測量并抑制存儲器件中的軟誤差研究

軟誤差率(SER)問(wèn)題是于上個(gè)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(guān)注的，當時(shí)DRAM開(kāi)始呈現出隨機故障的征兆。隨著(zhù)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的減小速度快得多。這意味著(zhù)： 當采用諸如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(wèn)題，并需要采取進(jìn)一步的措施來(lái)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(zhù)重要的推動(dòng)作用。隨著(zhù)器件加工工藝向深亞微米門(mén)信號寬度(0.25mm→ 90nm?)邁進(jìn)，存儲器產(chǎn)品的單元尺寸繼續縮小，從而導致電壓越來(lái)越低(5V→3.3V→1.8V……)以及存儲單元內部電容的減小(10fF→5fF……)。由于電容的減小，存儲器件中的臨界電荷量(一個(gè)存儲單元用于保存數據所需的最小電荷量)繼續縮小，因而使得它們對SER的自然抵御能力下降。這反過(guò)來(lái)又意味著(zhù)能量低得多的a粒子或宇宙射線(xiàn)都有可能對存儲單元形成干擾。

系統級的含意和重要性

軟誤差是以FIT來(lái)衡量的。FIT率只不過(guò)是10億個(gè)器件操作小時(shí)中所出現的故障數。1000 FIT對應于一個(gè)約144年的MTTF(平均無(wú)故障時(shí)間)。為了對軟誤差的重要性有所了解，我們不妨來(lái)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(shí)例。比如，一部采用了一個(gè)軟誤差率為1000 FIT/Mbit的4Mbit低功率存儲器的蜂窩電話(huà)將很可能每28年出現一次軟誤差。而一個(gè)采用了軟誤差率為600 FIT/Mbit的100Gbits同步SRAM的標準高端路由器則有可能每17個(gè)小時(shí)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(huà)而言軟誤差并無(wú)大礙，但那些采用大量存儲器的系統則有可能受到嚴重影響。

SER的根源

現在，您對軟誤差已經(jīng)有了一個(gè)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(gè)做一下簡(jiǎn)單的探討。

α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 和U238等雜質(zhì)，這些物質(zhì)往往會(huì )隨著(zhù)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(wàn)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(zhù)α粒子有可能生成約106個(gè)電子空穴對。耗盡區中的電場(chǎng)將導致電荷漂移，從而使晶體管承受電流擾動(dòng)。如果電荷轉移量在0或1的狀態(tài)下超過(guò)了存儲于存儲單元中的臨界電荷量(QCRIT)，則存儲數據會(huì )發(fā)生翻轉。

宇宙射線(xiàn)的影響

高能量的宇宙射線(xiàn)和太陽(yáng)粒子會(huì )與高空大氣層起反應。當發(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，中子能夠輕易地穿透5英尺厚的混凝土)。這種影響的強度會(huì )隨著(zhù)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，但這種電子空穴所具有的能量比來(lái)自壓?；衔锏牡湫挺亮Ｗ铀哂械哪芰扛?。