測(cè)量并抑制存儲(chǔ)器件中的軟誤差研究

軟誤差率(SER)問題是于上個(gè)世紀(jì)70年代后期作為一項(xiàng)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)課題而受到人們的廣泛關(guān)注的，當(dāng)時(shí)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(chǔ)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(shí)，軟誤差是一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)行業(yè)生存的主要工具，而且對(duì)增加密度、改善性能和降低成本起著重要的推動(dòng)作用。隨著器件加工工藝向深亞微米門信號(hào)寬度(0.25mm→ 90nm?)邁進(jìn)，存儲(chǔ)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(chǔ)單元內(nèi)部電容的減小(10fF→5fF……)。由于電容的減小，存儲(chǔ)器件中的臨界電荷量(一個(gè)存儲(chǔ)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(duì)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(duì)存儲(chǔ)單元形成干擾。

系統(tǒng)級(jí)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(gè)器件操作小時(shí)中所出現(xiàn)的故障數(shù)。1000 FIT對(duì)應(yīng)于一個(gè)約144年的MTTF(平均無故障時(shí)間)。為了對(duì)軟誤差的重要性有所了解，我們不妨來看一下它們?cè)诘湫痛鎯?chǔ)應(yīng)用中所具有的潛在影響的一些實(shí)例。比如，一部采用了一個(gè)軟誤差率為1000 FIT/Mbit的4Mbit低功率存儲(chǔ)器的蜂窩電話將很可能每28年出現(xiàn)一次軟誤差。而一個(gè)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(gè)小時(shí)出現(xiàn)一次錯(cuò)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(duì)于蜂窩電話而言軟誤差并無大礙，但那些采用大量存儲(chǔ)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(duì)軟誤差已經(jīng)有了一個(gè)總的概念，下面對(duì)這些引發(fā)軟誤差的不同根源的機(jī)理逐個(gè)做一下簡(jiǎn)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(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生衰變。這些雜質(zhì)會(huì)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(duì)所需的能量為3.6eV。這就意味著α粒子有可能生成約106個(gè)電子空穴對(duì)。耗盡區(qū)中的電場(chǎng)將導(dǎo)致電荷漂移，從而使晶體管承受電流擾動(dòng)。如果電荷轉(zhuǎn)移量在0或1的狀態(tài)下超過了存儲(chǔ)于存儲(chǔ)單元中的臨界電荷量(QCRIT)，則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)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(huì)與高空大氣層起反應(yīng)。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，將產(chǎn)生高能量的質(zhì)子和中子。中子尤其難對(duì)付，因?yàn)樗鼈兡軌驖B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(qiáng)度會(huì)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(qiáng)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(shí)上，中子必須轟擊硅原子核才會(huì)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(duì)，但這種電子空穴所具有的能量比來自壓模化合物的典型α粒子所具有的能量高。