一种Flash存储器单粒子效应检测方法与流程

(一)
技术领域：
：本发明涉及一种flash存储器单粒子效应检测方法，属于空间辐射效应检测领域。(二)
背景技术：
：空间环境中存在的各种带电粒子会对航天航空系统中半导体器件造成辐射损伤。早期研究中，器件的辐照效应主要是总剂量效应和位移损伤。半导体器件的特征尺寸不断缩小，单粒子效应随之出现，并已经成为影响宇航电子系统正常工作的主要因素。当高能粒子入射到半导体器件中，与器件的灵敏区域相互作用产生的电子-空穴对被器件收集所引发的器件功能异常或者器件损坏就是单粒子效应。单粒子效应分为单粒子翻转、单粒子闭锁、单粒子功能中断等。多数flash存储器的基本单元是基于浮栅工艺的mos管，它有两个栅:一个控制栅和一个位于沟道和控制栅之间的浮栅。按照flash内部结构以及技术实现特点，可以将其分为nor型和nand型。nand型flash各存储单元间是串联的，它比nor架构有更高的位密度，每位的成本更低。norflash各单元间是并联的，它传输效率高，读取速度快，具有片上执行功能。单粒子效应会对flash存储器的存储数据内容和功能造成影响，如flash存储单元中存储的数据可能发生1到0或0到1的翻转，导致数据错误、逻辑混乱、指令异常等，进而影响整个系统的稳定性和可靠性。随着flash存储器大量应用于各型号航天系统，对其单粒子效应评价至关重要。目前国内单粒子效应试验相关标准有qj10005-2008、gjb6777-2009和gjb7242-2011，但标准中没有给出具体的效应检测方法。多数对flash存储器单粒子效应检测的研究中普遍缺失了对器件存储区与外围电路的效应区分和不同影响考虑。本专利对flash存储器单粒子效应的检测技术进行总结和研究，提出了一种flash存储器单粒子效应检测方法，覆盖单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闭锁，同时可以区分存储单元和外围电路造成的翻转。本专利可以为相关单粒子效应检测实验提供参考，支撑norflash存储器的抗辐照鉴定检验。(三)技术实现要素：：1.目的：本发明的目的是为了提供一种flash存储器单粒子效应检测方法，覆盖单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闭锁，同时可以区分存储单元和外围电路造成的翻转，为相关单粒子效应检测实验提供参考。2.技术方案：本发明提出一种flash存储器单粒子效应检测方法，它包括以下步骤：步骤一：对器件进行开封处理。塑料封装的主要成分是环氧树脂，常采用浓硝酸和浓硫酸对塑料封装进行去除。对于陶瓷封装元器件一般利用混酸把元器件外面的封装体腐蚀掉，使其暴露出内部芯片或引线，以便进行后续分析。步骤二：在器件静态无偏模式下进行单粒子效应检测试验。先对器件进行全片写入，读取加以验证，然后去掉偏置电压，对器件进行粒子辐照。当辐照达到预期注量时停止，恢复偏置电压，读取flash中数据并记录错误。对器件在同一入射能量下进行多次实验，获得多个数据点并计算翻转截面，绘制效应截面和入射粒子let值的关系曲线，得到单粒子效应发生的let阈值和饱和截面。步骤三：在器件静态模式下进行单粒子效应检测试验。先对器件进行全片写入，读取加以验证，接着对器件进行粒子辐照。当辐照达到预期注量时停止，读取flash中数据并记录错误。对器件在同一入射能量下进行多次实验，获得多个数据点并计算翻转截面，绘制效应截面和入射粒子let值的关系曲线，得到单粒子效应发生的let阈值和饱和截面。步骤四：在器件动态模式下进行单粒子效应检测试验。开启仪器进行粒子辐照。对器件进行全片写入，观察操作是否完成。若操作完成，全片读取并与写入数据比较。结果中有翻转且翻转数小于所设阈值时，重新读取一次。两次读取都翻转的位记录为存储单元造成的单粒子翻转，翻转恢复的位记录为外围电路造成的翻转。结果中有翻转且翻转数大于所设阈值时，记录单粒子功能中断错误。若操作未完成，记录单粒子功能中断错误，重置器件继续检测。对试验中的翻转位重新写0或擦1，若翻转没有消失，记录此位为单粒子翻转中的硬错误，继续进行试验。当观察到大幅增加的电流时断开电源，记录单粒子闭锁错误，短暂静置待单粒子闭锁消除后重新通电开始试验。在全片写入后进行全片擦除，重复上述操作。当辐照达到预期注量时停止试验。对器件在同一入射能量下进行多次实验，获得多个数据点并计算翻转截面，绘制效应截面和入射粒子let值的关系曲线，得到单粒子效应发生的let阈值和饱和截面。通过以上步骤，可以完成对flash存储器常见单粒子效应即单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闭锁的检测，同时区分存储单元和外围电路造成的翻转，可以对器件不同组成部分的具体效应敏感性进行评价。该检测方法简单实用，实施容易，具有推广应用价值。其中，在步骤一中所述的“对器件进行开封处理”，其目的如下：地面高能粒子模拟实验是目前单粒子效应研究中最常用的实验方法，它能较好地反映器件的辐射特性，常用的地面模拟源有粒子加速器提供的重离子束或质子束、252cf裂片模拟源、14mev中子源和脉冲激光等。由于激光本身是一种光，无法穿透塑料和陶瓷封装，同时回旋加速器提供的粒子射程有限，也不能穿透器件的封装，故在进行试验前需要对器件进行去封装处理。其中，在步骤二、三中所述的“在器件静态无偏模式和静态模式下进行单粒子效应检测试验”，其目的如下：静态和静态无偏模式都可以排除外围电路单粒子闭锁和单粒子功能中断的影响，因为此时外围控制电路不工作，入射粒子只对存储单元产生作用。进行两种静态辐照试验可以观察待测器件存储单元造成的翻转模式，同时对器件在贮存状态下的单粒子效应敏感性进行评估。其中，在步骤四中所述的“在器件动态模式下进行单粒子效应检测试验”，其目的如下：在动态辐照试验中除了单粒子翻转，还可能会出现外围控制电路造成的单粒子功能中断和单粒子闭锁，由于flash的擦除和写入操作中存在高电压，在这些操作过程中flash更容易发生破坏性故障。在辐照后连续读取观察错误是否消失，若错误消失判断是外围电路造成的翻转，若错误没有消失则是由粒子入射存储单元造成的。存储单元浮栅中的电荷损失和俘获导致浮栅管阈值电压漂移，会造成数据翻转。而外围电路如缓冲区，在动态模式下可以把错误传递到存储单元，同样造成数据的翻转。flash存储器的读取时间很短且不存在高压，再次读取就能检索正确的信息，意味着实际存储在浮栅上的信息没有损坏(浮栅存储电荷量没有变化)。相反，仍存在的错误位，其浮栅单元存储电荷量发生变化导致阈值电压漂移到另一状态，信息永久丢失。对试验中的翻转位写0或擦1即重新改变存储单元电荷量后翻转错误未消失，说明浮栅单元出现了硬错误。其中，在步骤四所述的单粒子功能中断判据如下：单粒子功能中断分为瞬态和持续两种。瞬态单粒子功能中断是由粒子入射控制电路和缓冲区引起的，与持续单粒子功能中断不同，它不需要重置器件就会消失。瞬态单粒子功能中断被进一步划分为：(1)页错误，某页中错误数远超其他页的平均值；(2)块错误，某块中错误数远超其他块的平均值；(3)垂直错误，一页/块出现错误后，在后续页/块中的同样位置也出现错误。在单粒子效应检测中，对于整块整页或连续的大量数据翻转，普遍把它归因于单粒子功能中断，而不是大量单个位的翻转。根据存储器容量设置位翻转阈值，当读取到的错误数大于这个阈值时，判断发生了单粒子功能中断。持续单粒子功能中断表现为器件的功能失效，可根据实际现象进行判断，比如在连续读取操作中出现整页读取失败的现象，则它与浮栅单元外围电路的辐射损伤有关。具体现象有地址无法访问、写/读/擦操作暂停、部分擦除、就绪信号永远保持忙碌状态导致操作无限循环等。持续单粒子功能中断都可以通过电源循环或复位命令来恢复。其中，在步骤四所述的单粒子闭锁判据如下：单粒子闭锁是由寄生可控硅的激活引起的，表现为工作电流持续增大。器件正常运行时，控制电路和寄存器中的逻辑状态切换可能引起内部总线争用，可能导致设备电流的突然增大，单粒子功能中断也会导致工作电流增大。不同于单粒子闭锁，这些由粒子入射引起的电流峰值持续时间很短，工作电流可自行恢复到正常状态。通过检测器件的工作电流，当电流大于设置的阈值时切断电源，来避免单粒子闭锁破坏电路。其中，在步骤二、三、四中检测数据模式如下：flash存储器按存储地址写0，按扇区进行擦除(写1)，其常用单粒子效应检测数据模式可以选择伪随机序列及其互补序列，用于模拟真实数据，也可以选择全0全1，棋盘格和反棋盘格。大多数试验结果表明，存储单元只会造成从0到1的翻转，而外围电路会造成从0到1和从1到0的翻转，故通常全0模式都是出现单个位错误的最坏情况。但由于全0模式不能检测外围电路造成的从1到0翻转，所以在大多数检测中都使用了棋盘格和随机序列，从1到0的误差表明错误来自外围电路。在辐照后，所有数据模式都可以用来检测待测器件，以判断它是否发生功能失效，表1为检测数据模式及适用性。表1数据模式及适用性数据模式适用性全0全1辐照后判断功能失效棋盘格所有检测随机序列所有检测其中，在步骤二、三、四中数据分析处理操作如下：单粒子效应发生的几率通常用截面来表示，定义为：式中σ为单粒子效应截面，单位是cm2，截面越大，器件抗单粒子效应的能力越差。n为器件发生某一种效应的次数；φ是粒子注量，为单位面积的入射粒子数，单位是cm-2；θ指离子的入射方向与器件的垂直方向的夹角；φcosθ为垂直入射到器件表面的的粒子总数量。曲线拟合方式一般采用weibull函数。其中，σhi表示重离子造成的翻转截面，let表示重离子在单位敏感区域内积累的能量，letth表示重离子造成单粒子效应所需要最小的能量值，σsat表示翻转饱和截面，w和s表示weibull函数的形状参数。3.优点及功效：本发明的优点是：(1)提供一种flash存储器单粒子效应检测方法，覆盖单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闭锁，对flash存储器常见单粒子效应模式覆盖较全面；(2)考虑了存储单元和外围电路造成的单粒子翻转的区分，可以评价器件这两种组成部分的单粒子翻转敏感性；(3)本检测方法简单实用，实施容易，具有推广应用价值。(四)附图说明：图1、动态模式下flash存储器单粒子效应检测流程图图2、flash存储器单粒子效应分类及故障原因图3、单粒子翻转截面与let关系及weibull拟合曲线图4、flash存储器单粒子效应检测步骤(五)具体实施方式：本发明一种flash存储器单粒子效应检测方法，具体实施步骤如下：步骤一：对所选flash存储器进行开封。对常见的塑封器件和陶瓷封装器件采用酸腐蚀结合开封器完成开封，使其暴露出内部芯片或引线，便于辐射源作用于器件的功能区。步骤二：对flash写入棋盘格或随机序列数据，在静态无偏模式即器件不通电不工作时，进行粒子辐照，结束辐照后读取存储数据并记录错误。静态无偏模式下器件不工作，辐照只作用于存储单元，静态无偏模式可以模拟器件在贮存状态下的单粒子效应。步骤三：对flash写入棋盘格或随机序列数据，在静态模式即器件通电不工作时，进行粒子辐照，结束辐照后读取存储数据并记录错误。静态模式下器件仅上电，外围电路不工作，辐照同样只作用于存储单元，可以获得存储单元造成的单粒子翻转模式，即从0到1或从1到0。步骤四：在动态模式即器件执行全片读取、全片写入棋盘格或随机序列数据、全片擦除操作时进行粒子辐照，同时监测器件的工作电流，其流程图如图1所示，flash存储器单粒子效应分类及故障原因如图2所示。实时记录单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闭锁错误，达到规定注量后结束辐照。其中单粒子功能中断的判据为：对于整块整页或连续的大量数据翻转，归因于单粒子功能中断，而不是大量单个位的翻转。根据存储器容量设置位翻转阈值，当读取到的错误数大于这个阈值时，判断发生了单粒子功能中断。器件出现功能失效如地址无法访问、写/读/擦操作暂停、部分擦除、就绪信号永远保持忙碌状态导致操作无限循环等，同样判断发生了单粒子功能中断。其中单粒子翻转硬错误的判据为：对试验中的翻转位写0或擦1即重新改变存储单元电荷量后翻转错误未消失，说明浮栅单元出现了硬错误。其中单粒子闭锁的判据为：观察到大幅增加且不能恢复正常的电流时判断发生了单粒子闭锁。其中存储单元和外围电路造成翻转的判据为：在读取数据发现翻转位后继续进行一次读取，观察错误是否消失，若错误消失判断是外围电路造成的翻转，若错误没有消失则是由粒子入射存储单元造成的。步骤五：对器件在同一入射能量下进行多次实验，获得多个数据点并计算翻转截面，得出效应截面和入射let值的关系。通过weibull函数进行曲线拟合，得到单粒子效应发生的let阈值和饱和截面，作为评价单粒子效应敏感性的重要指标，单粒子翻转截面与let关系及weibull拟合曲线如图3所示。单粒子效应发生的几率通常用截面来表示，定义为：式中σ为单粒子效应截面，单位是cm2，截面越大，器件抗单粒子效应的能力越差。n为器件发生某一种效应的次数；φ是粒子注量，为单位面积的入射粒子数，单位是cm-2；θ指离子的入射方向与器件的垂直方向的夹角；φcosθ为垂直入射到器件表面的的粒子总数量。曲线拟合方式一般采用weibull函数。其中，σhi表示重离子造成的翻转截面，let表示重离子在单位敏感区域内积累的能量，letth表示重离子造成单粒子效应所需要最小的能量值，σsat表示翻转饱和截面，w和s表示weibull函数的形状参数。当前第1页12