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宇航用MRAM型存储器抗单粒子辐射效应浅析

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发表于 2017-3-20 17:19 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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  高可靠、高性能的存储器一直以来都是宇航系统最急需的产品之一。磁阻式随机存储器(MRAM)自上世纪90 年代以来获得了高速的发展,目前和铁电存储器(FRAM)、阻变存储器(RRAM)以及相变存储器(PRAM)等被认为是最具潜力的新型存储器。
       MRAM 记忆状态的保持是依靠磁矩的方向,而不是电荷,这种记忆保存的非易失性使得MRAM具有非挥发性优点,更重要的是其在抗电离辐射方面具有先天的优势。MRAM与目前常用存储器相比,具有一定优势。
MRAM同几种常用存储器的比较
主要性能SRAMDRAMFLASHFRAMMRAM
存储特性易失易失非易失非易失非易失
读取速度1.1ns10ns10~50ns30~40ns<60ns
写入速度--10ns10μs100ns10ns
可读写持续性无限无限105109~1012>1015
单元密度40/F210/F24/F28/F26~12/F2
功耗10~100mW>10mW<10 mW
6 {6 X3 b$ F0 e2 Y7 B2 A
        当前MRAM已逐步在宇航型号中应用,现对国内某款3D封装256k×32bit的MRAM,开展重离子单粒子效应试验,对该器件在轨翻转率进行预计,同时给出应用建议。
        该存储器工作电压3.0V~3.6V,数据宽度32bit,快速读写周期35ns,并且与传统SRAM时序兼容,无需重新设计控制器,可以替代FLASH、SRAM、EEPROM等使用。利用HI-13串列静电加速器的F、Cl、Ge离子开展试验,离子参数见下表。
试验用重离子及其特性
离子种类
能量(MeV
LET (MeV·cm2/mg)
射程(μm)
F
115
4.06
87.9
Cl
138
13.9
38.9
Ge
230
37.0
32.8
单粒子试验在常温空气下进行,试验过程中实时监测器件单粒子翻转和工作电流。试验结果如下表。
辐照粒子
LET值MeV·cm2/mg
注量率
cm2·s
粒子总数
cm2
SEU
SEL数
SEU数
翻转截面
cm2/器件
Ge
37.3
8700
2.36E+06
129
1.83E-5
0
Ge
37.3
8700
8.89E+06
100
0
Cl
13.1
10000
1.00E+07
32
1.60E-6
0
Cl
13.1
10000
1.00E+07
0
0
        因为MRAM存储单元采用NMOS管与MTJ集成工艺,物理上不存在PNPN寄生结构,不会产生单粒子锁定效应,而且由于数据写入之后,其数值取决于MTJ的磁阻状态,单粒子入射产生瞬态电流不会影响MTJ的磁阻状态,因此,MRAM的存储单元不会发生单粒子翻转。但外围读写电路采用CMOS工艺制造,存在发生单粒子效应的风险,因此需在设计上进行加固。
        通过试验可以发现,电路在LET值为37.3MeV.cm2/mg的Ge离子辐照下,MRAM电路未发生单粒子锁定现象,可见其单粒子锁定阈值大于37MeV.cm2/mg,而单粒子翻转阈值大于4.2MeV.cm2/mg。利用单粒子翻转在轨预计软件进行计算,饱和截面取9.34E-81.60E-9cm2/器件,选用GEO轨道,Adams 90%最坏情况,3mm等效Al屏蔽模型,计算获取该MRAM的在轨翻转率为6.0E-4 Upsets/Device-Day,即4.57年翻转一次。
        MRAM存储单元部分MTJ结具有天然抗辐照特性,但MRAM中CMOS外围电路易受辐照效应影响。因此,MRAM与SRAM等不同,其抗单粒子能力无法通过EDAC等方法进行加固,但由于存储单元不会受单粒子辐射影响,考虑可以通过定时刷新等软件方法进行加固,进而在节省硬件成本的情况下实现单粒子加固。此外,也可以针对外围CMOS电路的特殊性,进行设计加固,从而整体提升MRAM抗单粒子能力。

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发表于 2017-3-23 14:40 | 只看该作者
珠海 欧比特,复旦微电子 应该做很多这类的 模块与芯片,
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