出和传统的单粒子闭锁类似的大电流现象，但他们的原理是一致的，其产生根源是电路中的p-n-p-n构造。单粒子入射后，如果电荷收集形成的瞬态电流在n阱电阻上的压降大于pnp管正向导通电压，则寄生pnp管导通，这样将有电流流经衬底，使npn晶体管触发，使得流经n阱电阻的电流进一步上升，最终使两个晶体管都达到饱和而发生闭锁。随着集成电路特征尺寸的不断降低，越来越多的深亚微米cmos器件表现出局部锁定现象，且局部锁定及其传播与单粒子多位翻转有直接关联。因此，鉴于铁电存储器外围电路较低的抗单粒子水平，优先对其进行加固十分必要。

利用60co源γ射线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，向铁电薄膜中引入电子空穴对。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缺陷俘获电荷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。

但由于陷阱电荷对铁电电容极化特性的影响与辐照前电容所处的极化状态密切相关，利用60co源γ射线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，向铁电薄膜中引入电子空穴对的方法更适用于存储固定数据的芯片，对于需要在服役期间随机存储新数据的芯片而言，加固效果有限，而且陷阱电荷会随时间的推移产生较明显的退火，使加固效果退化，铁电存储器单粒子效应敏感区域位于外围电路，单纯对存储阵列加固不能从源头上解决问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够提高铁电存储器的抗单粒子翻转能力的铁电存储器抗单粒子翻转加固方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法，所述加固方法包括：

对多个待加固的铁电存储器进行功能验证和全参数测试，获得功能验证结果和全参数测试结果；

根据功能验证结果和全参数测试结果选取多个性能正常的待加固的铁电存储器，获得待加固的正常铁电存储器；

选取多个中子预辐照注量节点，并将多个所述待加固的正常铁电存储器按照所述中子预辐照注量节点个数分组；

将各组所述待加固的正常铁电存储器置于脉冲反应堆辐照通道内，所述反应堆稳态运行直至所述待加固的正常铁电存储器辐照至相应的中子注量节点，获得预辐照铁电存储器；

对所述预辐照铁电存储器进行感生放射性监测，直至所述预辐照铁电存储器感生放射性强度降低至安全阈值后取出所述预辐照铁电存储器，获得加固铁电存储器；

对所述加固铁电存储器进行功能验证和全参数测试，获得加固铁电存储器功能验证结果和加固铁电存储器全参数测试结果；

将所述功能验证结果、所述全参数测试结果与所述加固铁电存储器功能验证结果、加固铁电存储器全参数测试结果进行比较，取出性能退化的所述加固铁电存储器，获得正常加固铁电存储器；

将所述正常加固铁电存储器进行单粒子翻转测试，获得能够满足加固需求的最佳中子注量。

可选的，所述将所述正常加固铁电存储器进行单粒子翻转测试，获得能够满足加固需求的最佳中子注量。具体包括：

将所述正常加固铁电存储器在重离子加速器进行单粒子翻转实验；

将未经中子辐照的所述待加固的铁电存储器作为对照组，进行单粒子翻转实验；

在实验过程中统计翻转数、翻转数据及翻转地址，计算得到不同中子注量下所述正常加固铁电存储器和所述待加固的正常铁电存储器的单粒子翻转截面；

根据所述单粒子翻转截面，获得能够使所述单粒子翻转截面降低至最小值的最低中子注量。

为了实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种铁电存储器抗单粒子翻转加固系统，所述加固系统包括：

测试模块，用于对多个待加固的铁电存储器进行功能验证和全参数测试，获得功能验证结果和全参数测试结果；

刷选模块，用于根据功能验证结果和全参数测试结果选取多个性能正常的待加固的铁电存储器，获得待加固的正常铁电存储器；

分组模块，用于选取多个中子预辐照注量节点，并将多个所述待加固的正常铁电存储器按照所述中子预辐照注量节点个数分组；

预辐照模块，用于将各组所述待加固的正常铁电存储器置于脉冲反应堆辐照通道内，所述反应堆稳态运行直至所述待加固的正常铁电存储器辐照至相应的中子注量节点，获得预辐照铁电存储器；

放射模块，用于对所述预辐照铁电存储器进行感生放射性监测，直至所述预辐照铁电存储器感生放射性强度降低至安全阈值后取出所述预辐照铁电存储器，获得加固铁电存储器；

验证模块，用于对所述加固铁电存储器进行功能验证和全参数测试，获得加固铁电存储器功能验证结果和加固铁电存储器全参数测试结果；

比较模块，用于将所述功能验证结果、所述全参数测试结果与所述加固铁电存储器功能验证结果、加固铁电存储器全参数测试结果进行比较，取出性能退化的所述加固铁电存储器，获得正常加固铁电存储器；

翻转模块，用于将所述正常加固铁电存储器进行单粒子翻转测试，获得能够满足加固需求的最佳中子注量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法及系统，将所述正常加固铁电存储器进行单粒子翻转测试，获得能够满足加固需求的最佳中子注量，实现了在不改变铁电存储器的顶层设计和生产工艺条件，也不改变铁电存储器的封装以及工作时序的条件下，经过加固的铁电存储器能够直接用于替换未加固的铁电存储器，无需重新设计电路，节约了开发成本。

能够对基于cmos工艺的外围电路进行整体加固，无需定位单粒子翻转的敏感区，显著缩短了实验时间。

采用的是反应堆中子，注量率高，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。

使用中子进行辐照，少子寿命是半导体材料中变化最明显的参数，载流子浓度，迁移率受到的影响小。

中子引入的位移损伤可视为永久性损伤，适用于高可靠长寿命飞行器中的铁电存储器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的铁电存储器抗单粒子翻转加固方法流程示意图；

图2为本发明提供的铁电存储器翻转数随时间的累积；

图3为本发明提供的翻转与瞬态电流脉冲间的关系；

图4为本发明提供的铁电存储器抗单粒子翻转加固方法加固后的fm28v100铁电存储器芯片在激光微束装置上得到的单粒子翻转测试结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够提高铁电存储器的抗单粒子翻转能力的铁电存储器抗单粒子翻转加固方法及系统。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明原理为：

中子入射半导体材料后，通过碰撞过程将能量转移给靶原子，使其脱离点阵位置挤入点阵之间的空隙，形成弗伦克尔缺陷(frenkeldefect)。对半导体材料而言，位移缺陷提高了多子与少子的复合机率，导致少子寿命减小；同时缺陷将对多子产生俘获作用，使其无法参与导电，导致多子的浓度下降；载流子的迁移率也会受到缺陷的散射作用而显著降低。三者之中，位移损伤对少子寿命的影响最为显著，其次是多子浓度，最次为载流子迁移率。少子寿命与中子注量之间的关系可以表示为：

式中，τr为中子辐照后的少子寿命，φ为中子注量，kr为少子寿命损伤系数。少子寿命的降低将会使渡越过中性基区并被集电极收集的少数载流子数量减少，从而导致电流放大系数β降低，当寄生的纵向和横向晶体管的电流放大系数βv和βl的乘积βv·βl＜1时，将无法形成正反馈电流回路，从而使局部闭锁得到抑制。

如图1所示，一种铁电存储器抗单粒子翻转加固方法，所述加固方法包括：

对多个待加固的铁电存储器进行功能验证和全参数测试，获得功能验证结果和全参数测试结果；

根据功能验证结果和全参数测试结果选取多个性能正常的待加固的铁电存储器，获得待加固的正常铁电存储器；

选取多个中子预辐照注量节点，选取从0n/cm²～2×10¹⁴n/cm²之间的多个注量节点，并将多个所述待加固的正常铁电存储器按照所述中子预辐照注量节点个数分组；

将各组所述待加固的正常铁电存储器置于脉冲反应堆辐照通道内，所述反应堆稳态运行直至所述待加固的正常铁电存储器辐照至相应的中子注量节点，获得预辐照铁电存储器；

对所述预辐照铁电存储器进行感生放射性监测，直至所述预辐照铁电存储器感生放射性强度降低至安全阈值后取出所述预辐照铁电存储器，获得加固铁电存储器；

对所述加固铁电存储器进行功能验证和全参数测试，获得加固铁电存储器功能验证结果和加固铁电存储器全参数测试结果；

将所述功能验证结果、所述全参数测试结果与所述加固铁电存储器功能验证结果、加固铁电存储器全参数测试结果进行比较，取出性能退化的所述加固铁电存储器，获得正常加固铁电存储器；

如图2和图3所示，将所述正常加固铁电存储器进行单粒子翻转测试，获得能够满足加固需求的最佳中子注量。

图4为发明人在脉冲激光单粒子效应模拟装置上开展的针对1mb铁电存储器fm28v100的加固效果评估结果，受实验机时限制，仅对中子注量为1×10¹³n/cm²、5×10¹³n/cm²以及未经中子辐照的样品进行了评估。可见经过中子预辐照的芯片的翻转截面显著降低，且中子注量为5×10¹³n/cm²的芯片截面最低，加固效果最佳。此外，当中子注量达到5×10¹³n/cm^-2时，单粒子翻转的能量阈值提高至0.2nj，而其他两种条件下的能量阈值皆低于0.1nj，随中子注量提高，铁电存储器的翻转阈值提高。根据式(1)，少子寿命随中子注量增加单调降低，因此还需增加中子注量以进一步确定最佳注量。

表1为发明人在hi-13串列加速器上开展的针对4mb铁电存储器fm22l16的加固效果评估结果。受机时限制，仅对中子注量为2×10¹⁴n/cm²的样品进行了实验以验证本发明的加固方法的有效性。实验选用的入射离子为¹²⁷i，let值65.6mev·cm²·mg^-1。结果表明，经过中子预辐照后，样品芯片的单粒子位翻转截面从9.5×10^-11cm²降低至2.3×10^-11cm²。

表1

本发明提出的方法能够使商用铁电存储器的单粒子翻转截面显著降低。

所述将所述正常加固铁电存储器进行单粒子翻转测试，获得能够满足加固需求的最佳中子注量具体包括：

将所述正常加固铁电存储器在重离子加速器进行单粒子翻转实验；

将未经中子辐照的所述待加固的铁电存储器作为对照组，进行单粒子翻转实验；

在实验过程中统计翻转数、翻转数据及翻转地址，计算得到不同中子注量下所述正常加固铁电存储器和所述待加固的正常铁电存储器的单粒子翻转截面；

根据所述单粒子翻转截面，获得能够使所述单粒子翻转截面降低至最小值的最低中子注量。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。

脉冲激光单粒子翻转截面可通过如下公式计算：

其中：σl为脉冲激光单粒子翻转截面；n为翻转数；s为扫描面积；m为扫描面积内的脉冲数。

重离子单粒子翻转截面可通过如下公式计算：

其中n为单粒子翻转数；f为重离子注量；θ为入射角。本实验中重离子皆为垂直入射，即θ＝0°。因此翻转截面

为了实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种铁电存储器抗单粒子翻转加固系统，所述加固系统包括：

测试模块，用于对多个待加固的铁电存储器进行功能验证和全参数测试，获得功能验证结果和全参数测试结果；

刷选模块，用于根据功能验证结果和全参数测试结果选取多个性能正常的待加固的铁电存储器，获得待加固的正常铁电存储器；

分组模块，用于选取多个中子预辐照注量节点，并将多个所述待加固的正常铁电存储器按照所述中子预辐照注量节点个数分组；

预辐照模块，用于将各组所述待加固的正常铁电存储器置于脉冲反应堆辐照通道内，所述反应堆稳态运行直至所述待加固的正常铁电存储器辐照至相应的中子注量节点，获得预辐照铁电存储器；

放射性监测模块，用于对所述预辐照铁电存储器进行感生放射性监测，直至所述预辐照铁电存储器感生放射性强度降低至安全阈值后取出所述预辐照铁电存储器，获得加固铁电存储器；

验证模块，用于对所述加固铁电存储器进行功能验证和全参数测试，获得加固铁电存储器功能验证结果和加固铁电存储器全参数测试结果；

比较模块，用于将所述功能验证结果、所述全参数测试结果与所述加固铁电存储器功能验证结果、加固铁电存储器全参数测试结果进行比较，取出性能退化的所述加固铁电存储器，获得正常加固铁电存储器；

翻转测试模块，用于将所述正常加固铁电存储器进行单粒子翻转测试，获得能够满足加固需求的最佳中子注量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。