測量并抑制存儲器件中的軟誤差研究

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)部電容的減小(10fF→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(qiáng)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(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模化合物的典型α粒子所具有的能量高。