測(cè)量并抑制存儲(chǔ)器件中的軟誤差研究

熱中子有可能是導(dǎo)致軟故障的一個(gè)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(gè)產(chǎn)生裂變的鋰、一個(gè)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(xiàng)問題。所以熱中子對(duì)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(cè)量技術(shù)

測(cè)量器件對(duì)軟誤差的敏感度有多種方法。一種方法是加速測(cè)量，另一種方法涉及系統(tǒng)級(jí)測(cè)量。測(cè)試地點(diǎn)所處的地理位置對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)差異，并在不同的產(chǎn)品售主之間維持一個(gè)公共的基準(zhǔn)點(diǎn)，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(cè)量有兩種方法：α粒子加速測(cè)試和宇宙射線加速測(cè)試。器件對(duì)α粒子的敏感性可通過在去封頭芯片上布設(shè)一個(gè)釷或鈾離子源，并測(cè)量某一特定時(shí)間內(nèi)的總失調(diào)數(shù)以及推斷Fit/Mbits的方法來測(cè)定。

上述的兩種加速數(shù)據(jù)測(cè)量法是對(duì)FIT率的一個(gè)合理的近似，但往往夸大了實(shí)際的故障率。加速數(shù)據(jù)可被用作計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)SER測(cè)量所需總時(shí)間的良好近似。

另一方面，系統(tǒng)SER測(cè)量需要在電路板上布設(shè)數(shù)以千計(jì)的器件，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，以測(cè)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(gè)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(shí)宇宙射線的影響可以忽略)的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，并隨后在高海拔上(此時(shí)α粒子的影響完全可以忽略不計(jì))對(duì)系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控。

系統(tǒng)軟誤差率測(cè)量成本相當(dāng)昂貴，常常由存儲(chǔ)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(qiáng)化(阻性反饋、在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置較高的電容、較高的驅(qū)動(dòng)電壓等)、設(shè)計(jì)強(qiáng)化(冗余等)和系統(tǒng)級(jí)變更。

系統(tǒng)級(jí)對(duì)策

在系統(tǒng)級(jí)上，可根據(jù)讀操作來進(jìn)行誤差檢測(cè)和校正，并通過使SRAM的延遲(等待時(shí)間)略有增加的方法來抑制SRAM的SER上升。這樣可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一位誤差校正并報(bào)告多位誤差。還可以借助系統(tǒng)和存儲(chǔ)器架構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)某些改進(jìn)。存儲(chǔ)器拓?fù)湮粓D可以按照使一個(gè)實(shí)際的多位事件在一個(gè)字節(jié)中導(dǎo)致一個(gè)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(shí)也意味著芯片面積將至少增加20%。

器件工藝/封裝級(jí)對(duì)策

從器件設(shè)計(jì)的角度來看，抑制SER并增強(qiáng)器件對(duì)SER的抵御能力的途徑之一是增加存儲(chǔ)單元中所存儲(chǔ)的臨界電荷量。人們注意到，PMOS門限電壓可減少存儲(chǔ)單元的恢復(fù)時(shí)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(diǎn)(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(gè)與NMOS耗盡層方向相反的電場(chǎng)，并強(qiáng)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(shí)候才能起到一定的補(bǔ)救作用。