專利名稱：半導(dǎo)體存儲器的加速試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過溫度加速來評價使用了強電介質(zhì)薄膜作為存儲單元的半導(dǎo)體存儲器的信息保持壽命時間的加速試驗方法。
為了在限定的時間內(nèi)評價在某種使用條件下的半導(dǎo)體存儲器的壽命，一般來說使用所謂加速試驗方法，在該方法中，提供超過該使用條件的工作電壓或溫度條件來進行壽命試驗。特別是在非易失性存儲器的信息保持壽命時間或金屬接合部分的性能變壞的壽命時間等未施加工作電壓的狀態(tài)的加速試驗中，溫度加速是有效的。
通常在這種溫度加速試驗中，在將加速溫度T2下的壽命時間設(shè)為t2、在使用溫度T1下的壽命時間設(shè)為t1時，使用加速系數(shù)K，由下面的(1)式來表示t1與t2的關(guān)系t1＝Kt2……(1)其中，使用決定壽命的活化能量Ea，由下面的(2)式給出加速系數(shù)KK＝exp(Ea/k×(1/T1-1/T2))式中，T2＞T1……(2)其中，k是玻爾茲曼常數(shù)，活化能量Ea由有關(guān)壽命對于溫度的依存性的實驗求出。例如，在對表示壽命的對數(shù)與溫度的倒數(shù)的實驗結(jié)果作圖時得到的回歸直線的斜率是活化能量Ea。這一點是基于這樣的假設(shè)支配壽命的反應(yīng)的產(chǎn)生幾率服從玻爾茲曼分布。如給出2個溫度T1、T2，則從上述式(2)可直接求出加速系數(shù)K。
此外，與時間一起減少的物理量I可用溫度與時間的函數(shù)來表示。如圖7所示，減少的物理量I的對數(shù)logI對于時間t以直線方式變化，變化的斜率根據(jù)溫度T1、T2的不同而不同。例如，物理量I從I0到I’所需要的時間在溫度T1的條件下是t1’，在溫度T2的條件下是t2’。此時，t1’與t2’的關(guān)系使用加速系數(shù)K，由式(1)來表示。
同樣，如設(shè)物理量I從I’減少到I”，則可知t1”與t2”的關(guān)系還是使用相同的加速系數(shù)K，由式(1)來表示。即，與物理量的減少速度無關(guān)，t1與t2對于溫度T1、T2的關(guān)系可使用一個加速系數(shù)K，由式(1)來表示。因而，即使壽命對應(yīng)于物理量的某個值沒有進行明確的定義，但如只在由加速系數(shù)K計算的加速時間t2內(nèi)施加由加速溫度T2產(chǎn)生的應(yīng)激狀態(tài)(stress)，則可在使用溫度T1下給出需要使用時間t1的應(yīng)激狀態(tài)。
但是，如永久磁鐵的矯頑力或非易失性存儲器的保持電荷那樣，在減少的物理量對于時間的對數(shù)以線性方式減少的情況下，時間t1與t2對于溫度T1、T2的關(guān)系已經(jīng)不能使用上述的加速系數(shù)K，由式(1)、式(2)來表示。關(guān)于這一點，用圖8進一步進行說明。
如圖(8)所示，如將減少的物理量I取為縱軸，將時間t的對數(shù)取為橫軸，則I與logt的關(guān)系為直線，對于溫度T1、T2，直線的斜率不同。從圖8可知，與I的減少速度無關(guān)，以m作為比例系數(shù)由下面的關(guān)系式(3)來表示t1與t2m×logt2＝log t1……(3)因而，t1’與t2’的關(guān)系由下面的(4)式，t1’＝t2’m……(4)變?yōu)閠1’/t2’＝t2’m-1，t1”與t2”的關(guān)系也變?yōu)閠1”/t2”＝t2”m-1。由于t2’≠t2”，故加速系數(shù)K根據(jù)給出在某個加速條件下的應(yīng)激狀態(tài)的時間而變化。因而，此時只對于壽命或按照壽命而減少的作為目標(biāo)的物理量的某個值，可通過計算t1與t2的對數(shù)比來求出。
非易失性存儲器中的信息、即邏輯狀態(tài)的讀出，通過用讀出放大器對因存儲單元中保存的電荷移到位線上的結(jié)果而產(chǎn)生的位線的電壓與基準(zhǔn)電壓進行差分放大來進行。此時，明確地決定不能進行邏輯狀態(tài)的識別的那種位線電壓與基準(zhǔn)電壓的差(存儲窗口memory window)是困難的。因此，不能從所希望的使用溫度T1下的必要的應(yīng)激(stress)時間t1來計算在加速溫度T2下的應(yīng)激時間t2，故進行立足于能信賴的減少模型的加速試驗是困難的。
本發(fā)明的目的在于解決上述的那種現(xiàn)有的問題，在減少的物理量相對于時間的對數(shù)以線性方式減少的情況下，使計算相當(dāng)于所希望的使用溫度T1下的應(yīng)激時間t1的加速溫度T2下的應(yīng)激時間t2成為可能，提供一種立足于能信賴的減少模型的半導(dǎo)體存儲器的加速試驗方法。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲器的加速試驗方法中，求出在某個溫度T1(K)下的信息保持壽命時間t1(小時)等于在另一個溫度條件T2(K)下的信息保持壽命時間t2(小時)的乘冪的關(guān)系式t1＝t2m，而且，用溫度的函數(shù)表示冪指數(shù)m。根據(jù)該關(guān)系式從在某個溫度T1下的信息保持壽命時間t1來推斷在另一個溫度條件T2下的信息保持壽命時間t2。
較理想的是，將冪指數(shù)m作為與玻爾茲曼常數(shù)成比例的溫度的函數(shù)來表示。根據(jù)該關(guān)系式，即使壽命對應(yīng)于減少的物理量的某個值沒有進行明確的定義，但如給出某個溫度條件和另一個預(yù)定的溫度條件，也可計算冪指數(shù)。結(jié)果，可計算相當(dāng)于預(yù)定的溫度條件下的應(yīng)激時間的加速溫度條件下的應(yīng)激時間，使基于乘冪規(guī)則的模型的加速試驗成為可能。
更理想的是，從不同的溫度加速條件下物理量對于時間的對數(shù)以線性方式變化時的斜率決定玻爾茲曼常數(shù)中的活化能量Ea。然后，在將玻爾茲曼常數(shù)設(shè)為k、T2＞T1時，冪指數(shù)m用下面的關(guān)系式來表示m＝exp(Ea/k×(1/T1-1/T2))通過使用該關(guān)系式求出的冪指數(shù)m，可從某個溫度T1下的信息保持壽命時間t1計算在另一個溫度T2下的信息保持壽命時間t2。
圖1A是表示本發(fā)明中使用的強電介質(zhì)存儲電容器的滯后曲線中存儲邏輯狀態(tài)“0”的圖。
圖1B是表示與本發(fā)明有關(guān)的強電介質(zhì)存儲電容器的滯后曲線中存儲邏輯狀態(tài)“1”的圖。
圖2是表示與本發(fā)明有關(guān)的存儲單元的等效電路的圖。
圖3是以溫度作為參數(shù)，表示存儲窗口(memory window)隨時間的變化的圖。
圖4是表示圖3中的存儲窗口的變化斜率與溫度的關(guān)系的圖。
圖5是表示溫度T1、T2、T3下的保存試驗的結(jié)果的圖。
圖6是表示圖5中的存儲窗口的變化斜率與溫度的關(guān)系的圖。
圖7是以溫度作為參數(shù)，表示對于時間以直線方式減少的物理量的變化的圖。
圖8是以溫度作為參數(shù)，表示對于時間的對數(shù)以直線方式減少的物理量的變化的圖。
以下基于


本發(fā)明的實施例。首先，基于圖1A和1B示出的磁滯曲線說明本發(fā)明中使用的構(gòu)成非易失性存儲器的強電介質(zhì)電容器的工作。在這些圖中，1是強電介質(zhì)電容器的滯后曲線。
在室溫下對幾個強電介質(zhì)電容器加上預(yù)定的脈沖電壓，寫入圖1A中示出的“0”狀態(tài)，或圖1B中示出的“1”狀態(tài)。此時，將信息作為殘留電荷存儲于強電介質(zhì)電容器中，該邏輯狀態(tài)由殘留電荷的符號來決定。接著在幾秒后，對各個強電介質(zhì)電容器例如加上負(fù)的脈沖電壓，測定初始的殘留電荷。如用于測定殘留電荷的脈沖電壓的符號與信息寫入時的脈沖電壓的符號相同，則如圖1A所示，讀出非轉(zhuǎn)換(nonswitching)電荷Qmn，如符號相反，則如圖1B所示，讀出轉(zhuǎn)換(switching)電荷Qms。
這里，使用圖2說明轉(zhuǎn)換電荷Qms、非轉(zhuǎn)換電荷Qmn怎樣用于信息的狀態(tài)識別。圖2表示由2個晶體管、2個強電介質(zhì)電容器構(gòu)成的存儲單元的基本電路。在該圖中，11是強電介質(zhì)電容器，12是存取晶體管，13是位線，14是反位線，15是字線，16是單元板(cell plate)，17是讀出放大器。在該電路中，將邏輯狀態(tài)“1”寫入2個電容器11的中某一個，將邏輯狀態(tài)“0”寫入另一個。在該狀態(tài)下使位線13和反位線14的電位為零，對字線15加電壓，使存取晶體管12激活，接著如對單元板16加上脈沖電壓，則從處于邏輯狀態(tài)“1”的電容器可得到轉(zhuǎn)換電荷Qms，從處于邏輯狀態(tài)“0”的電容器可得到非轉(zhuǎn)換電荷Qmn。這些電荷的一方呈現(xiàn)在位線13上，另一方呈現(xiàn)在反位線14上。
此時，根據(jù)轉(zhuǎn)換Qms與非轉(zhuǎn)換電荷Qmn的電荷量之差，在位線13和反位線14之間產(chǎn)生電位差。該電位差一般為100mV左右，用讀出放大器17對該電位差進行差分放大，可將位線13和反位線14之間的電位差作為明確的邏輯狀態(tài)來識別。因而，在邏輯狀態(tài)的識別方面轉(zhuǎn)換電荷Qms與非轉(zhuǎn)換電荷Qmn的電荷量存在差別是重要的。將該電荷量之差Qms-Qmn稱為存儲窗口。
通過初始的讀出，殘留電荷的符號反轉(zhuǎn)時，再次加上脈沖電壓，返回到原來的符號。
其次，將測定了初始的殘留電荷的強電介質(zhì)電容器分成3個組，將其保存于保存溫度T1、T2和T3(T1＞T2＞T3)的恒溫槽中。經(jīng)過預(yù)定時間后從各個組取出強電介質(zhì)電容器的一部分，對其加上讀出脈沖電壓，測定轉(zhuǎn)換電荷、非轉(zhuǎn)換電荷。再者，在經(jīng)過某個時間的時刻將留下的強電介質(zhì)電容器的一部分取出，對其加上讀出脈沖電壓，測定轉(zhuǎn)換電荷、非轉(zhuǎn)換電荷。繼續(xù)該操作，直到所需的時間或次數(shù)，研究存儲窗口對于高溫保存時間的變化。
圖3表示將存儲窗口取為縱軸，將高溫保存時間(對數(shù)刻度)取為橫軸，在上述3個溫度條件下進行保存試驗的結(jié)果的例子。由此可知，在各個溫度條件下保存時，存儲窗口對于保存時間的對數(shù)大致以直線方式減少。此外，保存溫度越高，這些直線的斜率越大。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，該直線的斜率與玻爾茲曼因子exp(Ea/kT)成比例。其中，Ea是存儲窗口減少的活化能量，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。即如圖4所示，若在以斜率的對數(shù)為縱軸、以保存的絕對溫度的倒數(shù)為橫軸的坐標(biāo)中進行作圖，則可用直線來近似斜率的倒數(shù)與溫度的倒數(shù)的關(guān)系，可從該直線的斜率來計算活化能量Ea。
如求出活化能量Ea，則可通過下面的式(5)來計算圖3中的不同的保存溫度T2、T1下的直線的斜率的比值mm＝exp(Ea/k×(1/T1-1/T2))(式中，T2＞T1)…(5)通過該式(5)，如給出溫度T1和溫度T2，則可計算冪指數(shù)m，所以可按照式(4)來計算相當(dāng)于所希望的使用溫度T1下的應(yīng)激時間t1的加速溫度T2下的應(yīng)激時間t2，使基于乘冪規(guī)則的模型的加速試驗成為可能。
再有，在上述的實施例中將轉(zhuǎn)換電荷Qms與非轉(zhuǎn)換電荷Qmn的電荷量之差Qms-Qmn稱為存儲窗口，但將位線與反位線上出現(xiàn)的電壓之差作為存儲窗口也可得到相同的結(jié)果。
此外，在本實施例中以由具有2個晶體管和2個電容器構(gòu)成的存儲單元的強電介質(zhì)非易失性存儲器為例進行說明，但本發(fā)明的可適用的范圍不限于此。只要隨時間而減少的物理量(對應(yīng)于存儲功能的量)對于時間的對數(shù)以直線方式減少，則不管存儲單元怎樣構(gòu)成，只是物理量的減少的活化能量不同，使用按照與本實施例相同的順序求出的活化能量，基于乘冪規(guī)則的模型，可計算所希望的加速溫度下的試驗時間，或?qū)τ谒Ｍ脑囼灂r間的加速溫度。
其次，說明本發(fā)明的具體的實施例。作為采用本實施例的強電介質(zhì)電容器的強電介質(zhì)材料，使用SrBi2Ta2O9薄膜。電容器的大小約為5×5微米2。高溫保存試驗前的寫入電壓和殘留電荷的讀出電壓是3V。圖5中示出在T1是75℃(348K)、T2是125℃(398K)、T3是150℃(423K)下進行保存試驗時的試驗結(jié)果。圖6中示出從該圖的直線讀取的存儲窗口的斜率的對數(shù)與溫度的關(guān)系。從圖6的直線的斜率計算了活化能量Ea為0.19eV。在表1中示出使用該值從式(4)和式(5)求出相當(dāng)于T1＝75℃、t1＝10年的保存試驗的另一保存溫度T2下的冪指數(shù)m和試驗時間t2的結(jié)果。
表1T2(℃) m t2(小時)75 1.08.7×104(＝10年)100 1.53 1692125 2.21 175150 3.07 41如表1所示，例如，相當(dāng)于T1＝75℃、t1＝10年的保存試驗的T2＝150℃下的必要的保存時間t2只是41小時。
再有，即使使用基于本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲器的加速試驗方法進行數(shù)據(jù)處理并進行壽命推斷的程序和包含這種程序的試驗裝置，也可得到相同的效果。
如上所述，如采用本發(fā)明，即使非易失性存儲器的信息保存壽命對應(yīng)于保存電荷等的物理量的某個值沒有進行明確的定義，但如給出某個溫度T1和另一個預(yù)定的溫度T2，也可計算冪指數(shù)m。因而，如給出溫度T1下的應(yīng)激時間t1，則可計算加速溫度T2下的應(yīng)激時間t2，使基于乘冪規(guī)則的模型的加速試驗成為可能。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體存儲器的加速試驗方法，該方法在存儲單元中使用了強電介質(zhì)膜的半導(dǎo)體存儲器中記錄信息，通過溫度加速來評價在沒有供給電源的狀態(tài)下保持于該半導(dǎo)體存儲器中的信息保持壽命時間，其特征在于求出在某個溫度T1下的信息保持壽命時間t1與另一個溫度T2下的信息保持壽命時間t2的關(guān)系式，t1＝t2m；用溫度的函數(shù)表示冪指數(shù)m；基于該關(guān)系式從某個溫度T1下的信息保持壽命時間t1來計算另一個溫度T2下的信息保持壽命時間t2。
2.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲器的加速試驗方法，其特征在于將上述冪指數(shù)m作為與玻爾茲曼因子成比例的溫度的函數(shù)來表示。
3.權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體存儲器的加速試驗方法，其特征在于從在不同的溫度加速條件下物理量對于時間的對數(shù)以線性方式變化時的斜率決定上述上述玻爾茲曼因子中的活化能量Ea；在將玻爾茲曼常數(shù)設(shè)為k、T2＞T1時，上述冪指數(shù)m用下面的關(guān)系式來表示m＝exp(Ea/k×(1/T1-1/T2))。
全文摘要
在本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲器的加速試驗方法中,求出在某個溫度T
文檔編號G01R31/28GK1183647SQ9711962
公開日1998年6月3日 申請日期1997年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日
發(fā)明者田恭博, 中尾圭策, 井上敦雄, 吾妻正道, 藤井英治 申請人:松下電子工業(yè)株式會社