典型FLASH存儲器60Co γ電離輻射效應測試與分析

宋 衛(wèi) 曲 狄 吾勤之

典型FLASH存儲器60Co γ電離輻射效應測試與分析

宋 衛(wèi)1曲 狄2吾勤之2

1（上海航天電子技術研究所 上海 201109）
2（上海航天技術基礎研究所 上海 201109）

通過測量衛(wèi)星用FLASH存儲器的內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯(WW≠0)、電源電流、輸出高低電平電壓、輸入漏電流以及交流參數(shù)隨輻照劑量的變化情況，對FLASH存儲器的電離輻射效應損傷規(guī)律、敏感參數(shù)進行了研究。研究結果表明，F(xiàn)LASH存儲器的電離輻射效應損傷規(guī)律主要表現(xiàn)為隨輻照劑量增加，存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出現(xiàn)錯誤，數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)擦除以及維持模式下的電源電流逐漸增大，這些參數(shù)可以作為輻照敏感參數(shù)；動態(tài)輻照偏置下存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯時的劑量閾值比靜態(tài)輻照偏置和不加電輻照偏置條件下大一個數(shù)量級以上。

FLASH存儲器，電離輻射效應，輻照敏感參數(shù)，輻照偏置條件

自20世紀90年代初，Intel公司推出基于浮柵結構的新型閃速存儲器FLASH后，F(xiàn)LASH存儲器開始在衛(wèi)星電子系統(tǒng)中得到廣泛使用。近年來，F(xiàn)LASH存儲器的單粒子效應(Single Event Effects, SEEs)是國內(nèi)外衛(wèi)星抗輻射加固領域的研究熱點[1?2]。由于FLASH存儲器的結構復雜，外部管腳有限，基于中小規(guī)模CMOS數(shù)字電路的反相器IV特性曲線以及MOS晶體管閾值電壓測量方法較難適用，而國內(nèi)外目前對于FLASH存儲器的電離輻射效應如何測試、抗輻射能力如何評價尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范[3]。因此，開展FLASH存儲器的電離輻射效應損傷規(guī)律及敏感參數(shù)研究對于建立電離輻射效應模擬試驗方法具有重要意義。

本文通過測量60Co γ射線輻照下典型FLASH存儲器的內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯(WW≠0)、電源電流、輸出高低電平電壓、輸入管腳漏電流以及交流參數(shù)隨輻照劑量的變化情況，對FLASH存儲器的電離輻射效應損傷規(guī)律進行了分析，探討了FLASH存儲器的輻照敏感參數(shù)。

1 試驗條件

試驗樣品為ATMEL公司生產(chǎn)的AT29C256 (32K×8位)FLASH存儲器。采用60Co γ射線源對試驗樣品進行輻照試驗。輻照劑量率選取為0.01?0.1Gy(Si)·s?1。根據(jù)衛(wèi)星用電子元器件的工作狀態(tài)，試驗過程中FLASH存儲器內(nèi)部每個存儲字節(jié)先寫入數(shù)據(jù)“55H”，即“0”與“1”相互間隔的狀態(tài)。輻照過程中其具體偏置條件分別為：(1) 工作偏置：試驗樣品的電源、控制等端口施加正常的電壓值，使FLASH存儲器處于數(shù)據(jù)讀取工作狀態(tài)；(2) 靜態(tài)偏置：樣品電源端正常施加電壓值，其他各輸入端口經(jīng)限流電阻接至電源電壓或地；(3) 不加電偏置：樣品所有管腳端接在一起，不施加任何信號。

輻照測試采取移位測試，測試系統(tǒng)為自制FLASH存儲器測試系統(tǒng)，測試參數(shù)主要有FLASH存儲器內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯情況(WW≠0)，數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)擦除以及維持工作模式下的電源電流，輸入管腳漏電流，輸出高低電平電壓以及數(shù)據(jù)建立時間和數(shù)據(jù)保持時間等典型交流參數(shù)。

2 試驗結果

2.1 存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯情況(WW≠0)與輻照劑量之間的關系

圖1是三種偏置條件下FLASH存儲器內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯情況(WW≠0)與輻照劑量之間的關系。從圖1中看出，當輻照劑量達到FLASH存儲器內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯的閾值后，隨著輻照劑量增加，存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯數(shù)量將以指數(shù)形式猛增，表明FLASH存儲器內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)的邏輯狀態(tài)對輻照劑量比較敏感。此外，從圖1中還可以看出，出錯情況和輻照偏置條件有關，當輻照到相同總劑量時，工作偏置條件下的出錯位數(shù)要遠超過其他兩種偏置條件下的出錯位數(shù)，且靜態(tài)輻照偏置和不加電輻照偏置下，存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯時的劑量閾值要比工作輻照偏置下存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯時的劑量閾值大一個數(shù)量級以上。

圖1 工作偏置(a)、靜態(tài)偏置(b)和不加電輻照偏置條件下(c)典型FLASH存儲器內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯情況(WW≠0)與輻照劑量的關系Fig.1 Relationship between logic errors of typical flash memory (WW≠0) and radiation dose under working bias (a), static bias (b) and no-power bias (c) conditions.

上述試驗結果表明，工作偏置是FLASH存儲器的最劣輻照偏置條件，該偏置相比于靜態(tài)輻照偏置和不加電輻照偏置能夠引起FLASH存儲器內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出現(xiàn)更多的錯誤。

2.2 不同工作模式下的電源電流變化情況與輻照劑量之間的關系

圖2是三種輻照條件下數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)擦除以及維持工作模式下典型FLASH存儲器的電源電流變化情況與輻照劑量之間的關系。從圖2中看出，隨著輻照劑量增加，三種工作模式下典型FLASH存儲器的電源電流都出現(xiàn)了增大現(xiàn)象，表明上述三種工作模式下FLASH存儲器的電源電流對輻照劑量都比較敏感。

圖2 數(shù)據(jù)讀取(a)、數(shù)據(jù)擦除(b)和維持模式(c)工作模式下典型FLASH存儲器電源電流變化情況與輻照劑量的關系Fig.2 Relationship between power current of typical flash memory and radiation dose under reading working status (a), erasing working status (b) and holding working status (c) conditions.

2.3 輸入管腳漏電流變化情況與輻照劑量之間的關系

圖3是FLASH存儲器的輸入管腳漏電流變化情況與輻照劑量之間的關系。從圖3中可以看出，隨著輻照劑量增加，輸入管腳漏電流與輻照前的測量值相比基本沒有發(fā)生變化，表明FLASH存儲器的輸入管腳漏電流對輻照劑量不敏感。

2.4 輸出高低電平電壓變化情況與輻照劑量之間的關系

圖4是典型FLASH存儲器的輸出高電平電壓和輸出低電平電壓變化情況與輻照劑量之間的關系。從圖4中可以看出，隨著輻照劑量增加，典型FLASH存儲器輸出高低電平電壓與輻照前的測量值相比基本未發(fā)生變化，表明FLASH存儲器的輸出高低電平電壓對輻照劑量不敏感。

圖3 典型FLASH存儲器輸入管腳漏電流變化情況與輻照劑量的關系Fig.3 Relationship between leakage current on input pin of typical flash memory and radiation dose under reading working status.

2.5 交流參數(shù)變化情況與輻照劑量之間的關系

圖5是FLASH存儲器的數(shù)據(jù)建立時間、數(shù)據(jù)保持時間變化情況與輻照劑量之間的關系。從圖5中可以看出，隨著輻照劑量增加，典型FLASH存儲器的數(shù)據(jù)建立時間和數(shù)據(jù)保持時間基本沒有發(fā)生變化，表明FLASH存儲器的數(shù)據(jù)建立時間和保持時間對輻照劑量不敏感。

圖4 典型FLASH存儲器輸出高電平電壓、輸出低電平電壓變化情況與輻照劑量的關系Fig.4 Relationship between output high and low voltage of typical flash memory and radiation dose.

圖5 典型FLASH存儲器的數(shù)據(jù)建立時間(a)、數(shù)據(jù)保持時間(b)變化情況與輻照劑量的關系Fig.5 Relationship between data setting time (a) and holding time (b) of typical flash memory and radiation dose.

3 分析與討論

輻射效應測量是進行輻射效應損傷規(guī)律研究的基礎，如何從眾多電參數(shù)中選出既對電離輻射效應敏感，又能反映電離輻射效應損傷程度與輻照劑量之間關系的參數(shù)作為測量參數(shù)是進行FLASH存儲器電離輻射效應損傷規(guī)律研究的首要前提。

以上試驗研究結果表明，F(xiàn)LASH存儲器的電離輻射效應損傷規(guī)律主要表現(xiàn)為：隨著輻照劑量增加，存儲數(shù)據(jù)的邏輯狀態(tài)出現(xiàn)錯誤(WW≠0)，數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)擦除以及維持模式下的電源電流逐漸增大。因此，可以選取存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯(WW≠0)以及三種不同工作模式下電源電流作為FLASH存儲器的輻照敏感參數(shù)。通過測量這些輻照敏感參數(shù)變化情況與輻照劑量之間的關系，對FLASH存儲器的抗輻射能力進行評估。

FLASH存儲器屬于典型的CMOS工藝器件，其電離輻射效應損傷機理仍是由于輻照感生氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷引起器件參數(shù)特性顯著退化，可以結合輻照感生氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷的產(chǎn)生和輸運對FLASH存儲器的電離輻射效應損傷規(guī)律進行分析[4?8]。FLASH存儲器其基本結構主要由控制電路和矩陣存儲單元組成，其中控制電路為典型的CMOS結構，基本單元是NMOS和PMOS晶體管組成的反相器；而存儲單元則為非易失性浮柵結構。

對FLASH存儲器控制單元，在60Co γ射線輻照下，NMOS晶體管和PMOS晶體管表面SiO2柵氧化層及隔離氧化層中產(chǎn)生了大量電子-空穴對。電子和空穴在外加電場作用下，分別向兩個電極方向漂移。電子除部分與空穴復合外，剩余的很快漂移出氧化層?？昭ㄔ谄七^程中，一部分與電子發(fā)生復合，一部分被氧化層中的缺陷俘獲，另一部分在正柵壓下，緩慢向SiO2/Si界面移動，在SiO2/Si界面反應形成界面態(tài)。氧化層俘獲電荷和界面態(tài)電荷在半導體(Si)表面感生出電荷，使SiO2/Si界面電勢變化，從而導致MOS晶體管的閾值電壓漂移。對NMOS晶體管來說，氧化物陷阱電荷使得閾值電壓負漂；對PMOS晶體管來講其閾值電壓正漂。當NMOS晶體管閾值電壓漂移過零時，將無法出現(xiàn)截止狀態(tài)，而PMOS晶體管則是無法導通，進而使得控制電路邏輯紊亂和功能失效。一般情況下，隔離氧化層的厚度比柵氧化層厚度大得多。根據(jù)MOS晶體管的剖面圖可知，柵極會有一小部分覆蓋在隔離氧化層上，而輻照在隔離氧化層中會產(chǎn)生大量的陷阱電荷，因此，柵在隔離氧化層下的閾值電壓漂移較大，使處于隔離氧化層邊緣的源漏區(qū)之間產(chǎn)生寄生溝道，從而導致源極與漏極之間產(chǎn)生嚴重的泄漏電流，使得晶體管漏極電流增大[9?11]。在集成電路中一般表現(xiàn)為電源電流的增大，正如本文中試驗結果所示。

FLASH存儲器的存儲單元即是在普通MOS晶體管的結構上多了一層被SiO2包圍的多晶硅，一般位于原來的柵極和溝道之間。數(shù)據(jù)的寫和擦除主要是通過改變浮柵的帶電狀態(tài)，浮柵帶電狀態(tài)改變，對應控制柵的固定電壓就會處于導通或截止狀態(tài)，即FLASH存儲單元的狀態(tài)“0/1”也在發(fā)生改變。對存儲單元來講，其主要失效機理為：輻射在浮柵周圍的氧化層中產(chǎn)生電子-空穴對，經(jīng)過快速復合過程存留下來的空穴漂移到浮柵，來復合掉浮柵上的電子，降低浮柵晶體管的閾值電壓。和控制電路相比，由于空穴遷移率較低且浮柵面積較小，所以空穴與浮柵上的電子復合幾率小，其過程需要的時間久，且較大的輻射劑量才會造成存儲單元的功能失效[12?13]，所以對FLASH存儲器，在總劑量輻照下，控制單元的輻射敏感性要高于存儲單元的敏感性。

工作偏置是最劣偏置的原因可能是FLASH內(nèi)部單元源柵漏各端對應的電壓不同，導致了內(nèi)部電勢和電場不同，對輻射的敏感程度不同。在工作偏置時，柵端可能是固定的電位，電場加劇了電子與空穴的分離，削弱了復合，在單元內(nèi)引入了更多的氧化物陷阱電荷，造成了最大程度的輻射損傷。而靜態(tài)和不加電的偏置條件則可能使存儲器內(nèi)部單元處于浮空狀態(tài)，因為沒有電場作用，氧化物中的電子和空穴的復合起主要作用，損傷較工作偏置小，錯誤個數(shù)的上升幅度不明顯。當總劑量增加到一定程度，錯誤個數(shù)才明顯上升[14]。

4 結語

本文通過測量60Co γ射線輻照下典型FLASH存儲器的存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯情況(WW≠0)、電源電流、輸出高低電平電壓、輸入管腳漏電流以及時間參數(shù)隨輻照劑量的變化情況，對FLASH存儲器的電離輻射效應損傷規(guī)律、輻照敏感參數(shù)等進行了研究。研究結果表明，存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯情況(WW≠0)以及不同工作模式下的電源電流是FLASH存儲器的輻照敏感參數(shù)，通過測量輻照過程中這些參數(shù)變化情況與輻照劑量之間的關系可以對FLASH存儲器的抗輻射能力進行評估；輻照條件下，F(xiàn)LASH存儲器內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)出錯(WW≠0)與偏置條件密切相關，工作輻照偏置下邏輯狀態(tài)出錯時的輻照劑量閾值比靜態(tài)輻照偏置和不加電輻照偏置下大一個數(shù)量級以上。

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CLC TN432, TN79

Testing and analysis of60Co γ ionizing radiation effects on typical flash memory

SONG Wei1QU Di2WU Qinzhi2
1(Shanghai Academy Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China)
2(Shanghai Academy Basic Technology Institute, Shanghai 201109, China)

Background: Flash memory is a critical part of electrical system on satellite, its characteristics of antiradiation is of great significance for system design. Purpose and Methods: we need to investigate the ionizing irradiation damage and sensitive parameters through testing date logic state, power current, output voltage level, leakage current and Alternating Current parameters. Results: Date logic state appears some errors along with increasing of total radiation dose. Also power current on reading, erasing and holding status increase as radiation dose rising. The failure level on dynamic bias is one-order-magnitude higher than that on static and no power biases. Logic state and power current are sensitive parameters through the experiment results. Conclusion: Results analysis and discussion on the radiation damage phenomenon would provide a theoretical basis and method on comprehensive radiation evaluation of flash memories.

Flash memory, Ionizing radiation effects, Sensitive parameters, Radiation biases

TN432，TN79

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010202

宋衛(wèi)，男，1964年出生，1986年畢業(yè)于上海交通大學，工程師，從事星載計算機技術研究

2014-01-22，

2014-03-26