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注的，當時DRAM開始呈現出隨機故障的征兆。隨著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： 當采用諸如90nm這樣的較小工藝幾何尺寸時，軟誤差是一個更加值得關注的問題，并需要采取進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是實現行業生存的主要工具，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，存儲器產品的單元尺寸繼續縮小，從而導致電壓越來越低(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的故障數。1000 FIT對應于一個約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的標準高端路由器則有可能每17個小時出現一次錯誤。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，對于蜂窩電話而言軟誤差并無大礙，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，您對軟誤差已經有了一個總的概念，下面對這些引發軟誤差的不同根源的機理逐個做一下簡單的探討。

α粒子的影響

半導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，這些物質往往會隨著時間的推移發生衰變。這些雜質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。耗盡區中的電場將導致電荷漂移，從而使晶體管承受電流擾動。如果電荷轉移量在0或1的狀態下超過了存儲于存儲單元中的臨界電荷量(QCRIT)，則存儲數據會發生翻轉。

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。當發生這種情況時，將產生高能量的質子和中子。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。這種碰撞有可能產生α粒子及其他質量較重的離子，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。