CC BY
131
ОРЛОВ1 Андрей Александрович; УЛАНОВА2 Анастасия Владиславовна, к.т.н.; БОРУЗДИНА3 Анна Борисовна
ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ МИКРОСХЕМ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Рассматривается, динамика развития, энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств (FRAM). Приведены. результаты, радиационных исследований зарубежных образцов FRAM при импульсном, и дозовом воздействиях. Экспериментально подтверждено предположение о том, что уровень радиационной стойкости FRAM определяется, стойкостью КМОП периферии.
Ключевые слова: сегнетоэлектрическое оперативно-запоминающее устройство, FRAM, сегнетоактивная керамика типа PZT, радиационная, стойкость, импульсное и стационарное излучения.
Development of nonvolatile ferroelectric memories (FeRAM) is considered. The results of FeRAM transient and total dose irradiation behavior are represented. It was experimentally shown that the FeRAM radiation hardness is defined, by underlying CMOS. Keywords: Ferroelectric memory, ferroelectric random-access memory, piezoelectric ceramic PZT, radiation hardness, transient and total dose radiation.
В настоящее время можно наблюдать возросший интерес разработчиков аппаратуры к запоминающим устройствам (ЗУ) на основе сегнетоэлектрических материалов. Под «фер-роэлектрической памятью» понимаются энергонезависимые сегнетоэлек-трические ЗУ с произвольной выборкой (FRAM — Ferroelectric RAM). Микросхемы FRAM выпускаются компанией Ramtron и рядом ведущих иностранных фирм: Texas Instruments,
Rohm, Fujitsu, Toshiba, Samsung, Hitachi, NEC, Asahi Chemical, Infineon. Количество современных и перспективных отечественных образцов аппаратуры, в которых применяются FRAM, постоянно увеличивается. В частности, они используются в блоке определения пространственной ориентации изделий в инерциальной геоцентрической системе координат звезд, в аппаратуре радионавигации, в блоке управления системой наведения антенн, в комплексе автоматики и стабилизации, командно-измерительной системе, бортовом информационно-вычислительном комплексе, аппаратуре дальномерно-доплеровской системы, аппаратуре сбора и передачи специальной информации, бортовом синхронизирующем устройстве.
По информации фирм — изготовителей и поставщиков FRAM их можно
отнести к высоконадежным компонентам по устойчивости к внешним воздействующим факторам. Так в
[1] указывается, что разработанные FRAM «отвечают всем требованиям по различным видам вооружения». Однако данные по радиационным исследованиям и испытаниям FRAM в иностранной литературе представлены недостаточно полно и касаются стойкости к отдельным ядерным частицам [1], а в отечественных публикациях практически отсутствуют, что требует проведения дополнительных исследований.
Основные этапы развития и принцип работы FRAM
Стимулом для разработки новой энергонезависимой памяти в 1980-х годах послужила необходимость создания конкурентно-способных микросхем, т.е. энергонезависимых схем со свойствами оперативных запоминающих устройств (ОЗУ). Данное развитие стало возможно благодаря известным физическим свойствам сегнетоэлектриков и успехам, полученным при создании традиционных ЗУ на основе полупроводниковой технологии.
Основные этапы развития FRAM приведены в табл. 1.
Основным материалом для элементов FRAM — сегнетоэлектрических транзисторов (ferroelectric transistor) и конденсаторов (ferroelectric capacitor)
— являются смешанные полиметаллические оксиды, спекаемые в сегне-тоактивные керамики. Наиболее распространенным является семейство PZT (Perovskite lead zirconate titanate) с общей формулой Pb(ZrxTi1-x)O3. Сег-нетоэлектрики, используемые при создании конденсаторных элементов FRAM, представляют собой особую группу кристаллических диэлектриков, обладающих в отсутствии внешнего электрического поля в определенном интервале температур и давлений спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, направление которой может быть изменено электрическим полем. Принцип работы FRAM заключается в следующем [3 — 5]. При приложении электрического поля к сегнетоэлектри-ческому кристаллу центральный атом движется в направлении поля. Перемещение атома в пределах кристалла сопровождается затратами энергии на преодоление потенциального барьера, результатом чего является спонтанная поляризация кристалла. Схема управления накопителем позволяет определить величину заряда и состояние ячейки памяти (ЯП). После исчезновения
1 — начальник отдела филиала ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России»;2 - старший научный сотрудник ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»; 3 — инженер ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
16.01.2012 13:26:53
Таблица 1. Основные этапы развития FRAM [2]
Год Событие
1984 Открытие материала перовскита. Фирма RAMTRON (США) приступила к разработке технологии производства ЗУ типа FRAM
1989 Введена в эксплуатацию первая фабрика для производства FRAM
1992 RAMTRON получен работающий образец FRAM при использовании титаната свинца PZT (Perovskite lead Zirconate Titanate) с общей формулой Pb(ZrxTi1-x)O3
1992 Разработки отечественных экспериментальных FRAM (ОАО «НИИМЭ и Микрон)
1992-1993 RAMTRON освоено производство 4 Кб FRAM с архитектурой 2Т-2С
1993-2001 Плоскостная архитектура ячеек памяти 2Т-2С
1993-1997 RAMTRON освоено производство 16-64 Кб FRAM (нормы 1 мкм)
1998-1999 RAMTRON выданы лицензии на производство FRAM 256 Кб компаниям Rohm (1 мкм) и Fujitsu (0,5 мкм)
2001 RAMTRON освоено производство FRAM 1 Мб с технологическими нормами 0,35 мкм. RAMTRON перешла от структуры ЯП 2T-2C к структуре ЯП 1Т-1С
2001-2006 Плоскостная архитектура ЯП 1Т-1С
2004-2006 Иностранные образцы FRAM с технологическими нормами 0,18 мкм
2006 Иностранные образцы FRAM с технологическими нормами 0,13 мкм
2006 Ярусная архитектура (Stacked) ЯП 1Т-1С
2004-2009 RAMTRON освоено производство FRAM 4-8 Мб с технологическими нормами 0,18-0,13 мкм
2009 TOSHIBA на конференции ISSCC 2009 (International Solid-State Circuits Conference, Международной конференции, посвященной новейшим разработкам в областях твердотельных схем и систем на кристалле), представила высокоскоростную 128 Мб FRAM с высокой плотностью компоновки. В новых чипах, построенных по 0,13 мкм технологии, единичные ячейки памяти имеют площадь 0,252 мкм2, скорость записи-чтения составляет 1,6 Гб/с, время цикла — 83 нс, время доступа — 43 нс
2009-2010 Fujitsu Laboratories и Fujitsu Limited совместно с Токийским технологическим институтом на основе модифицированного композита феррита висмута (BiFeO3, или BFO) при технологических нормах 0,065 мкм разработали 256 Мб FRAM
2010 Серийно освоена архитектура (3D) ЯП 1Т-1С с возможностью построения FRAM 16-32 Мб, время выборки 90 нс
поля центральный атом остается в том же положении, определяя состояние ЯП. FRAM не нуждается в регенерации и после отключения питания сохраняет свое содержимое.
По энергетическому значению состояния «0» и «1» далеко разнесены, что
позволяет произвести их однозначную идентификацию. При чтении из ЯП прикладывается электрическое поле и измеряется энергия, затрачиваемая на изменение поляризации. Наличие или отсутствие затрат энергии оценивается как двоичная информация. В процессе
чтения происходит разрушение информации, поэтому вслед за чтением автоматически включается цикл регенерации. Время восстановления состояния ячейки памяти составляет менее 100 нс. Этот механизм существенно отличается от используемой в других типах энергонезависимой памяти технологии плавающего затвора. Для записи в ячейку EEPROM требуются единицы миллисекунд, а время записи в ячейку FRAM составляет менее 150 нс. На определение поляризации при чтении или изменение при записи в ячейку FRAM требуется около 1 нс, при меньших мощностях по сравнению с ОЗУ.
На данный момент имеется большое количество всевозможнейших комбинаций основных элементов, из которых строится ячейка памяти, — сегнетоэ-лектрических транзистора и конденсатора. Но при рассмотрении этих комбинаций можно выявить 4 основных типа, которые являются базовыми, все остальные типы ячеек FRAM являются лишь их комбинациями. Это однотранзисторная ячейка 1Т FRAM, одноконденсаторная ячейка 1С FRAM, называемая еще SFRAM (statically read, non-volatile, ferroelectric random access memory), наиболее распространенная транзисторно-конденсаторная ячейка 1Т-1С [2] и наиболее стабильная из всех вышеперечисленных двойная ячейка 2T-2C FRAM [6].
В настоящее время благодаря совместным разработкам компаний Toshiba и Infineon Technologies AG в серийно изготавливаемых за рубежом микросхемах FRAM используются в основном ячейки памяти типа 1T-1C [2], т.к. они более компактны и позволяют спроектировать схемы большей информационной емкости. Этот тип FRAM очень близок по структуре к обычному динамическому запоминающему устройству (DRAM). Основное отличие от DRAM состоит в наличии сегнетоэлектричес-кого конденсатора и в способе подключения ячейки к общей структуре. Конструкции ячеек 1Т-1С FRAM показаны на рис. 1. Основным элементом в структуре 1Т-1С, отвечающим за запись данных, является конденсатор. Запись происходит после открытия транзистора. Следовательно, имеется некая временная константа, включающая время срабатывания транзистора плюс время поляризации конденсатора. Именно эта
SPEC_2011_SPT-1.indd 53
а
верхним электрод-тонкая Fe-пластина-нижний электрод -
стандартные
КМОП-слои
w \ металл /
Si02
^/истоку Усток \ карман р- или п-типа
Si-подложка
Si02
/
./
б
сегнетоэлектрик
йй
барьерный слой
МОП-затвор
Рис. 1. Конструкции ячеек 1Т-1С FRAM: планарная конструкция (а) и вертикальная конструкция ячейки (б)
константа определяет скорость работы FRAM ЗУ. Естественно, что для каждого сегнетоэлектрика эта константа будет разной, следовательно, главной задачей исследователей на ближайшее время будет поиск материалов и легирующих добавок, для которых эта временная константа будет наименьшей.
Однако конструкция ячеек 1Т-1С FRAM обладает одним очень существенным недостатком — на шине записи-считывания (в литературе встречается сокращение BL [7]) при считывании формируется слабый недифференциальный информационный сигнал. Обработка такого сигнала требует построения достаточно сложной схемы формирования опорного сигнала и усилителей считывания. Схемы такого типа обладают низкой помехозащищенностью, и возможность их применения в технике специального назначения ограничена. Другой проблемой при проектировании сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти является взаимное влияние
друг на друга различных ячеек в массиве при срабатывании общей шины управления нижними обкладками сег-нетоэлектрических конденсаторов (в литературе встречается сокращение PL [7]). Необходимо также отметить, что использование ячеек памяти типа 1Т-1С требует применения высококачественных сегнетоэлектрических материалов, обладающих стабильными электрофизическими параметрами, и стабильных параметров всех остальных структур кристалла [8].
Поэтому в микросхемах, предназначенных для использования в аппаратуре специального назначения, можно рекомендовать использование ячеек памяти с двумя сегнетоэлектрическими элементами. У данного типа памяти элементарная ячейка представляет собой сдвоенные ячейки 1Т-1С типа. Ячейка такого типа, в которой каждому биту соответствует индивидуальный опорный бит, позволяет определять разницу зарядов с высокой точностью. А благо-
Рис. 2. Электрическая схема ячейки 2Т-2С FRAM
даря считыванию дифференциального сигнала ячейки исключается влияние разброса параметров конденсаторов ячеек [5]. Электрическая схема ячейки 2Т-2С представлена на рис. 2.
В данной конструкции ячейка 2T-2C подключена к управляющей линии (словарная шина) и линии управления поляризацией (общая шина), но линия данных разделена на две раздельные линии (разрядная и дополнительная разрядная шины), соответственно запись-чтение на сегнетоэлектрические конденсаторы производится раздельно. Данные, записываемые в эти два конденсатора, дублируются, что приводит к увеличению надежности хранения данных.
Помимо конденсаторов присутствует усилитель, необходимый для считывания данных из ячейки 2T-2C. Усилитель и две структуры 1T-1C увеличивают размер ячейки 2T-2C по сравнению с 1T-1C. Крупнейшим фирмам-производителям, занимающимся разработкой и производством данного типа памяти, таким как NEC, Matsushita и Fujitsu, не удалось пока получить чипы с объемом информации свыше 1 Мб, в то время как для 1Т-1С структуры созданы уже промышленно выпускаемые чипы с емкостью свыше 32 Мб.
Основным преимуществом памяти 2T-2C FRAM является высокая надежность. Ячейка устойчива к воздействию магнитных и электромагнитных полей, не теряет информацию под действием ионизирующих излучений [2]. На основе таких ЯП в ОАО «Ангстрем» в 2009 г. сделана попытка реализовать FRAM емкостью 256 бит. Стоит отме-
: 1) СЬ2:200 mVolt 250 ns
б
г
Рис. 3. Типичные осциллограммы импульсной реакции выходных напряжений низкого (а, б) и высокого (в, г) логических уровней FRAM 2 при уровне импульсного воздействия 7,0х109 ед/с (а, в) и 1,0х10‘0 ед/с (б, г)
к
CJ
vë іл'
<D О
0 S 3 g
g s s a
p и
cd <ü
10“
io5
104
103
102
101-
10°
10J
10':
10'
★
★
№ 1FRAM 1 № 2FRAM 1 № 3FRAM 1
№ 1FRAM 2 № 2FRAM 2 № 3FRAM 2
№ 1КМОП ОЗУ № 2 ІСМОП ОЗУ
♦
♦
о 9
104 D’ед 105 Рис. 4. Изменения тока потребления в режиме хранения FRAM 1, FRAM 2 и КМОП ОЗУ 256 К при стационарном воздействии. Среднее значение начального тока ICCS составляет: для FRAM 1 - 3,4 мкА, для FRAM 2 - 0,4 мкА, для КМОП ОЗУ 256К - 10 мкА
тить, что полученная емкость данного FRAM накопителя является недостаточной для применения в перспективной аппаратуре.
С учетом интереса разработчиков аппаратуры к запоминающим устройствам на основе сегнетоэлектрических материалов необходимо проведение исследований радиационной стойкости данных типов памяти при импульсных и дозовых воздействиях.
Результаты исследований FRAm при радиационных воздействиях
Целью исследований являлись оценка уровней стойкости и определение характера деградации основных парамет-
ров микросхем FRAM при импульсном и дозовом воздействиях ионизующих излучений.
Объектом исследований являлись микросхемы FRAM информационной емкостью 256 Кбит (организация 32К*8 бит): FRAM 1 - FM18L08-70-SG (фирма Ramtron) и FRAM 2 — MB85R256H (фирма Fujitsu Semiconductor). Контролируемыми в процессе исследований параметрами являлись: выходные напряжения логических нуля (UOL) и единицы (UOH), токи потребления в режиме хранения (Ices), функционирование, тиристорный эффект (ТЭ) и катастрофические отказы (КО). Исследования проводились на лазерном («РАДОН-5» [9, 10]) и рентгеновском («РЕИМ» [9, 11]) имитаторах с калибровкой уровней воз-
действия на моделирующих установках «АРСА» и «У-31/33» соответственно. Контроль работоспособности микросхем и измерение электрических параметров осуществлялись с использованием специализированного аппаратного комплекса фирмы National Instruments, основу которого составляла измерительная модульная платформа PXI-1033 в составе FPGA модуля PXI-7953R. Управление осуществлялось посредством виртуального прибора, разработанного с использованием программного обеспечения LabView.
В результате исследований установлено, что для FRAM 1 и FRAM 2 КО, ТЭ и сбоев информации в накопителе не наблюдалось при уровнях импульсных воздействий вплоть до 7,5*10“ рад^)/с. Сбои наблюдались при контроле выходного напряжения в режиме статического считывания из ячейки при импульсном ионизирующем воздействии. Сбои выражались в переключении выходного уровня в противоположное состояние (рис. 3). Уровень бессбойной работы составил 7,0*109ед/с. Повторное считывание без перезаписи ячейки приводило к восстановлению информации и верному считыванию, что может свидетельствовать о сбое в выходных КМОП-каскадах усилителя считывания, а не в накопителе.
Таким образом, можно предположить, что при импульсном ионизирующем воздействии накопитель не сбивается, сбои наблюдаются в усилителе считывания.
Уровень функционального отказа (УФО) при дозовом воздействии составил: для FRAM 1 — 4,8*104 ед, для FRAM 2 - 1,8*104 ед.
В ходе проведения функционального контроля применялись линейные алгоритмы типа «Марш» сложностью 10N и выше, которые в сочетании с алгоритмами меньшей сложности («Шахматы» и пр.) позволяли выявлять ошибки в периферийных схемах и оценить их вклад в общее число отказов. В результате было выявлено, что наблюдавшиеся ошибки связаны с отказом КМОП периферии.
В работе [10] установлено, что для образцов FRAM FM1608 и FM1808 при поглощенной дозе 12,5 крад (Si) наблюдаются частичные ошибки в считывании с полной потерей функционирования при воздействии 25 крад^Ц. Испытания проводились на гамма-установке Co-60.
SPEC_2011_SPT-1.indd 55
Выходные уровни и динамический ток потребления в процессе дозового воздействия изменялись слабо. Наиболее чувствительным параметром при дозо-вом воздействии является статический ток потребления в режиме хранения, его изменения в процессе воздействия отражены на рис. 4. Там же для сравнения приведены аналогичные зависимости для КМОП ОЗУ 256 Кбит.
Таким образом, уровень радиационной стойкости FRAM к импульсному ионизирующему излучению не выше, а к дозовому воздействию даже ниже, чем стойкость ОЗУ, выполненной по стандартной КМОП технологии. Данное обстоятельство предположительно может быть связано с тем, что радиационная стойкость FRAM определяется стойкостью КМОП периферии
[2]. Для повышения уровня стойкости можно рекомендовать применение технологии изготовления КМОП элементов FRAM по радиационно-стойкому КМОП технологическому процес-
су или на КНС/КНИ технологических базисах [13].
Заключение
Микросхемы FRAM позволяют в настоящее время рассматривать их как эффективное решение для применения в качестве энергонезависимого запоминающего устройства в современных и перспективных образцах аппаратуры. Зарубежная технология изготовления FRAM позволяет получать образцы с информационной емкостью 16 — 32 Мб с временем выборки 90 нс по технологическим нормам не более 0,18 мкм. Отечественные образцы FRAM, освоенные в серийном производстве, отсутствуют. В микросхемах, предназначенных для использования в аппаратуре специального назначения, можно рекомендовать использование FRAM с помехозащищенными ячейками памяти с двумя сегнетоэлектрическими элементами типа 2Т-2С. Для FRAM (1Т-1С),
изготовленных по стандартному КМОП технологическому процессу, уровень импульсной радиационной стойкости составляет не более 1010 рад(Я1)/с (наблюдаются сбои в периферии, накопитель не сбивается до уровня не менее 1011 рад(Я1)/с). Отсутствие стирания информации из накопителя позволяет использовать FRAM как стойкое ядро при импульсных ионизирующих излучениях вместо схем ОЗУ по технологии КНИ/КНС. Дозовая стойкость исследованных образцов FRAM фирмы Ramtron не превышает 15 — 50 крад(ЯЦ и также определяется отказами в периферийных КМОП-элементах. Для повышения уровня стойкости можно рекомендовать применение технологии изготовления КМОП-элементов FRAM по радиационно стойкому КМОП технологическому процессу или на КНС/ КНИ технологических базисах. Исследования проведены при частичной поддержке ФЦП «Кадры», ГК № П1101И
Литература
1. George C. Messenger and Floyd N. Coppage R&D «Associates Ferroelectric memories: a possible answer to the hardened nonvolatile question»./ IEEE Transactions on Nuclear Science, December 1988. - Vol. 35. - No. 6.
2. Http://www.ramtron.com.
3. Добрусенко С. Элементная, база электроники. Сегнетоэлектрические ОЗУ фирмы. Ramtron. Быстроразвивающаяся ЭНП./ Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2003. - № 4.
4. Вихарев Л. Перспективные технологии производства памяти. Современное состояние./ Компоненты, и технологии, 2006. — № 12.
5. Зайцев И. Что же с памятью FRAM стало?/ Компоненты и технологии, 2007. - № 8.
6. Ali Sheikholeslami, MEMBER, IEEE, AND P. Glenn Gulak, SENIOR MEMBER, IEEE. PROCEEDINGS OF THE IEEE. A Survey of Circuit Innovations in Ferroelectric Random-Access Memories. ^. 5, MAY 2000.
7. Такиев А. Будущие технологии памяти: FeRAM изнутри. /3D News, 2003. - № 2.
8. Воротилов К.А., Сигов А.С. Сегнетоэлектрические запоминающие устройства технологии и материалы../ Нано- и мик-росистемная техника, 2008 - № 10. - С. 30 - 42.
9. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты, в интегральных схемах. — М.: Энерго-атомиздат, 1989. - 256 с.
10. Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Физические основы, лазерного имитационного моделирования, объемных ионизационных эффектов в полупроводниковых приборах и ИС: нелинейная, модель./ Микроэлектроника, 2006. — Т. 35. — № 3. — С. 164 — 177.
11. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. - М.: Радио и связь, 1994. - 164 с.
12. TID Testing of Ferroelectric Nonvolatile RAM, D. N. Nguyen, and L. Z. Scheick, 2000 Proceedings of the IEEE, May 2000. - Vol. 88.
- No. 5. - PP. 667 — 689.
13. Давыдов Г.Г., Согоян А.В., Никифоров А.Ю., Киргизова А.В., Петров А.Г., Седаков А.Ю., Яшанин И.Б. Методика оперативного неразрушающего контроля дозовой стойкости КМОП БИС на КНС структурах./ Микроэлектроника, 2008.
— Том. 37. — № 1. — С. 67 — 77.
14. http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/13434/1/01-2372.pdf.
