存儲器數據的軟誤差率問題

1、存儲器數據的軟誤差率 (SER)問題軟誤差率 (SER)問題是于上個世紀 70 年代后期作為一項存儲器數據課題而受到 人們的廣泛關注的，當時 DRAM開始呈現出隨機故障的征兆。隨著工藝幾何尺寸 的不斷縮小，引起失調所需的臨界電荷的減少速度要比存儲單元中的電荷聚集 區(qū)的減小速度快得多。這意味著：當采用諸如 90nm這樣的較小工藝幾何尺寸 時，軟誤差是一個更加值得關注的問題，并需要采取進一步的措施來確保軟誤 差率被維持在一個可以接受的水平上。 SER的傾向和含意工藝尺寸的壓縮軟誤差率 (SER) 問題是于上個世紀 70 年代后期作為一項存儲器數據課題而受到 人們的廣泛關注的，當時 DRAM開始呈現

2、出隨機故障的征兆。隨著工藝幾何尺寸 的不斷縮小，引起失調所需的臨界電荷的減少速度要比存儲單元中的電荷聚集 區(qū)的減小速度快得多。這意味著： 當采用諸如 90nm這樣的較小工藝幾何尺寸 時，軟誤差是一個更加值得關注的問題，并需要采取進一步的措施來確保軟誤 差率被維持在一個可以接受的水平上。SER的傾向和含意工藝尺寸的壓縮已經是實現行業(yè)生存的主要工具，而且對增加密度、改善性能 和降低成本起著重要的推動作用。隨著器件加工工藝向深亞微米門信號寬度 (0.25mm 90nm?)邁進，存儲器產品的單元尺寸繼續(xù)縮小，從而導致電壓越來 越低(5V3.3V1.8V)以及存儲單元內部 電容的減小 ( 10fF 5f

3、F ) 。由 于電容的減小，存儲器件中的臨界電荷量 ( 一個存儲單元用于保存數據所需的最 小電荷量 ) 繼續(xù)縮小，因而使得它們對 SER的自然抵御能力下降。這反過來又意 味著能量低得多的 a 粒子或宇宙射線都有可能對存儲單元形成干擾。系統(tǒng)級的含意和重要性 軟誤差是以 FIT 來衡量的。 FIT 率只不過是 10 億個器件操作小時中所出現的故 障數。 1000 FIT 對應于一個約 144年的 MTTF(平均無故障時間 ) 。為了對軟誤差 的重要性有所了解，我們不妨來看一下它們在典型存儲應用中所具有的潛在影 響的一些實例。比如，一部采用了一個軟誤差率為 1000 FIT/Mbit 的 4Mbit

4、 低 功率存儲器的蜂窩電話將很可能每 28 年出現一次軟誤差。而一個采用了軟誤差 率為 600 FIT/Mbit 的 100Gbits 同步 SRAM的標準高端路由器則有可能每 17 個 小時出現一次錯誤。此外，軟誤差之所以重要還在于目前其 FIT 率是硬可靠性 故障的典型 FIT 率的 10 倍以上。顯然，對于蜂窩電話而言軟誤差并無大礙，但 那些采用大量存儲器的系統(tǒng)則有可能受到嚴重影響。SER的根源現在，您對軟誤差已經有了一個總的概念，下面對這些引發(fā)軟誤差的不同根源 的機理逐個做一下簡單的探討。&alpha ; 粒子的影響 半導體器件封裝所采用的壓?；衔镏杏锌赡芎兄T如 Th232

5、 和 U238等雜 質，這些物質往往會隨著時間的推移發(fā)生衰變。這些雜質會釋放出能量范圍為 2"9MeV（百萬電子伏特）的 粒子。在硅材料中，形成電子空穴對所需的能量為 3.6eV。這就意味著 粒子有可能生成約 106 個電子空穴對。耗盡區(qū)中的電場 將導致電荷漂移，從而使晶體管承受 電流擾動。如果電荷轉移量在 0 或 1 的狀 態(tài)下超過了存儲于存儲單元中的臨界電荷量 （QCRIT），則存儲數據會發(fā)生翻轉。宇宙射線的影響 高能量的宇宙射線和太陽粒子會與高空大氣層起反應。當發(fā)生這種情況時，將 產生高能量的質子和中子。中子尤其難對付，因為它們能夠滲透到大多數人造 結構中（例如，中子能夠輕易地

6、穿透 5 英尺厚的混凝土 ） 。這種影響的強度會隨 著所處的緯度和海拔高度的不同而變化。在倫敦，該影響要比在赤道地區(qū)嚴重 1.2 倍。在丹佛，由于其地處高海拔，因此這種影響要比地處海平面的舊金山 強三倍。而在飛機上，這種影響將是地面上的 100"800 倍。高能量中子的能量范圍為 10"800MeV，而且，由于它們不帶電荷，所以與硅材 料的反應不同于 粒子。事實上，中子必須轟擊硅原子核才會引起軟誤差。這 種碰撞有可能產生 粒子及其他質量較重的離子，從而生成電子空穴對，但這 種電子空穴所具有的能量比來自壓?；衔锏牡湫?粒子所具有的能量高。熱中子的影響熱中子有可能是導致軟故障

7、的一個主要根源，它們所具有的能量一般非常低 （ 約 25meV）。這些低能量中子很容易被大量存在于 BPSG硼（ 磷硅酸鹽玻璃 ） 電介質層 當中的 B10 同位素所俘獲。俘獲中子將導致一個產生裂變的鋰、一個 粒子和一根 射線。熱中子只在存在 BPSG的情況下才是一項問題。所以熱中子對 SER的這一影響可以通過徹底放棄使用 B10來抵消。表 1 為產生軟誤差根源的 比較。測量技術測量器件對軟誤差的敏感度有 多種 方法。一種方法是加速測量，另一種方法涉 及系統(tǒng)級測量。測試地點所處的地理位置對于最終獲得的數據有著很大的影 響。為了最大限度地減小不同公司之間的測量數據差異，并在不同的產品售主 之間維

8、持一個公共的基準點，業(yè)界采取的標準是讓所有的售主公布其調整至紐 約市/ 海平面這一地理位置的 SER FIT率。加速 SER數據測量有兩種方法： 粒子加速測試和宇宙射線加速測試。器件對 粒子的敏感性可通過在去封頭芯片上布設一個釷或鈾離子源，并測量某一特 定時間內的總失調數以及推斷 Fit/Mbits 的方法來測定。上述的兩種加速數據測量法是對 FIT 率的一個合理的近似，但往往夸大了實際 的故障率。加速數據可被用作計算一個系統(tǒng) SER測量所需總時間的良好近似。另一方面，系統(tǒng) SER測量需要在電路板上布設數以千計的器件，并對系統(tǒng)進行 連續(xù)監(jiān)控，以測量所產生的失調的總數。系統(tǒng) SER是 粒子和宇宙

9、射線 SER的 累積，而且，該數據在很大程度上取決于系統(tǒng)所處的地理位置。消除一個系統(tǒng) 中的 粒子 -宇宙射線影響的良策之一是在把系統(tǒng)置于數米深的地下 （此時宇宙 射線的影響可以忽略 ）的情況下進行數據測量，并隨后在高海拔上 （此時 粒子 的影響完全可以忽略不計 ） 對系統(tǒng)實施監(jiān)控。（ 而不是器件 ） 的層系統(tǒng)軟誤差率測量成本相當昂貴，常常由存儲器售主從技術面上來進行，旨在縮減成本。抑制 SER降低 SER的方法分為幾類，包括工藝變更 （埋層、三層阱等 ） 、電路強化 （阻性反 饋、在存儲節(jié)點上設置較高的電容、較高的驅動電壓等 ） 、設計強化 （ 冗余等）和 系統(tǒng)級變更。系統(tǒng)級對策在系統(tǒng)級上，可

10、根據讀操作來進行誤差檢測和 校正，并通過使 SRAM的延遲 （等 待時間）略有增加的方法來抑制 SRAM的 SER上升。這樣可對數據進行一位誤差 校正并報告多位誤差。還可以借助系統(tǒng)和存儲器架構設計來實現某些改進。存 儲器拓撲位圖可以按照使一個實際的多位事件在一個字節(jié)中導致一個多位或一 位誤差的方式來構成。 ECC在校正一位誤差方面是非常有效的，但采用它同時 也意味著芯片面積將至少增加 20%。器件工藝 / 封裝級對策從器件設計的角度來看，抑制 SER并增強器件對 SER的抵御能力的途徑之一是 增加存儲單元中所存儲的臨界電荷量。人們注意到， PMOS門限電壓可減少存儲 單元的恢復時間，這間接起到了提高 SER抵御能力的作用。另外，在發(fā)生軟誤 差期間所產生的電荷可利用埋入式結點 （三層阱架構 ） 來驅散，以增加遠離放射 性區(qū)的再結合。這將生成一個與 NMOS耗盡層方向相反的電場，并強制電荷進入 襯底。然而，這種三層阱架構只是在輻射發(fā)生于 NMOS區(qū)域中的時候才能起到一 定的補救作用。結語隨著加工工藝尺寸的日益縮小，“軟”誤差對存儲器件的影響已經從原先的 “