專利名稱：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的加速試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)溫度加速來(lái)評(píng)價(jià)使用了強(qiáng)電介質(zhì)薄膜作為存儲(chǔ)單元的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的信息保持壽命時(shí)間的加速試驗(yàn)方法。
為了在限定的時(shí)間內(nèi)評(píng)價(jià)在某種使用條件下的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的壽命，一般來(lái)說(shuō)使用所謂加速試驗(yàn)方法，在該方法中，提供超過(guò)該使用條件的工作電壓或溫度條件來(lái)進(jìn)行壽命試驗(yàn)。特別是在非易失性存儲(chǔ)器的信息保持壽命時(shí)間或金屬接合部分的性能變壞的壽命時(shí)間等未施加工作電壓的狀態(tài)的加速試驗(yàn)中，溫度加速是有效的。
通常在這種溫度加速試驗(yàn)中，在將加速溫度T2下的壽命時(shí)間設(shè)為t2、在使用溫度T1下的壽命時(shí)間設(shè)為t1時(shí)，使用加速系數(shù)K，由下面的(1)式來(lái)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(duì)于溫度的依存性的實(shí)驗(yàn)求出。例如，在對(duì)表示壽命的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作圖時(shí)得到的回歸直線的斜率是活化能量Ea。這一點(diǎn)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(gè)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(shí)間一起減少的物理量I可用溫度與時(shí)間的函數(shù)來(lái)表示。如圖7所示，減少的物理量I的對(duì)數(shù)logI對(duì)于時(shí)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(shí)間在溫度T1的條件下是t1’，在溫度T2的條件下是t2’。此時(shí)，t1’與t2’的關(guān)系使用加速系數(shù)K，由式(1)來(lái)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(lái)表示。即，與物理量的減少速度無(wú)關(guān)，t1與t2對(duì)于溫度T1、T2的關(guān)系可使用一個(gè)加速系數(shù)K，由式(1)來(lái)表示。因而，即使壽命對(duì)應(yīng)于物理量的某個(gè)值沒(méi)有進(jìn)行明確的定義，但如只在由加速系數(shù)K計(jì)算的加速時(shí)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(shí)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(chǔ)器的保持電荷那樣，在減少的物理量對(duì)于時(shí)間的對(duì)數(shù)以線性方式減少的情況下，時(shí)間t1與t2對(duì)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(lái)表示。關(guān)于這一點(diǎn)，用圖8進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明。
如圖(8)所示，如將減少的物理量I取為縱軸，將時(shí)間t的對(duì)數(shù)取為橫軸，則I與logt的關(guān)系為直線，對(duì)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(wú)關(guān)，以m作為比例系數(shù)由下面的關(guān)系式(3)來(lái)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(gè)加速條件下的應(yīng)激狀態(tài)的時(shí)間而變化。因而，此時(shí)只對(duì)于壽命或按照壽命而減少的作為目標(biāo)的物理量的某個(gè)值，可通過(guò)計(jì)算t1與t2的對(duì)數(shù)比來(lái)求出。
非易失性存儲(chǔ)器中的信息、即邏輯狀態(tài)的讀出，通過(guò)用讀出放大器對(duì)因存儲(chǔ)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(jìn)行差分放大來(lái)進(jìn)行。此時(shí)，明確地決定不能進(jìn)行邏輯狀態(tài)的識(shí)別的那種位線電壓與基準(zhǔn)電壓的差(存儲(chǔ)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(shí)間t1來(lái)計(jì)算在加速溫度T2下的應(yīng)激時(shí)間t2，故進(jìn)行立足于能信賴的減少模型的加速試驗(yàn)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(wèn)題，在減少的物理量相對(duì)于時(shí)間的對(duì)數(shù)以線性方式減少的情況下，使計(jì)算相當(dāng)于所希望的使用溫度T1下的應(yīng)激時(shí)間t1的加速溫度T2下的應(yīng)激時(shí)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(chǔ)器的加速試驗(yàn)方法。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的加速試驗(yàn)方法中，求出在某個(gè)溫度T1(K)下的信息保持壽命時(shí)間t1(小時(shí))等于在另一個(gè)溫度條件T2(K)下的信息保持壽命時(shí)間t2(小時(shí))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(gè)溫度T1下的信息保持壽命時(shí)間t1來(lái)推斷在另一個(gè)溫度條件T2下的信息保持壽命時(shí)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(lái)表示。根據(jù)該關(guān)系式，即使壽命對(duì)應(yīng)于減少的物理量的某個(gè)值沒(méi)有進(jìn)行明確的定義，但如給出某個(gè)溫度條件和另一個(gè)預(yù)定的溫度條件，也可計(jì)算冪指數(shù)。結(jié)果，可計(jì)算相當(dāng)于預(yù)定的溫度條件下的應(yīng)激時(shí)間的加速溫度條件下的應(yīng)激時(shí)間，使基于乘冪規(guī)則的模型的加速試驗(yàn)成為可能。
更理想的是，從不同的溫度加速條件下物理量對(duì)于時(shí)間的對(duì)數(shù)以線性方式變化時(shí)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(shí)，冪指數(shù)m用下面的關(guān)系式來(lái)表示m＝exp(Ea/k×(1/T1-1/T2))通過(guò)使用該關(guān)系式求出的冪指數(shù)m，可從某個(gè)溫度T1下的信息保持壽命時(shí)間t1計(jì)算在另一個(gè)溫度T2下的信息保持壽命時(shí)間t2。
圖1A是表示本發(fā)明中使用的強(qiáng)電介質(zhì)存儲(chǔ)電容器的滯后曲線中存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)“0”的圖。
圖1B是表示與本發(fā)明有關(guān)的強(qiáng)電介質(zhì)存儲(chǔ)電容器的滯后曲線中存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)“1”的圖。
圖2是表示與本發(fā)明有關(guān)的存儲(chǔ)單元的等效電路的圖。
圖3是以溫度作為參數(shù)，表示存儲(chǔ)窗口(memory window)隨時(shí)間的變化的圖。
圖4是表示圖3中的存儲(chǔ)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(yàn)的結(jié)果的圖。
圖6是表示圖5中的存儲(chǔ)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(duì)于時(shí)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(duì)于時(shí)間的對(duì)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(shí)施例。首先，基于圖1A和1B示出的磁滯曲線說(shuō)明本發(fā)明中使用的構(gòu)成非易失性存儲(chǔ)器的強(qiáng)電介質(zhì)電容器的工作。在這些圖中，1是強(qiáng)電介質(zhì)電容器的滯后曲線。
在室溫下對(duì)幾個(gè)強(qiáng)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(shí)，將信息作為殘留電荷存儲(chǔ)于強(qiáng)電介質(zhì)電容器中，該邏輯狀態(tài)由殘留電荷的符號(hào)來(lái)決定。接著在幾秒后，對(duì)各個(gè)強(qiáng)電介質(zhì)電容器例如加上負(fù)的脈沖電壓，測(cè)定初始的殘留電荷。如用于測(cè)定殘留電荷的脈沖電壓的符號(hào)與信息寫入時(shí)的脈沖電壓的符號(hào)相同，則如圖1A所示，讀出非轉(zhuǎn)換(nonswitching)電荷Qmn，如符號(hào)相反，則如圖1B所示，讀出轉(zhuǎn)換(switching)電荷Qms。
這里，使用圖2說(shuō)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(shí)別。圖2表示由2個(gè)晶體管、2個(gè)強(qiáng)電介質(zhì)電容器構(gòu)成的存儲(chǔ)單元的基本電路。在該圖中，11是強(qiáng)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(gè)電容器11的中某一個(gè)，將邏輯狀態(tài)“0”寫入另一個(gè)。在該狀態(tài)下使位線13和反位線14的電位為零，對(duì)字線15加電壓，使存取晶體管12激活，接著如對(duì)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(shí)，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(duì)該電位差進(jìn)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(lái)識(shí)別。因而，在邏輯狀態(tài)的識(shí)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(chǔ)窗口。
通過(guò)初始的讀出，殘留電荷的符號(hào)反轉(zhuǎn)時(shí)，再次加上脈沖電壓，返回到原來(lái)的符號(hào)。
其次，將測(cè)定了初始的殘留電荷的強(qiáng)電介質(zhì)電容器分成3個(gè)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(guò)預(yù)定時(shí)間后從各個(gè)組取出強(qiáng)電介質(zhì)電容器的一部分，對(duì)其加上讀出脈沖電壓，測(cè)定轉(zhuǎn)換電荷、非轉(zhuǎn)換電荷。再者，在經(jīng)過(guò)某個(gè)時(shí)間的時(shí)刻將留下的強(qiáng)電介質(zhì)電容器的一部分取出，對(duì)其加上讀出脈沖電壓，測(cè)定轉(zhuǎn)換電荷、非轉(zhuǎn)換電荷。繼續(xù)該操作，直到所需的時(shí)間或次數(shù)，研究存儲(chǔ)窗口對(duì)于高溫保存時(shí)間的變化。
圖3表示將存儲(chǔ)窗口取為縱軸，將高溫保存時(shí)間(對(duì)數(shù)刻度)取為橫軸，在上述3個(gè)溫度條件下進(jìn)行保存試驗(yàn)的結(jié)果的例子。由此可知，在各個(gè)溫度條件下保存時(shí)，存儲(chǔ)窗口對(duì)于保存時(shí)間的對(duì)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(chǔ)窗口減少的活化能量，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。即如圖4所示，若在以斜率的對(duì)數(shù)為縱軸、以保存的絕對(duì)溫度的倒數(shù)為橫軸的坐標(biāo)中進(jìn)行作圖，則可用直線來(lái)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(lái)計(jì)算活化能量Ea。
如求出活化能量Ea，則可通過(guò)下面的式(5)來(lái)計(jì)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(guò)該式(5)，如給出溫度T1和溫度T2，則可計(jì)算冪指數(shù)m，所以可按照式(4)來(lái)計(jì)算相當(dāng)于所希望的使用溫度T1下的應(yīng)激時(shí)間t1的加速溫度T2下的應(yīng)激時(shí)間t2，使基于乘冪規(guī)則的模型的加速試驗(yàn)成為可能。
再有，在上述的實(shí)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(chǔ)窗口，但將位線與反位線上出現(xiàn)的電壓之差作為存儲(chǔ)窗口也可得到相同的結(jié)果。
此外，在本實(shí)施例中以由具有2個(gè)晶體管和2個(gè)電容器構(gòu)成的存儲(chǔ)單元的強(qiáng)電介質(zhì)非易失性存儲(chǔ)器為例進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明的可適用的范圍不限于此。只要隨時(shí)間而減少的物理量(對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)功能的量)對(duì)于時(shí)間的對(duì)數(shù)以直線方式減少，則不管存儲(chǔ)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(shí)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(jì)算所希望的加速溫度下的試驗(yàn)時(shí)間，或?qū)τ谒Ｍ脑囼?yàn)時(shí)間的加速溫度。
其次，說(shuō)明本發(fā)明的具體的實(shí)施例。作為采用本實(shí)施例的強(qiáng)電介質(zhì)電容器的強(qiáng)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(yàn)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(jìn)行保存試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。圖6中示出從該圖的直線讀取的存儲(chǔ)窗口的斜率的對(duì)數(shù)與溫度的關(guān)系。從圖6的直線的斜率計(jì)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(yàn)的另一保存溫度T2下的冪指數(shù)m和試驗(yàn)時(shí)間t2的結(jié)果。
表1T2(℃) m t2(小時(shí))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(yàn)的T2＝150℃下的必要的保存時(shí)間t2只是41小時(shí)。
再有，即使使用基于本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的加速試驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行壽命推斷的程序和包含這種程序的試驗(yàn)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(chǔ)器的信息保存壽命對(duì)應(yīng)于保存電荷等的物理量的某個(gè)值沒(méi)有進(jìn)行明確的定義，但如給出某個(gè)溫度T1和另一個(gè)預(yù)定的溫度T2，也可計(jì)算冪指數(shù)m。因而，如給出溫度T1下的應(yīng)激時(shí)間t1，則可計(jì)算加速溫度T2下的應(yīng)激時(shí)間t2，使基于乘冪規(guī)則的模型的加速試驗(yàn)成為可能。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的加速試驗(yàn)方法，該方法在存儲(chǔ)單元中使用了強(qiáng)電介質(zhì)膜的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中記錄信息，通過(guò)溫度加速來(lái)評(píng)價(jià)在沒(méi)有供給電源的狀態(tài)下保持于該半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中的信息保持壽命時(shí)間，其特征在于求出在某個(gè)溫度T1下的信息保持壽命時(shí)間t1與另一個(gè)溫度T2下的信息保持壽命時(shí)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(gè)溫度T1下的信息保持壽命時(shí)間t1來(lái)計(jì)算另一個(gè)溫度T2下的信息保持壽命時(shí)間t2。
2.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的加速試驗(yàn)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(lái)表示。
3.權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的加速試驗(yàn)方法，其特征在于從在不同的溫度加速條件下物理量對(duì)于時(shí)間的對(duì)數(shù)以線性方式變化時(shí)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(shí)，上述冪指數(shù)m用下面的關(guān)系式來(lái)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(chǔ)器的加速試驗(yàn)方法中,求出在某個(gè)溫度T
文檔編號(hào)G01R31/28GK1183647SQ9711962
公開(kāi)日1998年6月3日 申請(qǐng)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(qǐng)人:松下電子工業(yè)株式會(huì)社