唐 越，殷中云，鄧玉良，李孝遠(yuǎn)，楊 彬，方曉偉

（深圳市國(guó)微電子有限公司，深圳518057）

1 引 言

SDRAM 存儲(chǔ)器具有價(jià)格低、體積小、容量大、讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中理想的存儲(chǔ)器件，目前已在工業(yè)和商業(yè)中廣泛使用。若要在工作環(huán)境嚴(yán)苛的航空航天系統(tǒng)中使用SDRAM 存儲(chǔ)器，需密切研究其輻照效應(yīng)。在這一領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)進(jìn)行研究，對(duì)于輻照試驗(yàn)中出現(xiàn)的單粒子硬錯(cuò)誤SHE（Single Hard Errors）涉及較少。然而，相比于單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，不能通過(guò)重新上電恢復(fù)的硬錯(cuò)誤對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的危害更大。在SDRAM的硬錯(cuò)誤中，典型的一種是“固定位”（stuck bit）錯(cuò)誤，其特點(diǎn)為存儲(chǔ)單元的狀態(tài)卡在了“0”或“1”狀態(tài)，無(wú)法從“0”變?yōu)椤?”或從“1”變?yōu)椤?”。

Henson 等人[1]在對(duì)0.35 μm 的SDRAM 進(jìn)行重離子試驗(yàn)時(shí)就有“固定位”錯(cuò)誤產(chǎn)生，其認(rèn)為“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量只占SDRAM 容量的0.002%，對(duì)航天應(yīng)用不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。然而隨著特征尺寸減小，“固定位”錯(cuò)誤更易發(fā)生，并且“固定位”錯(cuò)誤的數(shù)量會(huì)隨著輻照劑量的增加而增加[2]。這使得SDRAM 存儲(chǔ)器在輻照環(huán)境下工作時(shí)，“固定位”錯(cuò)誤越來(lái)越多，超出ECC 的可糾錯(cuò)能力范圍，使系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題。針對(duì)這一情況，在此提出一種試驗(yàn)方案，對(duì)65nm 的SDRAM 存儲(chǔ)器進(jìn)行重離子輻照，統(tǒng)計(jì)和分析出現(xiàn)的“固定位”錯(cuò)誤；對(duì)輻照后樣品采用不同條件退火，分析退火溫度和時(shí)長(zhǎng)對(duì)“固定位”錯(cuò)誤恢復(fù)的影響；根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析“固定位”錯(cuò)誤的產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)而設(shè)法解決SDRAM 存儲(chǔ)器在宇航環(huán)境下出現(xiàn)“固定位”錯(cuò)誤卻無(wú)法維修器件的問(wèn)題。

2 重離子試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

重離子試驗(yàn)的樣品是3 片編號(hào)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(duì)芯片開蓋處理，通過(guò)目檢和功能測(cè)試，確保芯片的完好。

為避免試驗(yàn)對(duì)被測(cè)芯片以外的試驗(yàn)板控制電路造成影響，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)板時(shí)將控制電路與被測(cè)芯片進(jìn)行分區(qū)，控制電路和被測(cè)芯片分別位于試驗(yàn)板的正、反面，控制電路在試驗(yàn)板反面，安裝待測(cè)芯片的扣板在試驗(yàn)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(yàn)板布局如圖1 所示。試驗(yàn)板采用FPGA 作為主控。FPGA 對(duì)SDRAM 進(jìn)行讀寫測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果采用串行方式通過(guò)RS-422 接口輸出至上位機(jī)保存。

圖1 單粒子效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)布局圖

試驗(yàn)在北京串列加速器核物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開展，利用HI-13 串列靜電加速器進(jìn)行重離子試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)條件，選用粒子能量如表1 所示。

表1 試驗(yàn)離子能量表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

芯片1#、2#、3# 分別在C 離子、Ge 離子、Br 離子下進(jìn)行了輻照，在芯片輻照后對(duì)SDRAM 存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行測(cè)試得到輻照后的“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量。通過(guò)開關(guān)ECC 對(duì)芯片進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析，可得出：

①“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量和注量、照射能量正相關(guān)；

②“固定位”錯(cuò)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(guān)閉ECC 的測(cè)試結(jié)果對(duì)比。橫坐標(biāo)為輻照的注量，縱坐標(biāo)為“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量?？梢杂^察到，被高能離子輻照后的2# 和3# 芯片錯(cuò)誤數(shù)量遠(yuǎn)高于1#，且隨著輻照注量的增加，“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量也會(huì)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(cuò)誤的數(shù)量更多。芯片ECC 糾錯(cuò)碼為（40,32）的檢二糾一碼。開啟ECC 后“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量驟減，即大部分錯(cuò)誤可以被ECC 糾正。由此可知大多數(shù)的“固定位”錯(cuò)誤都是離散的。

圖2 關(guān)閉和開啟ECC 的“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量對(duì)比

分別采用64 ms、32 ms、16 ms 的 刷 新周期 對(duì)SDRAM 進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)刷新周期越小，“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量越小，但32ms 與16ms 刷新周期的“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量差距不大，推測(cè)其存在一個(gè)閾值，刷新周期小于閾值后，“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量將不會(huì)再隨刷新周期的減小而減小。表2 為這三個(gè)芯片在不同刷新周期下的“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量。

表2 不同刷新周期下的“固定位”錯(cuò)誤個(gè)數(shù)

2.3 退火情況

結(jié)束以上測(cè)試后，在不同條件下對(duì)三個(gè)試驗(yàn)芯片進(jìn)行退火。“固定位”錯(cuò)誤的數(shù)量隨退火時(shí)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(shí)，三個(gè)芯片的“固定位”錯(cuò)誤數(shù)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(cuò)誤隨退火時(shí)間的增加而減少。而3#芯片在300 ℃下退火了0.1 小時(shí)，錯(cuò)誤數(shù)量從459 驟減為60 個(gè)，之后放入125 ℃高溫箱下退火，其錯(cuò)誤數(shù)量緩慢減少。由此可知，“固定位”錯(cuò)誤能在常溫下退火恢復(fù)，但需要的退火時(shí)間長(zhǎng)。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(jī)理分析

“固定位”錯(cuò)誤的出現(xiàn)是由于數(shù)據(jù)保存時(shí)間小于刷新間隔時(shí)間，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能保持到讀取之時(shí)從而出錯(cuò)。G.M.Swift 等人[3]最早認(rèn)為DRAM 存儲(chǔ)器中因重離子輻照而產(chǎn)生的“固定位”錯(cuò)誤是由單粒子?xùn)糯⊿EGR）或微劑量（micro-dose）導(dǎo)致的。因“固定位”錯(cuò)誤可通過(guò)退火恢復(fù)，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(xué)者認(rèn)為導(dǎo)致“固定位”錯(cuò)誤的機(jī)理是總劑量效應(yīng)[6-8]。在此，將討論總劑量效應(yīng)、位移損傷、微劑量導(dǎo)致“固定位”錯(cuò)誤的可能性。

1）總劑量效應(yīng)：總劑量效應(yīng)是一種累積效應(yīng)，對(duì)器件的影響是均勻的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，發(fā)生“固定位”錯(cuò)誤的單元數(shù)量隨著注量的增加而增加，圖2反應(yīng)了"固定位錯(cuò)誤"對(duì)劑量的敏感性。但“固定位”錯(cuò)誤的地址分布是離散的，輻照前后器件AC 參數(shù)也沒(méi)有發(fā)生明顯變化。結(jié)合之前器件在Co60下做過(guò)的總劑量實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有觀察到“固定位”錯(cuò)誤的現(xiàn)象來(lái)看，總劑量效應(yīng)導(dǎo)致“固定位”錯(cuò)誤這一說(shuō)法與試驗(yàn)現(xiàn)象存在矛盾。

2）位移損傷：位移損傷主要是高能粒子導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)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(chǎn)生載流子，這種載流子會(huì)造成漏電流。在SDRAM 中，晶體管漏極與電容之間的反偏耗盡區(qū)會(huì)使電容放電，導(dǎo)致數(shù)據(jù)保持時(shí)間減小。通常位移損傷是發(fā)生在高能粒子輻照后，然而在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，C 離子（LET≈1.73 MeV·cm2/mg）輻照下也有“固定位”錯(cuò)誤出現(xiàn)，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(gè)粒子在其徑跡周圍的局部空間內(nèi)所沉積的劑量，其作用機(jī)理與總劑量效應(yīng)類似，但帶來(lái)的影響是單個(gè)粒子的局部影響。其既有與總劑量效應(yīng)相似的失效數(shù)量與劑量相關(guān)的特點(diǎn)，又有單粒子效應(yīng)的隨機(jī)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(guān)ECC的測(cè)試結(jié)果可看出，試驗(yàn)產(chǎn)生的“固定位”錯(cuò)誤也是離散和局域性的，且“固定位”錯(cuò)誤的數(shù)量與輻射劑量相關(guān)。

綜上分析，微劑量產(chǎn)生“固定位”錯(cuò)誤的推論更符合試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最后推測(cè)導(dǎo)致“固定位”錯(cuò)誤的機(jī)理為微劑量。

4 解決辦法

文獻(xiàn)[4]中的研究結(jié)果表明，DDR3 芯片在經(jīng)過(guò)150 ℃下12 小時(shí)的退火后，芯片所有“固定位”錯(cuò)誤消失，芯片恢復(fù)室溫后可進(jìn)行正常工作。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，通過(guò)退火，“固定位”錯(cuò)誤會(huì)大幅下降，退火溫度越高，“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量減少的越快。因此，“固定位”錯(cuò)誤可以通過(guò)退火來(lái)減少和消除。

當(dāng)芯片在宇航環(huán)境下出現(xiàn)“固定位”錯(cuò)誤時(shí)，由于不能將其拆卸放入高溫箱退火，也不能對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行高溫加熱。因此需要一種能夠不拆卸芯片，且只對(duì)失效和退化的芯片進(jìn)行加熱的退火方法來(lái)消除“固定位”錯(cuò)誤。

針對(duì)以上問(wèn)題，可通過(guò)3D 堆疊封裝技術(shù)，在存儲(chǔ)器芯片下堆疊一個(gè)加熱芯片并封裝成一個(gè)器件。加熱芯片堆疊在存儲(chǔ)器芯片下方，可以均勻加熱存儲(chǔ)器芯片，且通過(guò)控制加熱芯片引腳電壓可以調(diào)節(jié)加熱存儲(chǔ)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(nèi)部實(shí)現(xiàn)退火，而不影響硬件系統(tǒng)的其它器件。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

對(duì)65 nm SDRAM 存儲(chǔ)器進(jìn)行重離子試驗(yàn)，測(cè)試SDRAM 開關(guān)ECC 的“固定位”錯(cuò)誤，在不同條件下對(duì)SDRAM 芯片進(jìn)行退火。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析后可得出：“固定位”錯(cuò)誤發(fā)生的LET 閾值很低；“固定位”錯(cuò)誤數(shù)量與輻照能量和輻照注量呈正相關(guān)；“固定位”錯(cuò)誤的分布是離散的；退火溫度越高，“固定位”錯(cuò)誤減少得越快。綜合這四點(diǎn)特點(diǎn)，分析總劑量效應(yīng)、微位移損傷、微劑量等機(jī)理導(dǎo)致“固定位”錯(cuò)誤的可能性，推斷出“固定位”錯(cuò)誤為微劑量機(jī)理所導(dǎo)致。提出在存儲(chǔ)芯片下方通過(guò)三維堆疊的方式疊封一個(gè)加熱芯片的方法，解決器件在宇航環(huán)境中工作不能拆卸和退火維修的問(wèn)題。