存儲器件軟誤差解決方案

軟誤差是半導(dǎo)體器件中無法有意再生的“干擾”（即數(shù)據(jù)丟失）。它是由那些不受設(shè)計師控制的外部因素所引起的，包括α粒子、宇宙射線和熱中子。許多系統(tǒng)能夠容忍一定程度的軟誤差。例如，如果為音頻、視頻或靜止成像系統(tǒng)設(shè)計一個預(yù)壓縮捕獲緩沖器或后置解壓縮重放緩沖器，則一個偶然出現(xiàn)的缺陷位可能不會被察覺，而且對用戶而言也許并不重要。然而，當(dāng)存儲元件在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的功能時，軟誤差的不良影響就會嚴(yán)重得多，不僅會損壞數(shù)據(jù)，而且還有可能導(dǎo)致功能缺失和關(guān)鍵系統(tǒng)故障。本文將討論產(chǎn)生這些軟誤差的根源、不同的測量技術(shù)以及抵御這些軟誤差的方法。

軟誤差率（SER）問題是于上個世紀(jì)70年代后期作為一項存儲器數(shù)據(jù)課題而受到人們的廣泛關(guān)注的，當(dāng)時DRAM開始呈現(xiàn)出隨機(jī)故障的征兆。隨著工藝幾何尺寸的不斷縮小，引起失調(diào)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(dāng)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(guān)注的問題，并需要采取進(jìn)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(jīng)是實現(xiàn)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(jìn)，存儲器產(chǎn)品的單元尺寸繼續(xù)縮小，從而導(dǎo)致電壓越來越低（5V→3.3V→1.8V……）以及存儲單元內(nèi)部電容的減?。?0fF→5fF……）。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(shù)據(jù)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(xiàn)的故障數(shù)。1000 FIT對應(yīng)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(yīng)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低功率存儲器的蜂窩電話將很可能每28年出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)高端路由器則有可能每17個小時出現(xiàn)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(yán)重影響。

SER的根源

現(xiàn)在，您對軟誤差已經(jīng)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(jī)理逐個做一下簡單的探討。

α粒子的影響

半導(dǎo)體器件封裝所采用的壓模化合物中有可能含有諸如Th232 和U238等雜質(zhì)，這些物質(zhì)往往會隨著時間的推移發(fā)生衰變。這些雜質(zhì)會釋放出能量范圍為2~9MeV（百萬電子伏特）的α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α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(dǎo)致電荷漂移，從而使晶體管承受電流擾動。如果電荷轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

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(yīng)。當(dāng)發(fā)生這種情況時，將產(chǎn)生高能量的質(zhì)子和中子。中子尤其難對付，因為它們能夠滲透到大多數(shù)人造結(jié)構(gòu)中（例如，中子能夠輕易地穿透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(yán)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(jī)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(yīng)不同于α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(chǎn)生α粒子及其他質(zhì)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?alpha;粒子所具有的能量高。

熱中子的影響

熱中子有可能是導(dǎo)致軟故障的一個主要根源，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(zhì)層當(dāng)中的B10同位素所俘獲。俘獲中子將導(dǎo)致一個產(chǎn)生裂變的鋰、一個α粒子和一根γ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(chǎn)生軟誤差根源的比較。

測量技術(shù)

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)差異，并在不同的產(chǎn)品售主之間維持一個公共的基準(zhǔn)點，業(yè)界采取的標(biāo)準(zhǔn)是讓所有的售主公布其調(diào)整至紐約市/海平面這一地理位置的SER FIT率。

加速SER數(shù)據(jù)測量有兩種方法：α粒子加速測試和宇宙射線加速測試。器件對α粒子的敏感性可通過在去封頭芯片上布設(shè)一個釷或鈾離子源，并測量某一特定時間內(nèi)的總失調(diào)數(shù)以及推斷Fit/Mbits的方法來測定。

上述的兩種加速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)數(shù)以千計的器件，并對系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，以測量所產(chǎn)生的失調(diào)的總數(shù)。系統(tǒng)SER是α粒子和宇宙射線SER的累積，而且，該數(shù)據(jù)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α粒子-宇宙射線影響的良策之一是在把系統(tǒng)置于數(shù)米深的地下（此時宇宙射線的影響可以忽略）的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并隨后在高海拔上（此時α粒子的影響完全可以忽略不計）對系統(tǒng)實施監(jiān)控。

系統(tǒng)軟誤差率測量成本相當(dāng)昂貴，常常由存儲器售主從技術(shù)（而不是器件）的層面上來進(jìn)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(shè)置較高的電容、較高的驅(qū)動電壓等）、設(shè)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，可根據(jù)讀操作來進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)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(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)某些改進(jìn)。存儲器拓?fù)湮粓D可以按照使一個實際的多位事件在一個字節(jié)中導(dǎo)致一個多位或一位誤差的方式來構(gòu)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(shè)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(fù)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(chǎn)生的電荷可利用埋入式結(jié)點（三層阱架構(gòu)）來驅(qū)散，以增加遠(yuǎn)離放射性區(qū)的再結(jié)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(jìn)入襯底。然而，這種三層阱架構(gòu)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(jié)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(jīng)從原先的“無關(guān)緊要”演變成為系統(tǒng)設(shè)計中需要加以認(rèn)真考慮的重要事項。賽普拉斯等SRAM售主已經(jīng)在工藝開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中采取了相應(yīng)的對策，以求最大限度地降低器件對SER的敏感度，并由此將SRAM的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于90nm的工藝幾何尺寸。憑借在系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計水平的正確對策，SRAM仍將是多代工藝中一種可行的存儲器解決方案。