大容量Flash存儲器空間輻射效應(yīng)試驗研究

張洪偉 于慶奎 張大宇 孟猛 唐民

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

Flash高密度存儲器以大容量、高速率、低功耗、低質(zhì)量的特點引領(lǐng)著商業(yè)電子的革命。隨著航天器性能要求的逐步提高，使用這種器件作為航天器數(shù)據(jù)采集的存儲模塊，一方面可以為航天器節(jié)省更多成本，另一方面可以提供更大容量的存儲空間。目前，F(xiàn)lash存儲器仍屬于商用器件，應(yīng)用于航天器中還有許多技術(shù)問題需要解決，其中，空間環(huán)境中的電離總劑量（TID）效應(yīng)和單粒子效應(yīng)（SEE）是影響Flash存儲器應(yīng)用于航天器的主要問題之一[1-2]。電離總劑量效應(yīng)會造成器件漏電流增大、存儲信息丟失等，甚至產(chǎn)生部分壞塊[3]。單粒子效應(yīng)包括單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子鎖定（SEL）和單粒子功能中斷（SEFI）等[3]。單粒子翻轉(zhuǎn)會造成存儲數(shù)據(jù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)；單粒子鎖定是破壞性的，若不及時切斷電源，可能燒毀器件；單粒子功能中斷會造成連續(xù)整頁或整塊存儲數(shù)據(jù)出錯[4-5]。美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）均對Flash器件進(jìn)行了包括輻射試驗在內(nèi)的可靠性評估試驗。NASA的D.N.Nguyen等[3]對2GFlash（K9F2GO8UOM）進(jìn)行的輻射試驗表明：器件在總劑量達(dá)到20krad（Si）后出現(xiàn)一些壞塊，壞塊隨劑量的增大逐漸增多；單粒子試驗則發(fā)現(xiàn)了單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子功能中斷，沒有發(fā)現(xiàn)單粒子鎖定。T.R.Oldham 等[5]對4G Flash（K9F4G08U0A）進(jìn)行的輻射試驗表明：器件在總劑量達(dá)到75krad（Si）后出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，重新配置刷新后沒有錯誤產(chǎn)生，達(dá)到100krad（Si）后出現(xiàn)功能失效；單粒子試驗時則發(fā)現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子功能中斷，沒有發(fā)現(xiàn)單粒子鎖定。ESA輻射效應(yīng)與分析技術(shù)組（REATS）2004年發(fā)布的一份輻照試驗報告中顯示：Flash器件抗輻射性能存在差異性[6]（抗總劑量能力范圍為10～20krad（Si））；出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)、鎖定和功能中斷等現(xiàn)象。由于商用器件的輻射和質(zhì)量差異性問題，目前國內(nèi)外航天器還沒有開始普遍應(yīng)用Flash非易失性存儲器技術(shù)。

韓國三星（Samsung）公司生產(chǎn)的Flash存儲器在全球市場的占有率已經(jīng)達(dá)到了61%[5]，因此，本文選擇該公司生產(chǎn)的大容量SLC NAND-Flash K9XXG08UXA系列存儲器，進(jìn)行了電離總劑量和單粒子效應(yīng)輻照試驗，以了解Flash K9XXG08UXA系列存儲器的抗輻射性能，評估商用Flash存儲器空間應(yīng)用的可行性。

2 器件概述

三星公司大容量Flash存儲器K9XXG08UXA系 列 包 括K9K8G08UOA（8G）、K9WAG08U1A（16G）和K9NBG08U5A（32G）3 種型號產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝采用63nm CMOS技術(shù)，器件工作電壓為3.3V，工作電流最大為35mA，工作溫度為-40～＋125℃，外部采用48管腳TSOP塑料封裝[7]。其中：8GFlash K9K8G08UOA采用2塊K9F4G08U0A（4G）芯片反面組裝工藝，見圖1；16G Flash K9WAG08U1A和32G Flash K9NBG08U5A分別 采 用4 塊 和8 塊K9F4G08U0A（4G）多層芯片組裝工藝，見圖2。

圖1 8GFlash芯片表面形貌和側(cè)面X 光照片F(xiàn)ig.1 External and X-ray photo of 8GFlash memory chips

圖2 16GFlash芯片表面形貌和側(cè)面X 光照片F(xiàn)ig.2 External and X-ray photo of 16GFlash memory chips

Flash存儲器的基本存儲單元結(jié)構(gòu)不同于普通的場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)（FET），其特點是：在柵級與漏極/源級之間存在浮柵，浮柵周邊采用氧化膜進(jìn)行了絕緣處理；當(dāng)編程為“0”時，電荷通過隧穿效應(yīng)（Fowler-Nordheim）[8]被注入到浮柵中存儲起來，當(dāng)編程為“1”時，浮柵中的電荷被釋放至溝道中，從而根據(jù)浮柵中是否積累了電荷判斷是“0”還是“1”；單元之間按順序相連，末端連接分別為位線和源線或選擇線，讀寫方式必須按順序進(jìn)行[9-10]。

3 試驗原理

當(dāng)Flash存儲器應(yīng)用于空間環(huán)境時，其浮柵結(jié)構(gòu)單元受到穿透電子和質(zhì)子的輻照而引起氧化層的電離。隨著電荷的積累，柵源間漏電流增加，器件性能發(fā)生退化；浮柵漏電流增加到一定程度后，勢必導(dǎo)致存儲信息的丟失，甚至功能失效，產(chǎn)生電離總劑量效應(yīng)。在遭受電離總劑量效應(yīng)的同時，F(xiàn)lash 存儲器對單粒子效應(yīng)也很敏感。在遭受空間宇宙射線或質(zhì)子的攻擊時，F(xiàn)lash存儲器柵源以及PN 結(jié)之間會形成電流脈沖。當(dāng)其注入的電荷超過改變存儲單元所需的臨界電荷時，浮柵存儲信息即發(fā)生改變，即產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象；若電流脈沖觸發(fā)內(nèi)部可控硅結(jié)構(gòu)保持開啟狀態(tài)，即發(fā)生單粒子鎖定現(xiàn)象。

為了解Flash存儲器在實際應(yīng)用中的抗輻照特性和失效模式，試驗選取了三星公司生產(chǎn)的具有浮柵結(jié)構(gòu)的大容量SLC NAND-Flash K9XXG08UXA系列存儲器作為研究對象，進(jìn)行電離總劑量和單粒子效應(yīng)輻照試驗研究。

4 試驗程序

4.1 電離總劑量試驗程序

試驗根據(jù)Flash存儲器電離總劑量效應(yīng)原理，模擬空間輻射環(huán)境，采用鈷-60γ 射線源，室溫下以0.1rad/s（Si）的低劑量率對樣品進(jìn)行輻照，輻照累積總劑量為50krad（Si）。試驗選擇K9K8G08UOA（8G）和K9WAG08U1A（16G）器件各3只作為被試器件，輻照前對器件進(jìn)行性能和功能測試，并寫入代碼“AA”，試驗過程中器件采用靜態(tài)直流偏置，用電流表監(jiān)測靜態(tài)功耗電流，定期進(jìn)行讀寫測試，判斷存儲單元信息是否丟失，讀寫功能是否正常。

4.2 單粒子效應(yīng)試驗程序

試驗根據(jù)Flash單粒子效應(yīng)原理，模擬空間輻射環(huán)境，采用中國科學(xué)院近代物理研究所回旋加速器（HIRFL）和中國原子能研究院串列靜電加速器，利用不同能量的F、Cl、Ti和Kr試驗離子產(chǎn)生不同線性能量傳遞（LET）值，試驗離子特性見表1。

表1 試驗離子特性Table1 Characteristics of ions used in test

試驗選擇3只K9K8G08UOA（8G）器件作為被試器件進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗，實時監(jiān)測被測器件電源電流，由FPGA負(fù)責(zé)控制Flash的讀寫操作和數(shù)據(jù)比對，并將檢測結(jié)果通過串口通信上傳至上位機(jī)進(jìn)行存儲、顯示，檢測裝置示意圖見圖3。

圖3 輻射試驗檢測裝置功能示意圖Fig.3 Diagram of test facilities function

器件工作模式包括以下3種。

（1）動態(tài)讀取模式：輻照前對器件進(jìn)行性能和功能測試，并將指定數(shù)據(jù)寫入Flash存儲器；輻射試驗過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取比對；記錄器件工作電流和單粒子翻轉(zhuǎn)位數(shù)。

（2）靜態(tài)模式：試驗前對器件進(jìn)行性能和功能測試，并將指定數(shù)據(jù)寫入Flash存儲器；不加電狀態(tài)下進(jìn)行輻射試驗；試驗完畢后關(guān)閉輻射源，對所存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取比對，記錄單粒子翻轉(zhuǎn)位數(shù)。

（3）動態(tài)讀寫模式：試驗前對器件進(jìn)行性能和功能測試；輻射過程中對器件進(jìn)行數(shù)據(jù)擦除、寫入和讀取比對；記錄器件工作電流和單粒子翻轉(zhuǎn)位數(shù)。

5 輻照試驗結(jié)果及其分析

5.1 電離總劑量效應(yīng)試驗

當(dāng)輻照累積總劑量為30krad（Si）時，所有樣品靜態(tài)電流沒有顯著變化，8GFlash和16GFlash數(shù)據(jù)完整，沒有新的壞塊產(chǎn)生，讀取和寫入功能正常。當(dāng)輻照累積總劑量為50krad（Si）時，所有樣品靜態(tài)電流沒有顯著變化；8GFlash數(shù)據(jù)完整，沒有壞塊產(chǎn)生，讀取和寫入功能正常；16GFlash中有1只樣品部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，重新配置刷新后，數(shù)據(jù)讀取無誤，沒有新的壞塊產(chǎn)生，讀取和寫入功能正常；其他2只樣品數(shù)據(jù)完整，沒有新的壞塊產(chǎn)生，讀取和寫入功能正常。

輻照累積總劑量達(dá)到50krad（Si）時，出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的16G Flash樣品，其部分存儲單元數(shù)據(jù)“1”被改寫為“0”，分析認(rèn)為，其原因之一是存儲單元漏電。Flash存儲器的使用壽命決定于其存儲單元的數(shù)據(jù)保持力，即浮柵結(jié)構(gòu)的漏電特性。電離輻射致使器件浮柵結(jié)構(gòu)中氧化層的正電荷缺陷增多，可以俘獲更多電荷，使浮柵結(jié)構(gòu)中隧道氧化物的絕緣性能下降，漏電流增大，從而形成浮柵內(nèi)電荷泄漏的路徑。

5.2 單粒子效應(yīng)試驗

試驗在室溫環(huán)境下進(jìn)行，輻照過程中器件分別在靜態(tài)、動態(tài)讀取和動態(tài)讀寫3種工作模式下進(jìn)行單粒子效應(yīng)檢測。結(jié)果顯示：線性能量傳遞值小于38MeV·cm2/mg時，沒有出現(xiàn)單粒子鎖定和功能中斷現(xiàn)象，單粒子翻轉(zhuǎn)采用ADAMS模型，太陽同步軌道高度為965km，置信度90%的最壞情況下，錯誤發(fā)生率大約為2×10-2次/（天·器件）。其中：靜態(tài)模式檢測時，器件輻照過程沒有加電，輻照后進(jìn)行讀取比對，結(jié)果顯示部分存儲單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)；動態(tài)讀取和動態(tài)讀寫模式檢測時，輻照過程中器件功耗電流保持不變，器件功能正常，但是結(jié)果顯示部分存儲單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)，沒有發(fā)現(xiàn)單粒子鎖定和功能中斷。試驗還發(fā)現(xiàn)，器件單粒子效應(yīng)與所存儲內(nèi)容相關(guān)。當(dāng)寫入代碼為“55”時，輻照后檢測發(fā)現(xiàn)部分存儲單元信息“0”被改寫為“1”，發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)；而當(dāng)寫入狀態(tài)為“FF”時，輻照后發(fā)現(xiàn)存儲單元的信息沒有被改寫，未發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。

單粒子效應(yīng)試驗靜態(tài)模式線性能量傳遞-器件翻轉(zhuǎn)截面曲線如圖4所示。隨著線性能量傳遞值的增大，翻轉(zhuǎn)截面逐漸增大；當(dāng)線性能量傳遞值為26MeV·cm2/mg時，曲線逐漸趨于平緩；當(dāng)線性能量傳遞值為38MeV·cm2/mg時，翻轉(zhuǎn)截面達(dá)到最大，為1.15平方厘米/器件。取截面最大值為飽和截面，10%飽和截面對應(yīng)的線性能量傳遞值為閾值，利用SPACE RADIATION 在軌預(yù)計軟件計算在軌單粒子事件發(fā)生率，空間輻射環(huán)境采用Adams 90%最壞情況模型，太陽同步軌道高度965km，單粒子事件發(fā)生率為2.69×10-2次/（天·器件）。

圖4 靜態(tài)模式線性能量傳遞-器件翻轉(zhuǎn)截面曲線Fig.4 LET-cross section curve of static mode

單粒子效應(yīng)試驗動態(tài)讀取模式線性能量傳遞-器件翻轉(zhuǎn)截面曲線見圖5所示。隨著線性能量傳遞值的增大，翻轉(zhuǎn)截面逐漸增大；當(dāng)線性能量傳遞值為26MeV·cm2/mg時，曲線逐漸趨于平緩；當(dāng)線性能量傳遞值為38MeV·cm2/mg時，翻轉(zhuǎn)截面達(dá)到最大，為1.11平方厘米/器件。輻照過程中，器件功耗電流保持不變，讀取和寫入功能正常，沒有發(fā)現(xiàn)單粒子鎖定和功能中斷。取截面最大值為飽和截面，10%飽和截面對應(yīng)的線性能量傳遞值為閾值，利用SPACERADIATION 預(yù)計在軌單粒子事件發(fā)生率，空間輻射環(huán)境采用ADAMS 90%最壞情況模型，太陽同步軌道高度965km，單粒子事件發(fā)生率為2.95×10-2次/（天·器件）。

圖5 動態(tài)讀取模式線性能量傳遞-器件翻轉(zhuǎn)截面曲線Fig.5 LET-cross section curve of dynamic reading mode

單粒子效應(yīng)試驗動態(tài)讀寫模式線性能量傳遞-器件翻轉(zhuǎn)截面曲線見圖6所示。隨著線性能量傳遞值的增大，翻轉(zhuǎn)截面逐漸增大；當(dāng)線性能量傳遞值為26MeV·cm2/mg時，曲線逐漸趨于平緩；當(dāng)線性能量傳遞值為38MeV·cm2/mg時，翻轉(zhuǎn)截面達(dá)到最大，為3.6×10-1平方厘米/器件。輻照過程中，器件功耗電流保持不變，功能正常，沒有發(fā)現(xiàn)單粒子鎖定和功能中斷。取截面最大值為飽和截面，10%飽和截面對應(yīng)的線性能量傳遞值為閾值，利用SPACE RADIATION 在軌預(yù)計軟件計算在軌單粒子事件發(fā)生率，空間輻射環(huán)境采用ADAMS 90%最壞情況模型，太陽同步軌道高度965km，單粒子事件發(fā)生率為1.17×10-2次/（天·器件）。

通過試驗結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，由于Flash 存儲單元為浮柵結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lash器件在寫入狀態(tài)為“FF”時，器件存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)為“11111111”，所有浮柵內(nèi)電荷被擠出，浮柵內(nèi)沒有存儲電荷，器件不易受重離子影響而向浮柵內(nèi)“充電”；當(dāng)寫入狀態(tài)為“55”時，器件存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)為“01010101”，部分浮柵俘獲電荷，即為“0”，此時，器件容易受重粒子影響而驅(qū)使浮柵“放電”。

圖6 動態(tài)讀寫模式線性能量傳遞-器件翻轉(zhuǎn)截面曲線Fig.6 LET-cross section curve of dynamic writing mode

6 結(jié)論

選擇采用浮柵結(jié)構(gòu)作為存儲單元的三星公司Flash K9XXG08UXA系列存儲器，進(jìn)行電離總劑量試驗和單粒子試驗。從試驗結(jié)果可見：當(dāng)受到一定量空間輻射影響后，浮柵內(nèi)存儲電荷發(fā)生改變，性能發(fā)生退化，產(chǎn)生了電離總劑量效應(yīng)；當(dāng)頻繁受到重離子或質(zhì)子攻擊時，在柵源以及PN 結(jié)之間形成電流脈沖，易發(fā)生單粒子效應(yīng)，同時，當(dāng)器件存儲數(shù)據(jù)為“1”時，所有浮柵內(nèi)電荷被擠出，浮柵內(nèi)沒有存儲電荷，器件不易受重離子影響而向浮柵內(nèi)“充電”，即不易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，當(dāng)器件存儲數(shù)據(jù)為“0”時，浮柵俘獲電荷，此時，器件容易受重粒子影響而驅(qū)使浮柵“放電”，即容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。試驗表明：Flash K9XXG08UXA系列存儲器抗電離總劑量能力低于50krad（Si），單粒子效應(yīng)試驗在線性能量傳遞值小于38MeV·cm2/mg時，沒有發(fā)現(xiàn)單粒子鎖定現(xiàn)象，空間輻射環(huán)境采用ADAMS 90%最壞情況模型，太陽同步軌道高度965km，單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤發(fā)生率大約為2×10-2次/（天·器件）。因此，空間應(yīng)用Flash K9XXG08UXA系列存儲器時，應(yīng)考慮進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計。

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