宇航用MRAM型存储器抗单粒子辐射效应浅析

amao

  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	SRAM	DRAM	FLASH	FRAM	MRAM
存储特性	易失	易失	非易失	非易失	非易失
读取速度	1.1ns	10ns	10~50ns	30~40ns	＜60ns
写入速度	--	10ns	10μs	100ns	10ns
可读写持续性	无限	无限	105	109~1012	＞1015
单元密度	40/F2	10/F2	4/F2	8/F2	6~12/F2
功耗	低	高	10~100mW	＞10mW	＜10 mW

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        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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denny_9

珠海 欧比特，复旦微电子 应该做很多这类的 模块与芯片，