摘要
随着航天事业的发展，各种探测卫星、载人飞船、空间辐射器当中需要用到非易失性存储器，用于存储一些配置数据或关键信息等。传统的非易失性存储器，例如电擦除可编程只读存储器(ElectronicallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory,EEPROM)或快闪电擦除可编程只读存储器(FlashMemory)，在编程和擦除一般需要用到15V左右的高压，因此在辐照环境下，器件被击穿的风险较高，同时还会造成较大的功耗。此外，EEPROM和Flash都是采用浮栅结构，在工艺上需要增加额外的步骤，从而导致其生产成本较高。 本文针对航空航天应用领域，设计了一款基于标准CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)工艺的抗辐照非易失性存储器，也称为多次可编程存储器(Multi-timeProgrammable,MTP)，在制造时无需增加特殊工艺，在擦除和编程时的电压一般不超过10V，因此在工艺兼容性、成本、功耗以及辐照性能方面具有先天的优势。本文主要研究抗辐照MTP存储器的设计，其中包括抗辐照方法的研究、存储阵列设计、外围电路设计、MTP存储器测试等。 在抗辐照加固方面，针对辐照引起的总剂量效应以及单粒子效应采用了诸如环形栅、外延片、软件纠错方式等加固措施。在存储阵列设计上，通过将四个存储单元的栅端集成在一个阱上，从而减少了接触孔的数量，也大大减少了存储阵列的面积。其次，针对总剂量效应对存储单元阈值电压的影响，在阵列中采用了差分单元结构。在外围电路设计中，重点设计了一款速度快、精度高、电压适用范围广的电压选择电路，能够适用于MTP存储器内部需要高低电压转换的情况。此外，还设计了数据比较电路以防止存储单元在写操作时发生过擦除和过编程现象。在MTP测试工作中，通过研究MTP存储单元在擦除和编程后的特性曲线，得到了MTP的最佳工作参数，并测试了MTP存储器的整体功能以及辐照性能。 通过本文的研究成果，已成功设计出一款抗辐照的MTP存储器，有效容量为144kbits，可在-55℃~125℃之间工作。在2V读电压下，读出时间在800ns以内。其存储单元面积大约为2.35μm2，存储阵列面积为2.58mm2，存储器面积为3.6mm2，与目前其他MTP存储器相比，具有更小的单元面积以及整体面积。在辐照性能方面，MTP存储器的抗总剂量能力达到100krad(Si)，抗单粒子闩锁阈值达到75MeV·cm2/mg。根据已有的测试结果，该抗辐照MTP存储器的功能和性能基本满足设计要求。
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