铁电存储器单粒子效应关键影响因素研究

摘要

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。此外，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。铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)是一种新型非挥发性存储器，具有高读/写耐久性、高速烧写及超低功耗等多种优点，且铁电薄膜具有较好的抗辐射能力，非常适合在空间环境中使用。目前，国外多家研究机构已开展了大量铁电存储器的单粒子效应地面模拟和星载试验，但国内相关的研究鲜有报道。针对以上现状，本文从铁电存储器单粒子敏感区定位和不同频率、温度及辐射环境等影响因素作用下单粒子敏感性变化等方面开展了研究，内容包括：
　　1.利用脉冲激光单粒子模拟装置获取了铁电存储器各功能模块单粒子锁定阈值能量和锁定截面曲线。结果表明同一器件不同模块间锁定敏感性有巨大差异。同时分析了静态和动态模式下锁定引发数据翻转的情况，发现动态模式下的翻转截面大于静态模式。
　　2.提出了一种脉冲激光实验背辐照定位方法，在没有红外成像系统的条件下实现了器件正面待测区域的背部定位，形成了背部敏感节点到正面版图的映射。进一步采用脉冲激光装置开展了铁电存储器背辐照实验，分析了被测器件翻转截面的频率依赖特性，认为单个读出周期内使能信号有效时间对翻转敏感性有重要影响。同时对比了不同使能信号占空比下被测器件的翻转截面，验证了实验结论。
　　3.开展了不同温度下铁电存储器的单粒子翻转和锁定实验。给出了存储单元和外围电路翻转敏感性与温度的关系。分析认为温度对外围电路翻转的影响集中在阈值能量附近，而对存储单元翻转的影响应归因于铁电电容剩余极化和矫顽电场的变化。同时给出了各功能模块锁定阈值和锁定截面与温度的关系，分析认为阱区电阻率随温度升高是造成锁定阈值降低和非饱和区锁定截面增大的主要因素，而饱和锁定截面增大是由非注入节点的电荷扩散收集导致的灵敏体积扩展导致。
　　4.利用60Co源、209Bi离子和脉冲激光分析了铁电存储器在不同累积剂量下的单粒子翻转敏感性。发现随累积剂量和测试图形不同，被测器件翻转截面有不同的变化趋势。分析认为无偏状态下电离辐射导致的外围电路性能退化十分微弱，单粒子翻转敏感性的变化主要归因于电离辐射导致的铁电电容的类疲劳和类印记现象。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 铁电存储器单粒子效应的研究现状

1.3 创新点及论文结构安排

第2章 铁电存储器功能模块单粒子锁定敏感性研究

2.1 实验条件

2.2 实验样品及功能模块划分

2.3 实验结果

2.4 本章小结

第3章 工作频率对铁电存储器单粒子翻转的影响研究

3.1 脉冲激光微束单粒子背辐照实验方法研究

3.2 工作频率对铁电存储器单粒子翻转的影响

3.3 本章小结

第4章 温度对铁电存储器单粒子效应的影响研究

4.1 被测器件温度控制系统

4.2 温度对铁电存储器单粒子翻转的影响研究

4.3 温度对铁电存储器单粒子锁定的影响研究

4.4 本章小结

第5章 累积剂量对铁电存储器单粒子翻转的影响研究

5.1 实验方法

5.2 实验结果

5.3 机理分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文与研究成果