重離子輻照下SDRAM 存儲器“固定位”錯誤研究

唐 越，殷中云，鄧玉良，李孝遠，楊 彬，方曉偉

（深圳市國微電子有限公司，深圳518057）

1 引 言

SDRAM 存儲器具有價格低、體積小、容量大、讀寫速度快等優點，是計算機系統中理想的存儲器件，目前已在工業和商業中廣泛使用。若要在工作環境嚴苛的航空航天系統中使用SDRAM 存儲器，需密切研究其輻照效應。在這一領域中，國內外主要針對單粒子翻轉進行研究，對于輻照試驗中出現的單粒子硬錯誤SHE（Single Hard Errors）涉及較少。然而，相比于單粒子翻轉錯誤，不能通過重新上電恢復的硬錯誤對計算機系統的危害更大。在SDRAM的硬錯誤中，典型的一種是“固定位”（stuck bit）錯誤，其特點為存儲單元的狀態卡在了“0”或“1”狀態，無法從“0”變為“1”或從“1”變為“0”。

Henson 等人[1]在對0.35 μm 的SDRAM 進行重離子試驗時就有“固定位”錯誤產生，其認為“固定位”錯誤數量只占SDRAM 容量的0.002%，對航天應用不會產生嚴重影響。然而隨著特征尺寸減小，“固定位”錯誤更易發生，并且“固定位”錯誤的數量會隨著輻照劑量的增加而增加[2]。這使得SDRAM 存儲器在輻照環境下工作時，“固定位”錯誤越來越多，超出ECC 的可糾錯能力范圍，使系統出現問題。針對這一情況，在此提出一種試驗方案，對65nm 的SDRAM 存儲器進行重離子輻照，統計和分析出現的“固定位”錯誤；對輻照后樣品采用不同條件退火，分析退火溫度和時長對“固定位”錯誤恢復的影響；根據以上試驗數據分析“固定位”錯誤的產生機理，進而設法解決SDRAM 存儲器在宇航環境下出現“固定位”錯誤卻無法維修器件的問題。

2 重離子試驗

2.1 試驗條件

重離子試驗的樣品是3 片編號分別為1#、2#、3#的SDRAM 芯片，容量皆為512 Mbit，電源電壓為3.3±0.3V，以65 nm 光刻工藝制成。對芯片開蓋處理，通過目檢和功能測試，確保芯片的完好。

為避免試驗對被測芯片以外的試驗板控制電路造成影響，在設計試驗板時將控制電路與被測芯片進行分區，控制電路和被測芯片分別位于試驗板的正、反面，控制電路在試驗板反面，安裝待測芯片的扣板在試驗板正面，這樣能更有效地避免控制電路受輻照影響。

單粒子試驗板布局如圖1 所示。試驗板采用FPGA 作為主控。FPGA 對SDRAM 進行讀寫測試，其測試結果采用串行方式通過RS-422 接口輸出至上位機保存。

圖1 單粒子效應試驗系統布局圖

試驗在北京串列加速器核物理國家實驗室開展，利用HI-13 串列靜電加速器進行重離子試驗。根據試驗條件，選用粒子能量如表1 所示。

表1 試驗離子能量表

2.2 試驗結果

芯片1#、2#、3# 分別在C 離子、Ge 離子、Br 離子下進行了輻照，在芯片輻照后對SDRAM 存儲器芯片進行測試得到輻照后的“固定位”錯誤數量。通過開關ECC 對芯片進行對比測試分析，可得出：

①“固定位”錯誤數量和注量、照射能量正相關；

②“固定位”錯誤成離散分布。

圖2 為1#、2#、3# 芯片在重離子輻照后開啟ECC 和關閉ECC 的測試結果對比。橫坐標為輻照的注量，縱坐標為“固定位”錯誤數量。可以觀察到，被高能離子輻照后的2# 和3# 芯片錯誤數量遠高于1#，且隨著輻照注量的增加，“固定位”錯誤數量也會增加。Br 離子的能量比Ge 離子高，但是由于Ge 離子輻照的總注量是Br 離子輻照總注量的兩倍，所以“固定位”錯誤的數量更多。芯片ECC 糾錯碼為（40,32）的檢二糾一碼。開啟ECC 后“固定位”錯誤數量驟減，即大部分錯誤可以被ECC 糾正。由此可知大多數的“固定位”錯誤都是離散的。

圖2 關閉和開啟ECC 的“固定位”錯誤數量對比

分別采用64 ms、32 ms、16 ms 的 刷 新周期 對SDRAM 進行測試，發現刷新周期越小，“固定位”錯誤數量越小，但32ms 與16ms 刷新周期的“固定位”錯誤數量差距不大，推測其存在一個閾值，刷新周期小于閾值后，“固定位”錯誤數量將不會再隨刷新周期的減小而減小。表2 為這三個芯片在不同刷新周期下的“固定位”錯誤數量。

表2 不同刷新周期下的“固定位”錯誤個數

2.3 退火情況

結束以上測試后，在不同條件下對三個試驗芯片進行退火。“固定位”錯誤的數量隨退火時間和退火溫度的變化如圖3 所示。

圖3 芯片退火情況

1#、2#、3#芯片在室溫（25℃）下退火120 小時，三個芯片的“固定位”錯誤數量都緩慢下降。在室溫下退火后，把1#、2#芯片放入85℃高溫箱，其“固定位”錯誤隨退火時間的增加而減少。而3#芯片在300 ℃下退火了0.1 小時，錯誤數量從459 驟減為60 個，之后放入125 ℃高溫箱下退火，其錯誤數量緩慢減少。由此可知，“固定位”錯誤能在常溫下退火恢復，但需要的退火時間長。高溫下的退火效率比常溫高，且溫度越高，退火效果越好。

3 機理分析

“固定位”錯誤的出現是由于數據保存時間小于刷新間隔時間，導致數據不能保持到讀取之時從而出錯。G.M.Swift 等人[3]最早認為DRAM 存儲器中因重離子輻照而產生的“固定位”錯誤是由單粒子柵穿（SEGR）或微劑量（micro-dose）導致的。因“固定位”錯誤可通過退火恢復，L.D.Edmonds 等人以此判斷其是由微劑量或微位移損傷（micro displacement damage）造成的[4-5]。另外一些學者認為導致“固定位”錯誤的機理是總劑量效應[6-8]。在此，將討論總劑量效應、位移損傷、微劑量導致“固定位”錯誤的可能性。

1）總劑量效應：總劑量效應是一種累積效應，對器件的影響是均勻的。通過實驗結果來看，發生“固定位”錯誤的單元數量隨著注量的增加而增加，圖2反應了"固定位錯誤"對劑量的敏感性。但“固定位”錯誤的地址分布是離散的，輻照前后器件AC 參數也沒有發生明顯變化。結合之前器件在Co60下做過的總劑量實驗中并沒有觀察到“固定位”錯誤的現象來看，總劑量效應導致“固定位”錯誤這一說法與試驗現象存在矛盾。

2）位移損傷：位移損傷主要是高能粒子導致半導體產生晶格空位（即原子離開晶格位置后所留下的空位）,在反偏耗盡層中產生載流子，這種載流子會造成漏電流。在SDRAM 中，晶體管漏極與電容之間的反偏耗盡區會使電容放電，導致數據保持時間減小。通常位移損傷是發生在高能粒子輻照后，然而在試驗中發現，C 離子（LET≈1.73 MeV·cm2/mg）輻照下也有“固定位”錯誤出現，但C 離子的能量不足以造成位移損傷。

3）微劑量：微劑量指單個粒子在其徑跡周圍的局部空間內所沉積的劑量，其作用機理與總劑量效應類似，但帶來的影響是單個粒子的局部影響。其既有與總劑量效應相似的失效數量與劑量相關的特點，又有單粒子效應的隨機性。微劑量與總劑量均勻分布的方式不同，其分布是局域性的。從開關ECC的測試結果可看出，試驗產生的“固定位”錯誤也是離散和局域性的，且“固定位”錯誤的數量與輻射劑量相關。

綜上分析，微劑量產生“固定位”錯誤的推論更符合試驗結果。根據試驗結果，最后推測導致“固定位”錯誤的機理為微劑量。

4 解決辦法

文獻[4]中的研究結果表明，DDR3 芯片在經過150 ℃下12 小時的退火后，芯片所有“固定位”錯誤消失，芯片恢復室溫后可進行正常工作。從試驗結果可看出，通過退火，“固定位”錯誤會大幅下降，退火溫度越高，“固定位”錯誤數量減少的越快。因此，“固定位”錯誤可以通過退火來減少和消除。

當芯片在宇航環境下出現“固定位”錯誤時，由于不能將其拆卸放入高溫箱退火，也不能對整個硬件系統進行高溫加熱。因此需要一種能夠不拆卸芯片，且只對失效和退化的芯片進行加熱的退火方法來消除“固定位”錯誤。

針對以上問題，可通過3D 堆疊封裝技術，在存儲器芯片下堆疊一個加熱芯片并封裝成一個器件。加熱芯片堆疊在存儲器芯片下方，可以均勻加熱存儲器芯片，且通過控制加熱芯片引腳電壓可以調節加熱存儲器芯片的溫度。由此芯片就能夠在不拆卸的情況下，在器件內部實現退火，而不影響硬件系統的其它器件。

5 結 束 語

對65 nm SDRAM 存儲器進行重離子試驗，測試SDRAM 開關ECC 的“固定位”錯誤，在不同條件下對SDRAM 芯片進行退火。通過對試驗數據進行統計和分析后可得出：“固定位”錯誤發生的LET 閾值很低；“固定位”錯誤數量與輻照能量和輻照注量呈正相關；“固定位”錯誤的分布是離散的；退火溫度越高，“固定位”錯誤減少得越快。綜合這四點特點，分析總劑量效應、微位移損傷、微劑量等機理導致“固定位”錯誤的可能性，推斷出“固定位”錯誤為微劑量機理所導致。提出在存儲芯片下方通過三維堆疊的方式疊封一個加熱芯片的方法，解決器件在宇航環境中工作不能拆卸和退火維修的問題。