大容量Flash存儲器空間輻射效應試驗研究

張洪偉 于慶奎 張大宇 孟猛 唐民

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

Flash高密度存儲器以大容量、高速率、低功耗、低質量的特點引領著商業電子的革命。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據采集的存儲模塊，一方面可以為航天器節省更多成本，另一方面可以提供更大容量的存儲空間。目前，Flash存儲器仍屬于商用器件，應用于航天器中還有許多技術問題需要解決，其中，空間環境中的電離總劑量（TID）效應和單粒子效應（SEE）是影響Flash存儲器應用于航天器的主要問題之一[1-2]。電離總劑量效應會造成器件漏電流增大、存儲信息丟失等，甚至產生部分壞塊[3]。單粒子效應包括單粒子翻轉（SEU）、單粒子鎖定（SEL）和單粒子功能中斷（SEFI）等[3]。單粒子翻轉會造成存儲數據位發生翻轉；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整頁或整塊存儲數據出錯[4-5]。美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）均對Flash器件進行了包括輻射試驗在內的可靠性評估試驗。NASA的D.N.Nguyen等[3]對2GFlash（K9F2GO8UOM）進行的輻射試驗表明：器件在總劑量達到20krad（Si）后出現一些壞塊，壞塊隨劑量的增大逐漸增多；單粒子試驗則發現了單粒子翻轉和單粒子功能中斷，沒有發現單粒子鎖定。T.R.Oldham 等[5]對4G Flash（K9F4G08U0A）進行的輻射試驗表明：器件在總劑量達到75krad（Si）后出現部分數據丟失，重新配置刷新后沒有錯誤產生，達到100krad（Si）后出現功能失效；單粒子試驗時則發現單粒子翻轉和單粒子功能中斷，沒有發現單粒子鎖定。ESA輻射效應與分析技術組（REATS）2004年發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））；出現單粒子翻轉、鎖定和功能中斷等現象。由于商用器件的輻射和質量差異性問題，目前國內外航天器還沒有開始普遍應用Flash非易失性存儲器技術。

韓國三星（Samsung）公司生產的Flash存儲器在全球市場的占有率已經達到了61%[5]，因此，本文選擇該公司生產的大容量SLC NAND-Flash K9XXG08UXA系列存儲器，進行了電離總劑量和單粒子效應輻照試驗，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 種型號產品，生產工藝采用63nm CMOS技術，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芯片表面形貌和側面X 光照片Fig.1 External and X-ray photo of 8GFlash memory chips

圖2 16GFlash芯片表面形貌和側面X 光照片Fig.2 External and X-ray photo of 16GFlash memory chips

Flash存儲器的基本存儲單元結構不同于普通的場效應管結構（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行了絕緣處理；當編程為“0”時，電荷通過隧穿效應（Fowler-Nordheim）[8]被注入到浮柵中存儲起來，當編程為“1”時，浮柵中的電荷被釋放至溝道中，從而根據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行[9-10]。

3 試驗原理

當Flash存儲器應用于空間環境時，其浮柵結構單元受到穿透電子和質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，器件性能發生退化；浮柵漏電流增加到一定程度后，勢必導致存儲信息的丟失，甚至功能失效，產生電離總劑量效應。在遭受電離總劑量效應的同時，Flash 存儲器對單粒子效應也很敏感。在遭受空間宇宙射線或質子的攻擊時，Flash存儲器柵源以及PN 結之間會形成電流脈沖。當其注入的電荷超過改變存儲單元所需的臨界電荷時，浮柵存儲信息即發生改變，即產生單粒子翻轉現象；若電流脈沖觸發內部可控硅結構保持開啟狀態，即發生單粒子鎖定現象。

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

4 試驗程序

4.1 電離總劑量試驗程序

試驗根據Flash存儲器電離總劑量效應原理，模擬空間輻射環境，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直流偏置，用電流表監測靜態功耗電流，定期進行讀寫測試，判斷存儲單元信息是否丟失，讀寫功能是否正常。

4.2 單粒子效應試驗程序

試驗根據Flash單粒子效應原理，模擬空間輻射環境，采用中國科學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行單粒子效應試驗，實時監測被測器件電源電流，由FPGA負責控制Flash的讀寫操作和數據比對，并將檢測結果通過串口通信上傳至上位機進行存儲、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）動態讀取模式：輻照前對器件進行性能和功能測試，并將指定數據寫入Flash存儲器；輻射試驗過程中進行數據讀取比對；記錄器件工作電流和單粒子翻轉位數。

（2）靜態模式：試驗前對器件進行性能和功能測試，并將指定數據寫入Flash存儲器；不加電狀態下進行輻射試驗；試驗完畢后關閉輻射源，對所存儲數據進行讀取比對，記錄單粒子翻轉位數。

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

5 輻照試驗結果及其分析

5.1 電離總劑量效應試驗

當輻照累積總劑量為30krad（Si）時，所有樣品靜態電流沒有顯著變化，8GFlash和16GFlash數據完整，沒有新的壞塊產生，讀取和寫入功能正常。當輻照累積總劑量為50krad（Si）時，所有樣品靜態電流沒有顯著變化；8GFlash數據完整，沒有壞塊產生，讀取和寫入功能正常；16GFlash中有1只樣品部分數據丟失，重新配置刷新后，數據讀取無誤，沒有新的壞塊產生，讀取和寫入功能正常；其他2只樣品數據完整，沒有新的壞塊產生，讀取和寫入功能正常。

輻照累積總劑量達到50krad（Si）時，出現部分數據丟失的16G Flash樣品，其部分存儲單元數據“1”被改寫為“0”，分析認為，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據保持力，即浮柵結構的漏電特性。電離輻射致使器件浮柵結構中氧化層的正電荷缺陷增多，可以俘獲更多電荷，使浮柵結構中隧道氧化物的絕緣性能下降，漏電流增大，從而形成浮柵內電荷泄漏的路徑。

5.2 單粒子效應試驗

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

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

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

單粒子效應試驗動態讀取模式線性能量傳遞-器件翻轉截面曲線見圖5所示。隨著線性能量傳遞值的增大，翻轉截面逐漸增大；當線性能量傳遞值為26MeV·cm2/mg時，曲線逐漸趨于平緩；當線性能量傳遞值為38MeV·cm2/mg時，翻轉截面達到最大，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，沒有發現單粒子鎖定和功能中斷。取截面最大值為飽和截面，10%飽和截面對應的線性能量傳遞值為閾值，利用SPACERADIATION 預計在軌單粒子事件發生率，空間輻射環境采用ADAMS 90%最壞情況模型，太陽同步軌道高度965km，單粒子事件發生率為2.95×10-2次/（天·器件）。

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

單粒子效應試驗動態讀寫模式線性能量傳遞-器件翻轉截面曲線見圖6所示。隨著線性能量傳遞值的增大，翻轉截面逐漸增大；當線性能量傳遞值為26MeV·cm2/mg時，曲線逐漸趨于平緩；當線性能量傳遞值為38MeV·cm2/mg時，翻轉截面達到最大，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，沒有發現單粒子鎖定和功能中斷。取截面最大值為飽和截面，10%飽和截面對應的線性能量傳遞值為閾值，利用SPACE RADIATION 在軌預計軟件計算在軌單粒子事件發生率，空間輻射環境采用ADAMS 90%最壞情況模型，太陽同步軌道高度965km，單粒子事件發生率為1.17×10-2次/（天·器件）。

通過試驗結果分析可以發現，由于Flash 存儲單元為浮柵結構，Flash器件在寫入狀態為“FF”時，器件存儲二進制數據為“11111111”，所有浮柵內電荷被擠出，浮柵內沒有存儲電荷，器件不易受重離子影響而向浮柵內“充電”；當寫入狀態為“55”時，器件存儲二進制數據為“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使浮柵“放電”。

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

6 結論

選擇采用浮柵結構作為存儲單元的三星公司Flash K9XXG08UXA系列存儲器，進行電離總劑量試驗和單粒子試驗。從試驗結果可見：當受到一定量空間輻射影響后，浮柵內存儲電荷發生改變，性能發生退化，產生了電離總劑量效應；當頻繁受到重離子或質子攻擊時，在柵源以及PN 結之間形成電流脈沖，易發生單粒子效應，同時，當器件存儲數據為“1”時，所有浮柵內電荷被擠出，浮柵內沒有存儲電荷，器件不易受重離子影響而向浮柵內“充電”，即不易發生單粒子翻轉效應，當器件存儲數據為“0”時，浮柵俘獲電荷，此時，器件容易受重粒子影響而驅使浮柵“放電”，即容易發生單粒子翻轉效應。試驗表明：Flash K9XXG08UXA系列存儲器抗電離總劑量能力低于50krad（Si），單粒子效應試驗在線性能量傳遞值小于38MeV·cm2/mg時，沒有發現單粒子鎖定現象，空間輻射環境采用ADAMS 90%最壞情況模型，太陽同步軌道高度965km，單粒子翻轉錯誤發生率大約為2×10-2次/（天·器件）。因此，空間應用Flash K9XXG08UXA系列存儲器時，應考慮進行抗輻射加固設計。

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