磁阻式随机存储器（MRAM）重离子单粒子效应试验研究

戈 勇，高 一，梅 博，于庆奎，孙 毅，张洪伟

（1.南京理工大学 自动化学院，南京 210094； 2.航天材料及工艺研究所，北京 100076；3.中国航天宇航元器件工程中心，北京 100029）

0 引言

随着航天技术的飞速发展，星载系统对信息存储和处理提出越来越高的要求，高可靠、高性能的存储器成为宇航系统核心器件之一[1]。早在20世纪70年代，磁阻式随机存储器（magneto-resistive random access memory,MRAM）的概念就已经被提出，但直到1995年隧道磁阻（tunneling magnetoresistance,TMR）效应被发现，才使得MRAM具备了实用前景[2]。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，在抗电离辐射方面具备先天的优势，加之MRAM存储器所具有的低功耗、高密度等特点，使其成为宇航用存储器的重点关注对象。研究MRAM的抗辐射特性，有助于评估其空间适用性，为预测在轨辐射效应提供依据，同时为空间系统设计人员使用MRAM提供必要的参考。

本文利用中国原子能科学研究院HI-13串列静电加速器对某公司生产的MR0A08BCYS35型MRAM存储器进行了重离子单粒子效应试验，并进行了试验结果分析；使用中国航天宇航元器件工程中心（CACEC）自主研发的元器件辐射效应在轨预计软件Fore CAST，对该存储器的在轨翻转率进行了预计，给出了具体的应用建议。

1 MRAM工作原理分析

目前，主流的MRAM利用巨磁阻效应（giant magneto-resistance,GMR）和磁性隧道结（magnetic tunnel junction,MTJ）的隧穿电阻效应来进行存储。以MTJ为例，其元胞结构包括自由层、隧道层和固定层3个层面（如图1所示）。自由层的磁场极化方向是可以改变的，而固定层的磁场方向是固定不变的，在电场作用下，电子会隧穿绝缘层势垒而垂直穿过器件，电流可隧穿的程度及MTJ的电阻均由2个磁性层的相对磁化方向来确定[3]。当自由层的磁场方向与固定层的磁场方向相同时，存储单元呈现低阻态“0”；当两者磁场方向相反时，存储单元呈现高阻态“1”。MRAM器件通过检测存储单元电阻的高低来判断所存储的数据是“0”还是“1”。

图1 MTJ结构示意图Fig.1 Schematic diagram of MTJ structure

典型的存储单元电路结构如图2所示，一般是由1个NMOS管与MTJ单元集成在一起。NMOS管的栅极连接到存储阵列的字线（word line,WL），源（漏）极通过源极线（source line,SL）与MTJ的固定层相连；而连接到MTJ自由层上的连线为存储阵列的位线（bit line,BL）。在位线和源极线之间施加不同的电压，产生流过磁隧道结的写入电流（Iwrite），Iwrite可改变磁隧道结自由层的磁化方向，使隧穿电阻变化，完成“0”和“1”的存储[4-5]。MRAM电路的读取机制是电流从位线流入，并通过MTJ和MOS管输出，电压的大小同样依赖于MTJ 电阻的高低，相同读取电流下所产生的输出电压不同。根据输出电压就可以判断存储单元所储存的数据是“0”还是“1”。

图2 MRAM工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of MRAM working principle

1个MTJ和1个MOSFET（即1T1M）结构构成MRAM基本的存储单元，众多存储单元又组成存储阵列，一般的MRAM电路除存储阵列之外还有相应的外围电路。如图3所示，存储器外围电路主要包括灵敏放大器、译码电路、读/写控制电路等。与SRAM等存储器类似，灵敏放大器主要用来对位线信号进行放大。可见除了存储阵列之外，外围电路均可采用与传统工艺兼容的CMOS电路进行设计制造。

图3 典型存储单元结构示意图Fig.3 Schematic diagram of MRAM memory cell

2 MRAM重离子单粒子效应试验

2.1 试验样品

选取MR0A08BCYS35型MRAM作为试验样品，其存储容量为128 kByte×8 bit，功能如图4所示。该存储器工作电压3.0～3.6 V，数据宽度32 bit，快速读写周期35 ns，并且与传统SRAM时序兼容，无须重新设计控制器。

试验样品共2只，编号分别为16#、17#，试验前先进行开帽处理，露出内部芯片。该样品为单片MRAM，开帽处理后可以直接进行重离子辐照试验。其试验结果可作为叠层封装MRAM的参考依据，即以基片抗辐射能力评估叠层封装MRAM器件的抗辐射能力；但考虑到空间单个粒子入射可能穿透多层芯片，会导致多位翻转等错误，因此叠层封装MRAM的抗单粒子能力评估需单独进行，本文仅论及单层封装的MRAM器件。

图4 MR0A08BCYS35型MRAM存储器功能结构框图Fig.4 Schematic diagram of MRAM memory MR0A08BCYS35

2.2 试验测试

根据存储器的读写时序访问特性，利用FPGA和S689-T处理器芯片进行控制。通过FPGA适当调整S698-T芯片的外部I/O总线时序，实现存储器读写时序的精确操作。如图5所示，FPGA自定义一个可以挂载MRAM存储器的总线接口ABUS，该接口为通用接口，也可以挂载其他类型存储器，接口信号如表1所示。通过线性地址对存储器进行访问，完成读写功能并统计单粒子翻转数、定位单粒子效应发生位置。

图5 MRAM单粒子检测系统接口示意Fig.5 The external interfaces of MRAM SEE testing system

表1 ABUS接口信号说明Table 1 The portal signal of ABUS

控制FPGA内部连接如图6所示，S689-T处理器的I/O时序完全可满足MRAM的接口要求，因此，在FPGA内部只要简单地把相应的控制线和数据线相连就可以了。另外需要设计一个片选寄存器，用来区分MRAM存储器的16个片选。每个片选可以访问的空间为128 MByte，片选寄存器的地址为(基址+0x0FFFFFFC)，设在S698-T I/O总线的最高地址位。

图6 控制FPGA内部连接示意图Fig.6 Internal interfaces for controlling FPGA

存储器测试一般包含如下步骤：测试存储器的数据线；测试存储器的地址线；以棋盘格的方式填充存储器的所有地址空间，并读出一一验证。存储器的SEU测试包括静态读写、静态写动态读、动态读写3种方式，其中静态读写是指测试之前将所有数据写入存储器，然后进行单粒子辐照，辐照至规定注量后一次读取存储器内容，并判定和记录发生的翻转等错误数；静态写动态读是指测试之前写入测试数据，然后进行单粒子辐照，辐照过程中按照一定频率不停地读取存储器内数据，同时判定和累计记录翻转等错误数；动态读写是指在单粒子辐照过程中，按照一定的频率进行循环的“写入—读出”操作，并在每一循环周期内判定和累计记录翻转等错误数。

MRAM是非易失存储器，若连续2次读取在同一位置均发生翻转，无法区分是外围电路翻转还是存储单元被单粒子连续打翻2次，因此SEU测试采用动态读写模式，而且每次写入后进行多次读取，直到连续2次读取均发现翻转再进行下一次写入。每一个步骤都要打印测试结果，通过RS232接口输出给上位机显示。具体来讲就是首先写入数据，然后在离子束辐照过程中连续读。

第1步是数据线的测试，逐位检测数据线的每一个位。以8位的数据线为例，从0地址开始，连续向存储器开始的8个单元依次写入1,2,4,8,···,27，再从0单元依次读取其中的值；如果读出的值与写入的值不符，则相应的数据线连接不正常，需要打印出出错的位置，以便检修。

第2步是地址线的测试，逐位测试每一根地址线。以27根地址线为例，连续向地址单元1,2,4,8,···,2n-1分别写入固定值1,2,3,···,n，其中n取值范围为1～27，再逐个读出各地址单元的值，检查其是否与写入的值一致，如果不符则打印出出错的地址线位置。

只有上述2步测试正常通过以后，方可进入第3步的测试。

第3步是连续向地址单元0,1,2,3,···,n依次写入0x55,0xAA，其中n是整个空间的最后一个地址单元，再依次读出所有的地址单元值，一一进行比较，如果全部正确则第3步测试通过。如果中途有翻转，则记录下翻转位的位置，再重新依次读出所有的地址单元值，一一进行比较，若之前的翻转恢复则记录1次瞬态翻转，第3步测试通过；若之前的翻转依然发生，则记录1次SEU，并重新写回原来的棋盘格数据，最终统计并打印出测试结果（翻转次数和翻转位置）。第3步的测试一直反复循环。

2.3 单粒子试验

利用中国原子能科学研究院HI-13串列静电加速器上的F、Cl、Ge离子对MR0A08BCYS35型MRAM存储器进行单粒子辐照试验，离子种类、LET值、射程等参数见表2所示。选取16#、17#共2只样品进行单粒子翻转和单粒子锁定效应试验。

表2 试验用的重离子及其特性Table 2 The heavy ion of SEE test

2.3.1 单粒子翻转试验

对被测器件进行单粒子翻转测试时，电源电压（VDD）为3 V。测试系统向被测器件提供运行程序，使其处在工作状态，同时还能监测被测器件对单粒子翻转的敏感性。器件的单粒子翻转检测通过实时监测芯片输出与预设标准数据比对的方式进行。输入对应的配置激励，器件接收外部串行数据并将其分配到后端4路驱动器，产生相应的并行控制信号；器件回收并行控制信号并将其转换为串行信号后转发，然后实时采集芯片输出数据与预设的标准数据进行比对：一致即认为工作正常，没有发生单粒子翻转；反之则认为发生了单粒子翻转，记录单粒子翻转数并通过串口发回上位机。单粒子翻转计数达到100次，或累积注量达到1×107cm2（以先到者为准），则停止辐照。

MR0A08BCYS35型MRAM的单粒子翻转包括2种，其中一种是瞬态翻转，即第1次读取发现SEU错误，第2次再读取不发生错误；另一种是连续2次读取均发生SEU错误。瞬态翻转是由于单粒子瞬态（SET）导致逻辑电路产生的瞬态错误，不会传输到存储节点对存储状态产生影响。考虑到在轨单粒子入射的概率远低于地面模拟试验时的，通过刷新等操作可以避免该类错误，不会影响MRAM器件在轨的应用，因此瞬态错误在此处不再分析讨论，仅作为参考数据在表3中给出。

表3 MR0A08BCYS35型MRAM单粒子效应试验结果Table 3 SEE result of MRAM MR0A08BCYS35

本研究试验数据中的SEU数统计的是由测试系统连续2次读取均发生翻转的错误。由于试验所用的单粒子翻转测试模式是通过实时监测芯片输出与预设标准数据比对的方式进行，所以这种翻转错误可能是存储位错误，也可能是由于地面加速器离子辐射密度高，而读取频率低于离子2次入射的时间差，在2次读取之间读写电路再次被单粒子打翻，从而导致的读写电路的连续错误。通过对MRAM存储单元结构的分析可知，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。但是，MRAM器件外围读写电路采用CMOS工艺制造，进行串行读写的时候，外围读写电路在重离子辐照下可能产生单粒子翻转，因此，本研究试验中统计的SEU数（即表3中的SEU数）应该是外围电路的单粒子翻转数。

2.3.2 单粒子锁定试验

对被测器件进行单粒子锁定测试时，一般选取器件的最高工作电压。该被测器件的最高电源电压为3.6 V。对器件进行功能测试，实时监测电源电流并保存记录。器件的工作电流突然大于设定值（如正常工作电流的1.5倍）且器件功能异常时，认为器件发生单粒子锁定；若电流增大但器件功能未发生异常，则需要手动刷新直到电流恢复正常。器件发生单粒子锁定时，要求系统能够远程切断器件供电电源。

2.4 试验数据结果

MR0A08BCYS35型MRAM的单粒子效应试验在常温大气环境下进行，试验过程中实时监测器件单粒子翻转和工作电流，试验结果参见表3。

试验发现，在LET值为4.2 MeV·cm2/mg的F离子辐照下，MRAM器件未发生单粒子翻转；在LET值为13.1 MeV·cm2/mg的Cl离子辐照下，MRAM器件均有单粒子翻转现象发生；在LET值为37.3 MeV·cm2/mg的Ge离子辐照下，MRAM器件均未发生单粒子锁定现象。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[6-7]；但外围读写电路依然采用CMOS工艺制造，存在发生单粒子锁定的风险，因此需在设计上进行加固[8]。根据试验结果，在LET值为37.3 MeV·cm2/mg的Ge离子辐照下，MRAM器件未发生单粒子锁定现象，可见其单粒子锁定阈值大于37 MeV·cm2/mg，而其发生单粒子翻转的LET阈值大于4.2 MeV·cm2/mg。

3 在轨单粒子翻转率预估及应用建议

由表3，在Ge离子（LET=37.3 MeV·cm2/mg）的辐照下，SEU数一共是1 768，翻转截面为1.51×10-4cm2/器件；在Cl离子（LET=13.1 MeV·cm2/mg）的辐照下，SEU数为32，翻转截面为1.60×10-6cm2/器件；在F离子（LET=4.2 MeV·cm2/mg）的辐照下，SEU数为0。可见当入射重离子LET从37.3 MeV·cm2/mg下降至13.1 MeV·cm2/mg的过程中，SEU数迅速减少2个数量级；而当重离子LET下降至4.2 MeV·cm2/mg时，不再发生单粒子翻转。因此，可以认为MR0A08BCYS35型MRAM的单粒子翻转的LET阈值大于4.2 MeV·cm2/mg；而从翻转截面迅速减小的趋势可以判定，在LET从13.1 MeV·cm2/mg增大到37.3 MeV·cm2/mg的过程中必然存在“拐点”，也即SEU数的增长从“上升”趋势转为“平缓”趋势，因此可以认为LET=37.3 MeV·cm2/mg之后，MRAM的翻转截面9.38×10-8cm2/器件即可认为是其单粒子翻转饱和截面。

利用中国航天宇航元器件工程中心具有自主知识产权的单粒子翻转在轨预计软件Fore CAST计算MR0A08BCYS35型MRAM的单粒子在轨翻转率。器件的单粒子翻转阈值取4.2 MeV·cm2/mg，饱和截面取9.38×10-8cm2/器件，选用GEO，Adams 90%最坏情况，3 mm等效Al屏蔽模型，计算获取该MRAM的在轨翻转率为6.0×10-4次/(器件·天)，也即4.57年翻转1次。这里需要注意的是，该翻转率忽略了SET的影响，在高频应用的时候，应谨慎考虑SET在存储节点间传输造成的影响。

存储器作为存储程序代码和数据的主要器件，在航天器中有着广泛应用。不同类型存储器在轨使用过程中的注意事项也不完全相同，例如，SRAM型存储器需要注意信号完整性问题，以免由于输入信号抖动触发内部电路动作，造成误读写操作；FLASH器件需注意器件擦写的时间离散性问题等。MRAM器件作为宇航应用时，除了正常的电性能与参数指标需要关注外，更应该注意其单粒子翻转效应，并针对存储区和外围电路的不同类型的翻转设计不同的加固方式，例如，针对MRAM存储器单粒子翻转阈值较高，可通过多次读出来判断是否有单粒子翻转错误，也可以通过EDAC（错误监测与纠正）对于单粒子翻转造成的误码进行检错和纠错，从而达到器件在轨可靠使用的目的。

4 结束语

通过对MR0A08BCYS35型MRAM进行重离子单粒子效应试验，获取了器件在Ge、Cl、F等离子辐照下的试验数据，分析了MRAM的抗单粒子辐射能力。存储单元部分MTJ具有天然的抗辐射特性，但是MRAM中CMOS外围电路易受辐射效应影响。因此MRAM与SRAM等存储器不同，由于主要是外围电路易受影响，其抗单粒子能力无法通过EDAC等方法进行加固，但存储单元不会受单粒子辐射影响，完全可以通过定时刷新等软件加固方法进行加固，进而在节省硬件开销的情况下实现抗单粒子加固。此外，也可以针对外围CMOS电路的特殊性，进行设计加固，从而达到整体提升MRAM抗单粒子辐射能力的目的。