恒忆闪存抗X射线

恒忆闪存抗X射线

　　恒忆闪存基于浮栅技术。闪存晶体管的绝缘栅极（浮栅）捕获（或排除）电子，因此，晶体管的阈值电压被修改（偏离原始电压值）。在附加的编程和阈压感应电路的辅助下，这种效应可用保存和检索数据。

　　在写操作期间，闪存内置的电荷泵生成一个高电压值(Vpp)，然后被施加到晶体管的控制栅极上。这个过程使电子通过隧道效应进入所谓的半导体结构的浮栅上，电子被俘获在浮栅上的电子陷阱内。最终的状况是一个被写入数据的存储单元，即一个存储二进制数字 “±0”的存储单元。在详细规定的电条件下，应用一个“擦除过程”可以从浮栅上排除电子；然后，存储单元的逻辑值就会切换到二进制数字 “±1”。

　　上面简要论述的物理现象就是 “由福勒诺尔德海姆 (FN) 电子隧道效应”。

图. 1 对一个闪存晶体管进行写操作

　　浮栅内的电子会提高晶体管的阈值电压；在单级闪存单元内，这相当于一个存储二进制数字“0”的存储单元。

图2 在完成写操作后阈值电压被偏移

　　值得一提的是，虽然前文论述的现象适用于单级闪存单元，但是同一现象也适用于多级单元设计。测试和实验证明，这个现象对于单级和多级架构都是有效的。

　　众所周知，高电磁能源可引起浮栅内的被俘电子损失（这相当于损失浮栅内贮存的全部电荷）。结果可能是导致存储单元内存储的逻辑信息丢失。

　　X射线是一种可能会损害闪存存储的信息的外部高能源。很多质保应用都会用到X射线，例如，在最终测试阶段发现故障后，修理应用电路板时需要使用X射线。X射线可对PCB电路板进行3D断层照相，也能分析电子元器件内部结构。海关用X射线摄影技术检查通关商品。

图 :  恒忆BGA封装的3D断层照相细节

　　由于闪存在生命周期内因为多种原因可能会被X射线照射，因此，必须确认两个重要问题：X射线对闪存内容的可靠性有无影响；存储阵列在被X射线照射后是否需要擦除操作并重新写入代码。

　　乍一看，在经X射线检查后，重新对整个存储阵列进行写操作可能是一个简单、可靠且有成本效益的解决方案。但是，事实并不是这样，因为在很多情况下，重新给闪存编程需要昂贵的测试设备，向每一个需要重新编程的闪存发送串行数据流。这个写操作可能需要几分钟甚至更长时间，从而会重重影响整体制造流程进度。

　　因此，为避免（如可能）重新写入存储器内容，了解X射线对恒忆存储器存储的数据可靠性的真实影响具有重要意义。

　　在一个主要的汽车电子系统供应商（恒忆的合作伙伴）支持下，恒忆围绕X射线对存储器数据可靠性的影响问题进行了一次深入的测试分析，详见下文。在这家合作公司中，我们用现有的质量检测设备对待测器件进行了X射线照射。

　　研究报告结果归纳如下：

　　“如果X射线的剂量是检测印刷电路板所适用的典型剂量，则不会影响恒忆浮栅闪存的阈值电压分布。

　　当把X射线剂量人为提高到一个异常数值时，阈值电压被强制偏移。这种现象可用于评估安全系数，即存储内容开始受到X射线影响的条件。

　　对于恒忆闪存，这个系数至少在1000倍射线剂量的范围内。 “

　　基本原则是，在完全电擦除电编程存储晶体管的阈值电压参数分布上，选择特性描述明确的待测器件，利用我们的合作伙伴的X射线检测系统发射的X射线照射待测器件。

　　然后重新描述阈值电压参数分布，并再次测量存储阵列（每个位）的每个晶体管的阈压。

　　我们在测试中使用了不同的照射时长、滤波器材料、X射线管的距离、电流和电压，并标注了不同的配置条件所使用的X射线剂量。

　　在正常制造目的所用的标准配置情况下，X射线剂量总是低于1 Rad。

　　这个剂量数值对恒忆闪存的阈值电压参数分布未产生任何可以测量的影响。

　　这意味着恒忆客户使用X射线检查提前焊好的印刷电路板，无需给闪存重新编程，无需对在正常制造过程中已完成擦除操作的闪存进行擦除操作，也无需为确保存在存储阵列的数据的可靠性而应用一个双重编程算法。

　　下图是在对整个存储阵列施加低于1Rad剂量的X射线前后的阈压分布曲线和对整个存储阵列施加30 Rad的X射线前后的阈压分布曲线，被测试器件是恒忆的车用16Mbit串行闪存M25P16。

图3 施加1 Rad / 30 Rad射线前后的阈压分布曲线图

　　为证明前述测试结果的有效性，查找可能的临界条件，X射线剂量值被提高1000倍 (2.5 KRad )，并进行两次回流焊。

图4 在受2500 Rad射线照射前后的阈压分布曲线

　　在相关的白皮书中还能查到更详细的技术信息。