大容量Flash存储器空间辐射效应试验研究

张洪伟 于庆奎 张大宇 孟猛 唐民

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

Flash高密度存储器以大容量、高速率、低功耗、低质量的特点引领着商业电子的革命。随着航天器性能要求的逐步提高，使用这种器件作为航天器数据采集的存储模块，一方面可以为航天器节省更多成本，另一方面可以提供更大容量的存储空间。目前，Flash存储器仍属于商用器件，应用于航天器中还有许多技术问题需要解决，其中，空间环境中的电离总剂量（TID）效应和单粒子效应（SEE）是影响Flash存储器应用于航天器的主要问题之一[1-2]。电离总剂量效应会造成器件漏电流增大、存储信息丢失等，甚至产生部分坏块[3]。单粒子效应包括单粒子翻转（SEU）、单粒子锁定（SEL）和单粒子功能中断（SEFI）等[3]。单粒子翻转会造成存储数据位发生翻转；单粒子锁定是破坏性的，若不及时切断电源，可能烧毁器件；单粒子功能中断会造成连续整页或整块存储数据出错[4-5]。美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）均对Flash器件进行了包括辐射试验在内的可靠性评估试验。NASA的D.N.Nguyen等[3]对2GFlash（K9F2GO8UOM）进行的辐射试验表明：器件在总剂量达到20krad（Si）后出现一些坏块，坏块随剂量的增大逐渐增多；单粒子试验则发现了单粒子翻转和单粒子功能中断，没有发现单粒子锁定。T.R.Oldham 等[5]对4G Flash（K9F4G08U0A）进行的辐射试验表明：器件在总剂量达到75krad（Si）后出现部分数据丢失，重新配置刷新后没有错误产生，达到100krad（Si）后出现功能失效；单粒子试验时则发现单粒子翻转和单粒子功能中断，没有发现单粒子锁定。ESA辐射效应与分析技术组（REATS）2004年发布的一份辐照试验报告中显示：Flash器件抗辐射性能存在差异性[6]（抗总剂量能力范围为10～20krad（Si））；出现单粒子翻转、锁定和功能中断等现象。由于商用器件的辐射和质量差异性问题，目前国内外航天器还没有开始普遍应用Flash非易失性存储器技术。

韩国三星（Samsung）公司生产的Flash存储器在全球市场的占有率已经达到了61%[5]，因此，本文选择该公司生产的大容量SLC NAND-Flash K9XXG08UXA系列存储器，进行了电离总剂量和单粒子效应辐照试验，以了解Flash K9XXG08UXA系列存储器的抗辐射性能，评估商用Flash存储器空间应用的可行性。

2 器件概述

三星公司大容量Flash存储器K9XXG08UXA系 列 包 括K9K8G08UOA（8G）、K9WAG08U1A（16G）和K9NBG08U5A（32G）3 种型号产品，生产工艺采用63nm CMOS技术，器件工作电压为3.3V，工作电流最大为35mA，工作温度为-40～＋125℃，外部采用48管脚TSOP塑料封装[7]。其中：8GFlash K9K8G08UOA采用2块K9F4G08U0A（4G）芯片反面组装工艺，见图1；16G Flash K9WAG08U1A和32G Flash K9NBG08U5A分别 采 用4 块 和8 块K9F4G08U0A（4G）多层芯片组装工艺，见图2。

图1 8GFlash芯片表面形貌和侧面X 光照片Fig.1 External and X-ray photo of 8GFlash memory chips

图2 16GFlash芯片表面形貌和侧面X 光照片Fig.2 External and X-ray photo of 16GFlash memory chips

Flash存储器的基本存储单元结构不同于普通的场效应管结构（FET），其特点是：在栅级与漏极/源级之间存在浮栅，浮栅周边采用氧化膜进行了绝缘处理；当编程为“0”时，电荷通过隧穿效应（Fowler-Nordheim）[8]被注入到浮栅中存储起来，当编程为“1”时，浮栅中的电荷被释放至沟道中，从而根据浮栅中是否积累了电荷判断是“0”还是“1”；单元之间按顺序相连，末端连接分别为位线和源线或选择线，读写方式必须按顺序进行[9-10]。

3 试验原理

当Flash存储器应用于空间环境时，其浮栅结构单元受到穿透电子和质子的辐照而引起氧化层的电离。随着电荷的积累，栅源间漏电流增加，器件性能发生退化；浮栅漏电流增加到一定程度后，势必导致存储信息的丢失，甚至功能失效，产生电离总剂量效应。在遭受电离总剂量效应的同时，Flash 存储器对单粒子效应也很敏感。在遭受空间宇宙射线或质子的攻击时，Flash存储器栅源以及PN 结之间会形成电流脉冲。当其注入的电荷超过改变存储单元所需的临界电荷时，浮栅存储信息即发生改变，即产生单粒子翻转现象；若电流脉冲触发内部可控硅结构保持开启状态，即发生单粒子锁定现象。

为了解Flash存储器在实际应用中的抗辐照特性和失效模式，试验选取了三星公司生产的具有浮栅结构的大容量SLC NAND-Flash K9XXG08UXA系列存储器作为研究对象，进行电离总剂量和单粒子效应辐照试验研究。

4 试验程序

4.1 电离总剂量试验程序

试验根据Flash存储器电离总剂量效应原理，模拟空间辐射环境，采用钴-60γ 射线源，室温下以0.1rad/s（Si）的低剂量率对样品进行辐照，辐照累积总剂量为50krad（Si）。试验选择K9K8G08UOA（8G）和K9WAG08U1A（16G）器件各3只作为被试器件，辐照前对器件进行性能和功能测试，并写入代码“AA”，试验过程中器件采用静态直流偏置，用电流表监测静态功耗电流，定期进行读写测试，判断存储单元信息是否丢失，读写功能是否正常。

4.2 单粒子效应试验程序

试验根据Flash单粒子效应原理，模拟空间辐射环境，采用中国科学院近代物理研究所回旋加速器（HIRFL）和中国原子能研究院串列静电加速器，利用不同能量的F、Cl、Ti和Kr试验离子产生不同线性能量传递（LET）值，试验离子特性见表1。

表1 试验离子特性Table1 Characteristics of ions used in test

试验选择3只K9K8G08UOA（8G）器件作为被试器件进行单粒子效应试验，实时监测被测器件电源电流，由FPGA负责控制Flash的读写操作和数据比对，并将检测结果通过串口通信上传至上位机进行存储、显示，检测装置示意图见图3。

图3 辐射试验检测装置功能示意图Fig.3 Diagram of test facilities function

器件工作模式包括以下3种。

（1）动态读取模式：辐照前对器件进行性能和功能测试，并将指定数据写入Flash存储器；辐射试验过程中进行数据读取比对；记录器件工作电流和单粒子翻转位数。

（2）静态模式：试验前对器件进行性能和功能测试，并将指定数据写入Flash存储器；不加电状态下进行辐射试验；试验完毕后关闭辐射源，对所存储数据进行读取比对，记录单粒子翻转位数。

（3）动态读写模式：试验前对器件进行性能和功能测试；辐射过程中对器件进行数据擦除、写入和读取比对；记录器件工作电流和单粒子翻转位数。

5 辐照试验结果及其分析

5.1 电离总剂量效应试验

当辐照累积总剂量为30krad（Si）时，所有样品静态电流没有显著变化，8GFlash和16GFlash数据完整，没有新的坏块产生，读取和写入功能正常。当辐照累积总剂量为50krad（Si）时，所有样品静态电流没有显著变化；8GFlash数据完整，没有坏块产生，读取和写入功能正常；16GFlash中有1只样品部分数据丢失，重新配置刷新后，数据读取无误，没有新的坏块产生，读取和写入功能正常；其他2只样品数据完整，没有新的坏块产生，读取和写入功能正常。

辐照累积总剂量达到50krad（Si）时，出现部分数据丢失的16G Flash样品，其部分存储单元数据“1”被改写为“0”，分析认为，其原因之一是存储单元漏电。Flash存储器的使用寿命决定于其存储单元的数据保持力，即浮栅结构的漏电特性。电离辐射致使器件浮栅结构中氧化层的正电荷缺陷增多，可以俘获更多电荷，使浮栅结构中隧道氧化物的绝缘性能下降，漏电流增大，从而形成浮栅内电荷泄漏的路径。

5.2 单粒子效应试验

试验在室温环境下进行，辐照过程中器件分别在静态、动态读取和动态读写3种工作模式下进行单粒子效应检测。结果显示：线性能量传递值小于38MeV·cm2/mg时，没有出现单粒子锁定和功能中断现象，单粒子翻转采用ADAMS模型，太阳同步轨道高度为965km，置信度90%的最坏情况下，错误发生率大约为2×10-2次/（天·器件）。其中：静态模式检测时，器件辐照过程没有加电，辐照后进行读取比对，结果显示部分存储单元发生翻转；动态读取和动态读写模式检测时，辐照过程中器件功耗电流保持不变，器件功能正常，但是结果显示部分存储单元发生翻转，没有发现单粒子锁定和功能中断。试验还发现，器件单粒子效应与所存储内容相关。当写入代码为“55”时，辐照后检测发现部分存储单元信息“0”被改写为“1”，发生了单粒子翻转；而当写入状态为“FF”时，辐照后发现存储单元的信息没有被改写，未发生单粒子翻转。

单粒子效应试验静态模式线性能量传递-器件翻转截面曲线如图4所示。随着线性能量传递值的增大，翻转截面逐渐增大；当线性能量传递值为26MeV·cm2/mg时，曲线逐渐趋于平缓；当线性能量传递值为38MeV·cm2/mg时，翻转截面达到最大，为1.15平方厘米/器件。取截面最大值为饱和截面，10%饱和截面对应的线性能量传递值为阈值，利用SPACE RADIATION 在轨预计软件计算在轨单粒子事件发生率，空间辐射环境采用Adams 90%最坏情况模型，太阳同步轨道高度965km，单粒子事件发生率为2.69×10-2次/（天·器件）。

图4 静态模式线性能量传递-器件翻转截面曲线Fig.4 LET-cross section curve of static mode

单粒子效应试验动态读取模式线性能量传递-器件翻转截面曲线见图5所示。随着线性能量传递值的增大，翻转截面逐渐增大；当线性能量传递值为26MeV·cm2/mg时，曲线逐渐趋于平缓；当线性能量传递值为38MeV·cm2/mg时，翻转截面达到最大，为1.11平方厘米/器件。辐照过程中，器件功耗电流保持不变，读取和写入功能正常，没有发现单粒子锁定和功能中断。取截面最大值为饱和截面，10%饱和截面对应的线性能量传递值为阈值，利用SPACERADIATION 预计在轨单粒子事件发生率，空间辐射环境采用ADAMS 90%最坏情况模型，太阳同步轨道高度965km，单粒子事件发生率为2.95×10-2次/（天·器件）。

图5 动态读取模式线性能量传递-器件翻转截面曲线Fig.5 LET-cross section curve of dynamic reading mode

单粒子效应试验动态读写模式线性能量传递-器件翻转截面曲线见图6所示。随着线性能量传递值的增大，翻转截面逐渐增大；当线性能量传递值为26MeV·cm2/mg时，曲线逐渐趋于平缓；当线性能量传递值为38MeV·cm2/mg时，翻转截面达到最大，为3.6×10-1平方厘米/器件。辐照过程中，器件功耗电流保持不变，功能正常，没有发现单粒子锁定和功能中断。取截面最大值为饱和截面，10%饱和截面对应的线性能量传递值为阈值，利用SPACE RADIATION 在轨预计软件计算在轨单粒子事件发生率，空间辐射环境采用ADAMS 90%最坏情况模型，太阳同步轨道高度965km，单粒子事件发生率为1.17×10-2次/（天·器件）。

通过试验结果分析可以发现，由于Flash 存储单元为浮栅结构，Flash器件在写入状态为“FF”时，器件存储二进制数据为“11111111”，所有浮栅内电荷被挤出，浮栅内没有存储电荷，器件不易受重离子影响而向浮栅内“充电”；当写入状态为“55”时，器件存储二进制数据为“01010101”，部分浮栅俘获电荷，即为“0”，此时，器件容易受重粒子影响而驱使浮栅“放电”。

图6 动态读写模式线性能量传递-器件翻转截面曲线Fig.6 LET-cross section curve of dynamic writing mode

6 结论

选择采用浮栅结构作为存储单元的三星公司Flash K9XXG08UXA系列存储器，进行电离总剂量试验和单粒子试验。从试验结果可见：当受到一定量空间辐射影响后，浮栅内存储电荷发生改变，性能发生退化，产生了电离总剂量效应；当频繁受到重离子或质子攻击时，在栅源以及PN 结之间形成电流脉冲，易发生单粒子效应，同时，当器件存储数据为“1”时，所有浮栅内电荷被挤出，浮栅内没有存储电荷，器件不易受重离子影响而向浮栅内“充电”，即不易发生单粒子翻转效应，当器件存储数据为“0”时，浮栅俘获电荷，此时，器件容易受重粒子影响而驱使浮栅“放电”，即容易发生单粒子翻转效应。试验表明：Flash K9XXG08UXA系列存储器抗电离总剂量能力低于50krad（Si），单粒子效应试验在线性能量传递值小于38MeV·cm2/mg时，没有发现单粒子锁定现象，空间辐射环境采用ADAMS 90%最坏情况模型，太阳同步轨道高度965km，单粒子翻转错误发生率大约为2×10-2次/（天·器件）。因此，空间应用Flash K9XXG08UXA系列存储器时，应考虑进行抗辐射加固设计。

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