半导体存储器的加速试验方法 本发明涉及一种通过温度加速来评价使用了强电介质薄膜作为存储单元的半导体存储器的信息保持寿命时间的加速试验方法。
为了在限定的时间内评价在某种使用条件下的半导体存储器的寿命，一般来说使用所谓加速试验方法，在该方法中，提供超过该使用条件的工作电压或温度条件来进行寿命试验。特别是在非易失性存储器的信息保持寿命时间或金属接合部分的性能变坏的寿命时间等未施加工作电压的状态的加速试验中，温度加速是有效的。
通常在这种温度加速试验中，在将加速温度T2下的寿命时间设为t2、在使用温度T1下的寿命时间设为t1时，使用加速系数K，由下面的(1)式来表示t1与t2的关系：
t1＝Kt2 ……(1)
其中，使用决定寿命的活化能量Ea，由下面的(2)式给出加速系数K：
K＝exp(Ea/k×(1/T1-1/T2))式中，T2＞T1……(2)
其中，k是玻尔兹曼常数，活化能量Ea由有关寿命对于温度的依存性的实验求出。例如，在对表示寿命的对数与温度的倒数的实验结果作图时得到的回归直线的斜率是活化能量Ea。这一点是基于这样的假设：支配寿命的反应的产生几率服从玻尔兹曼分布。如给出2个温度T1、T2，则从上述式(2)可直接求出加速系数K。
此外，与时间一起减少的物理量I可用温度与时间的函数来表示。如图7所示，减少的物理量I的对数logI对于时间t以直线方式变化，变化的斜率根据温度T1、T2的不同而不同。例如，物理量I从I0到I’所需要的时间在温度T1的条件下是t1’，在温度T2的条件下是t2’。此时，t1’与t2’的关系使用加速系数K，由式(1)来表示。
同样，如设物理量I从I’减少到I”，则可知t1”与t2”的关系还是使用相同的加速系数K，由式(1)来表示。即，与物理量的减少速度无关，t1与t2对于温度T1、T2的关系可使用一个加速系数K，由式(1)来表示。因而，即使寿命对应于物理量的某个值没有进行明确的定义，但如只在由加速系数K计算的加速时间t2内施加由加速温度T2产生的应激状态(stress)，则可在使用温度T1下给出需要使用时间t1的应激状态。
但是，如永久磁铁的矫顽力或非易失性存储器的保持电荷那样，在减少的物理量对于时间的对数以线性方式减少的情况下，时间t1与t2对于温度T1、T2的关系已经不能使用上述的加速系数K，由式(1)、式(2)来表示。关于这一点，用图8进一步进行说明。
如图(8)所示，如将减少的物理量I取为纵轴，将时间t的对数取为横轴，则I与logt的关系为直线，对于温度T1、T2，直线的斜率不同。从图8可知，与I的减少速度无关，以m作为比例系数由下面的关系式(3)来表示t1与t2：
m×logt2＝log t1 ……(3)
因而，t1’与t2’的关系由下面的(4)式，
t1’＝t2’m ……(4)
变为t1’/t2’＝t2’m-1，t1”与t2”的关系也变为t1”/t2”＝t2”m-1。由于t2’≠t2”，故加速系数K根据给出在某个加速条件下的应激状态的时间而变化。因而，此时只对于寿命或按照寿命而减少的作为目标的物理量的某个值，可通过计算t1与t2的对数比来求出。
非易失性存储器中的信息、即逻辑状态的读出，通过用读出放大器对因存储单元中保存的电荷移到位线上的结果而产生的位线的电压与基准电压进行差分放大来进行。此时，明确地决定不能进行逻辑状态的识别的那种位线电压与基准电压的差(存储窗口memory window)是困难的。因此，不能从所希望的使用温度T1下的必要的应激(stress)时间t1来计算在加速温度T2下的应激时间t2，故进行立足于能信赖的减少模型的加速试验是困难的。
本发明的目的在于：解决上述的那种现有的问题，在减少的物理量相对于时间的对数以线性方式减少的情况下，使计算相当于所希望的使用温度T1下的应激时间t1的加速温度T2下的应激时间t2成为可能，提供一种立足于能信赖的减少模型的半导体存储器的加速试验方法。
在本发明的半导体存储器的加速试验方法中，求出在某个温度T1(K)下的信息保持寿命时间t1(小时)等于在另一个温度条件T2(K)下的信息保持寿命时间t2(小时)的乘幂的关系式t1＝t2m，而且，用温度的函数表示幂指数m。根据该关系式从在某个温度T1下的信息保持寿命时间t1来推断在另一个温度条件T2下的信息保持寿命时间t2。
较理想的是，将幂指数m作为与玻尔兹曼常数成比例的温度的函数来表示。根据该关系式，即使寿命对应于减少的物理量的某个值没有进行明确的定义，但如给出某个温度条件和另一个预定的温度条件，也可计算幂指数。结果，可计算相当于预定的温度条件下的应激时间的加速温度条件下的应激时间，使基于乘幂规则的模型的加速试验成为可能。
更理想的是，从不同的温度加速条件下物理量对于时间的对数以线性方式变化时的斜率决定玻尔兹曼常数中的活化能量Ea。然后，在将玻尔兹曼常数设为k、T2＞T1时，幂指数m用下面的关系式来表示：
m＝exp(Ea/k×(1/T1-1/T2))
通过使用该关系式求出的幂指数m，可从某个温度T1下的信息保持寿命时间t1计算在另一个温度T2下的信息保持寿命时间t2。
图1A是表示本发明中使用的强电介质存储电容器的滞后曲线中存储逻辑状态“0”的图。
图1B是表示与本发明有关的强电介质存储电容器的滞后曲线中存储逻辑状态“1”的图。
图2是表示与本发明有关的存储单元的等效电路的图。
图3是以温度作为参数，表示存储窗口(memory window)随时间的变化的图。
图4是表示图3中的存储窗口的变化斜率与温度的关系的图。
图5是表示温度T1、T2、T3下的保存试验的结果的图。
图6是表示图5中的存储窗口的变化斜率与温度的关系的图。
图7是以温度作为参数，表示对于时间以直线方式减少的物理量的变化的图。
图8是以温度作为参数，表示对于时间的对数以直线方式减少的物理量的变化的图。
以下基于附图说明本发明的实施例。首先，基于图1A和1B示出的磁滞曲线说明本发明中使用的构成非易失性存储器的强电介质电容器的工作。在这些图中，1是强电介质电容器的滞后曲线。
在室温下对几个强电介质电容器加上预定的脉冲电压，写入图1A中示出的“0”状态，或图1B中示出的“1”状态。此时，将信息作为残留电荷存储于强电介质电容器中，该逻辑状态由残留电荷的符号来决定。接着在几秒后，对各个强电介质电容器例如加上负的脉冲电压，测定初始的残留电荷。如用于测定残留电荷的脉冲电压的符号与信息写入时的脉冲电压的符号相同，则如图1A所示，读出非转换(nonswitching)电荷Qmn，如符号相反，则如图1B所示，读出转换(switching)电荷Qms。
这里，使用图2说明转换电荷Qms、非转换电荷Qmn怎样用于信息的状态识别。图2表示由2个晶体管、2个强电介质电容器构成的存储单元的基本电路。在该图中，11是强电介质电容器，12是存取晶体管，13是位线，14是反位线，15是字线，16是单元板(cell plate)，17是读出放大器。在该电路中，将逻辑状态“1”写入2个电容器11的中某一个，将逻辑状态“0”写入另一个。在该状态下使位线13和反位线14的电位为零，对字线15加电压，使存取晶体管12激活，接着如对单元板16加上脉冲电压，则从处于逻辑状态“1”的电容器可得到转换电荷Qms，从处于逻辑状态“0”的电容器可得到非转换电荷Qmn。这些电荷的一方呈现在位线13上，另一方呈现在反位线14上。
此时，根据转换Qms与非转换电荷Qmn的电荷量之差，在位线13和反位线14之间产生电位差。该电位差一般为100mV左右，用读出放大器17对该电位差进行差分放大，可将位线13和反位线14之间的电位差作为明确的逻辑状态来识别。因而，在逻辑状态的识别方面转换电荷Qms与非转换电荷Qmn的电荷量存在差别是重要的。将该电荷量之差Qms-Qmn称为存储窗口。
通过初始的读出，残留电荷的符号反转时，再次加上脉冲电压，返回到原来的符号。
其次，将测定了初始的残留电荷的强电介质电容器分成3个组，将其保存于保存温度T1、T2和T3(T1＞T2＞T3)的恒温槽中。经过预定时间后从各个组取出强电介质电容器的一部分，对其加上读出脉冲电压，测定转换电荷、非转换电荷。再者，在经过某个时间的时刻将留下的强电介质电容器的一部分取出，对其加上读出脉冲电压，测定转换电荷、非转换电荷。继续该操作，直到所需的时间或次数，研究存储窗口对于高温保存时间的变化。
图3表示将存储窗口取为纵轴，将高温保存时间(对数刻度)取为横轴，在上述3个温度条件下进行保存试验的结果的例子。由此可知，在各个温度条件下保存时，存储窗口对于保存时间的对数大致以直线方式减少。此外，保存温度越高，这些直线的斜率越大。
本发明者发现，该直线的斜率与玻尔兹曼因子exp(Ea/kT)成比例。其中，Ea是存储窗口减少的活化能量，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。即如图4所示，若在以斜率的对数为纵轴、以保存的绝对温度的倒数为横轴的坐标中进行作图，则可用直线来近似斜率的倒数与温度的倒数的关系，可从该直线的斜率来计算活化能量Ea。
如求出活化能量Ea，则可通过下面的式(5)来计算图3中的不同的保存温度T2、T1下的直线的斜率的比值m：
m＝exp(Ea/k×(1/T1-1/T2)) (式中，T2＞T1)…(5)
通过该式(5)，如给出温度T1和温度T2，则可计算幂指数m，所以可按照式(4)来计算相当于所希望的使用温度T1下的应激时间t1的加速温度T2下的应激时间t2，使基于乘幂规则的模型的加速试验成为可能。
再有，在上述的实施例中将转换电荷Qms与非转换电荷Qmn的电荷量之差Qms-Qmn称为存储窗口，但将位线与反位线上出现的电压之差作为存储窗口也可得到相同的结果。
此外，在本实施例中以由具有2个晶体管和2个电容器构成的存储单元的强电介质非易失性存储器为例进行说明，但本发明的可适用的范围不限于此。只要随时间而减少的物理量(对应于存储功能的量)对于时间的对数以直线方式减少，则不管存储单元怎样构成，只是物理量的减少的活化能量不同，使用按照与本实施例相同的顺序求出的活化能量，基于乘幂规则的模型，可计算所希望的加速温度下的试验时间，或对于所希望的试验时间的加速温度。
其次，说明本发明的具体的实施例。作为采用本实施例的强电介质电容器的强电介质材料，使用SrBi2Ta2O9薄膜。电容器的大小约为5×5微米2。高温保存试验前的写入电压和残留电荷的读出电压是3V。图5中示出在T1是75℃(348K)、T2是125℃(398K)、T3是150℃(423K)下进行保存试验时的试验结果。图6中示出从该图的直线读取的存储窗口的斜率的对数与温度的关系。从图6的直线的斜率计算了活化能量Ea为0.19eV。在表1中示出使用该值从式(4)和式(5)求出相当于T1＝75℃、t1＝10年的保存试验的另一保存温度T2下的幂指数m和试验时间t2的结果。
表1
T2(℃) m t2(小时)
75 1.0 8.7×104(＝10年)
100 1.53 1692
125 2.21 175
150 3.07 41
如表1所示，例如，相当于T1＝75℃、t1＝10年的保存试验的T2＝150℃下的必要的保存时间t2只是41小时。
再有，即使使用基于本发明的半导体存储器的加速试验方法进行数据处理并进行寿命推断的程序和包含这种程序的试验装置，也可得到相同的效果。
如上所述，如采用本发明，即使非易失性存储器的信息保存寿命对应于保存电荷等的物理量的某个值没有进行明确的定义，但如给出某个温度T1和另一个预定的温度T2，也可计算幂指数m。因而，如给出温度T1下的应激时间t1，则可计算加速温度T2下的应激时间t2，使基于乘幂规则的模型的加速试验成为可能。