1引言
SDRAM 存储器具有价格低、体积小、容量大、读写速度快等优点，是计算机系统中理想的存储器件，目前已在工业和商业中广泛使用。若要在工作环境严苛的航空航天系统中使用SDRAM 存储器，需密切研究其辐照效应。在这一领域中，国内外主要针对单粒子翻转进行研究，对于辐照试验中出现的单粒子硬错误SHE （Single Hard Errors ）涉及较少。然而，相比于单粒子翻转错误，不能通过重新上电恢复的硬错误对计算机系统的危害更大。在SDRAM 的硬错误中，典型的一种是“固定位”（stuck bit ）错误，其特点为存储单元的状态卡在了“0”或“1”状态， 无法从“0”变为“1”或从“1”变为“0”。
Henson 等人[1]在对0.35μm 的SDRAM 进行重
离子试验时就有“固定位”错误产生，其认为“固定位”错误数量只占SDRAM 容量的0.002%，对航天应用不会产生严重影响。然而随着特征尺寸减小，
“固定位”错误更易发生，并且“固定位”错误的数量
会随着辐照剂量的增加而增加[2]。这使得SDRAM 存
储器在辐照环境下工作时，“固定位”错误越来越多，
超出ECC 的可纠错能力范围，
使系统出现问题。针对这一情况，在此提出一种试验方案，对65nm 的
SDRAM 存储器进行重离子辐照，统计和分析出现的
重离子辐照下SDRAM 存储器“固定位”
错误研究唐
越，殷中云，邓玉良，李孝远，杨
彬，方晓伟
（深圳市国微电子有限公司，usb存储器
深圳518057）摘要：对65nm SDRAM 存储器进行重离子试验，分析其出现
“固定位”错误的地址分布规律性，并研究错误数量与辐射能量以及注量之间的关系。对辐照后样品采用不同温度和时长退火， 分析不同参数设定对“固定位”错误恢复的影响。根据试验现象，围绕微剂量效应，分析
“固定位”错误的产生机理。提出一种方法，通过三维堆叠的方式在SDRAM 存储芯片下叠封一个加热芯片，利用加热退 火使“固定位”错误消失，可有效解决SDRAM 存储器在宇航环境下出现“固定位”
错误却无法维修器件的问题。
关键词：重离子辐照试验；固定位错误；SDRAM 存储器；微剂量；
加热退火DOI:10.3969/j.issn.1002-2279.2021.01.002中图分类号:TN406；TP333.8文献标识码:A 文章编号:1002-2279（2021）01-0009-04
Research on "Stuck bit"Error of SDRAM Memory under
Heavy Ion Irradiation
TANG Yue,YIN Zhongyun,DENG Yuliang,LI Xiaoyuan,YANG Bin,FANG Xiaowei
(Shenzhen State Microelectronics Co.,Ltd ,Shenzhen 518057,China )
Abstract:Heavy ion test was carried out on 65nm SDRAM memory,and the address distribution regul
arity of "stuck bit"errors was analyzed,and the relationship between the number of errors and radiation energy and fluence was studied.The irradiated samples were annealed at different temperatures and durations,and the effects of different parameter settings on "stuck bit"error recovery were analyzed.According to the experimental phenomenon,the mechanism of "stuck bit"error is analyzed around the micro-dose effect.A method is proposed,in which a heating chip is stacked under the SDRAM memory chip in a three-dimensional way,and the "stuck bit"error disappears by annealing,which can effectively solve the problem that the SDRAM memory can 't repair the device when it has the "stuck bit"error in aerospace environment.
Key words:Heavy ion irradiation test;Stuck bit error;SDRAM memory;Microdose;Annealing
作者简介：唐越（1993—），女，贵州省瓮安县人，硕士，主研方向：
辐照效应测试，单粒子翻转。收稿日期：2020-09-16
微处理机
MICROPROCESSORS
第1期2021年2月
No.1Feb.，2021
微处理机2021年
“固定位”错误；
对辐照后样品采用不同条件退火，分析退火温度和时长对“固定位”错误恢复的影响；根据以上试验数据分析“固定位”错误的产生机理，进而设法解决SDRAM 存储器在宇航环境下出现“固定位”错误却无法维修器件的问题。
2重离子试验
2.1试验条件
重离子试验的样品是3片编号分别为1#、2#、3#的SDRAM 芯片，容量皆为512Mbit ，电源电压为3.3±0.3V ，以65nm 光刻工艺制成。对芯片开盖处理，通过目检和功能测试，确保芯片的完好。
为避免试验对被测芯片以外的试验板控制电路造成影响，在设计试验板时将控制电路与被测芯片进行分区，控制电路和被测芯片分别位于试验板
的正、反面，控制电路在试验板反面，安装待测芯片的扣板在试验板正面，这样能更有效地避免控制电
路受辐照影响。
自来水检漏
单粒子试验板布局如图1所示。试验板采用FPGA 作为主控。FPGA 对SDRAM 进行读写测试，其测试结果采用串行方式通过RS-422接口输出至上位机保存。
试验在北京串列加速器核物理国家实验室开
展，利用HI-13串列静电加速器进行重离子试验。根据试验条件，选用粒子能量如表1所示。
2.2
试验结果芯片1#、2#、3#分别在C 离子、Ge 离子、Br 离子下进行了辐照，在芯片辐照后对SDRAM 存储器
芯片进行测试得到辐照后的“固定位”错误数量。通
过开关ECC 对芯片进行对比测试分析，
可得出：①“固定位”错误数量和注量、照射能量正相关；②“固定位”错误成离散分布。
图2为1#、2#、3#芯片在重离子辐照后开启
ECC 和关闭ECC 的测试结果对比。
横坐标为辐照的注量，纵坐标为“固定位”错误数量。可以观察到，被高能离子辐照后的2#和3#芯片错误数量远高于屏蔽玻璃
1#，且随着辐照注量的增加，“固定位”错误数量也会
增加。Br 离子的能量比Ge 离子高，但是由于Ge 离
子辐照的总注量是Br 离子辐照总注量的两倍，
所以“固定位”错误的数量更多。芯片ECC 纠错码为（40,
32）的检二纠一码。开启ECC 后“固定位”错误数量骤减，即大部分错误可以被ECC 纠正。由此可知大
多数的“固定位”错误都是离散的。
分别采用64ms 、32ms 、16ms 的刷新周期对SDRAM 进行测试，发现刷新周期越小，“固定位”错误数量越小，但32ms 与16ms 刷新周期的“固定位”错误数量差距不大，推测其存在一个阈值，刷新周期小于阈值后，“固定位”错误数量将不会再随刷新周期的减小而减小。表2为这三个芯片在不同刷新周
柿子削皮机期下的“固定位”
错误数量。图1单粒子效应试验系统布局图
待测器件DUT
FPGA
J T A G
R S -422
P O W E R
e x t e r n a l
PC
程控
电源
DDR2
表面LET 值/MeV ·cm 2·mg -1
硅中射程/μm
42.0
30.2
离子种类能量/MeV C
Ge Br
218
30.01.737.480205127.1表1
试验离子能量表2#芯片3#芯片1080个
磁带备份476个
刷新周期
1#芯片64ms 32ms 16ms
3个
488个1544个1090个6个3个953个表2不同刷新周期下的“固定位”错误个数图2关闭和开启ECC 的“固定位”错误数量对比
(a)关闭ECC
(b)开启ECC
·10·
1期2.3
退火情况
结束以上测试后，在不同条件下对三个试验芯片进行退火。“固定位”错误的数量随退火时间和退火温度的变化如图3所示。
1#、2#、3#芯片在室温（25℃）下退火120小时，
三个芯片的“固定位”错误数量都缓慢下降。在室温
下退火后，把1#、2#芯片放入85℃高温箱，其“固定位”错误随退火时间的增加而减少。而3#芯片在
300℃下退火了0.1小时，错误数量从459骤减为
60个，之后放入125℃高温箱下退火，其错误数量缓慢减少。由此可知，“固定位”错误能在常温下退
火恢复，但需要的退火时间长。高温下的退火效率比常温高，且温度越高，退火效果越好。
3机理分析
“固定位”错误的出现是由于数据保存时间小于刷新间隔时间，导致数据不能保持到读取之时从而出错。G.M.Swift 等人[3]最早认为DRAM 存储器中因重离子辐照而产生的“固定位”错误是由单粒子栅穿（SEGR ）或微剂量（micro-dose ）导致的。因“固定位”错误可通过退火恢复，L.D.Edmonds 等人以此判
断其是由微剂量或微位移损伤
（micro displacement damage ）造成的[4-5]。另外一些学者认为导致“固定
位”错误的机理是总剂量效应[6-8]。在此，将讨论总剂量效应、位移损伤、微剂量导致“固定位”错误的可能性。
1）总剂量效应：总剂量效应是一种累积效应，对器件的影响是均匀的。通过实验结果来看，发生“固定位”错误的单元数量随着注量的增加而增加，图2反应了"固定位错误"对剂量的敏感性。但“固定位”错误的地址分布是离散的，辐照前后器件AC 参数也没有发生明显变化。结合之前器件在Co 60下做过的总剂量实验中并没有观察到“固定位”错误的现
象来看，总剂量效应导致“固定位”错误这一说法与
试验现象存在矛盾。
2）位移损伤：位移损伤主要是高能粒子导致半
导体产生晶格空位（即原子离开晶格位置后所留下
的空位），在反偏耗尽层中产生载流子，这种载流子会造成漏电流。在SDRAM 中，晶体管漏极与电容之间的反偏耗尽区会使电容放电，导致数据保持时间
减小。通常位移损伤是发生在高能粒子辐照后，
然而在试验中发现，C 离子（LET≈1.73MeV ·cm 2/mg ）辐
照下也有“固定位”错误出现，但C 离子的能量不足以造成位移损伤。
3）微剂量：微剂量指单个粒子在其径迹周围的局部空间内所沉积的剂量，其作用机理与总剂量效应类似，但带来的影响是单个粒子的局部影响。其既有与总剂量效应相似的失效数量与剂量相关的特点，又有单粒子效应的随机性。微剂量与总剂量均匀分布的方式不同，其分布是局域性的。从开关ECC 的测试结果可看出，试验产生的“固定位”错误也是
离散和局域性的，且“固定位”错误的数量与辐射剂量相关。
综上分析，微剂量产生“固定位”错误的推论更
符合试验结果。根据试验结果，最后推测导致“固定位”错误的机理为微剂量。
4解决办法
文献[4]中的研究结果表明，DDR3芯片在经过
150℃下12小时的退火后，芯片所有“固定位”错误消失，芯片恢复室温后可进行正常工作。从试验结果可看出，通过退火，“固定位”错误会大幅下降，退火温度越高，“固定位”错误数量减少的越快。因此，“固定位”错误可以通过退火来减少和消除。
当芯片在宇航环境下出现“固定位”错误时，由于不能将其拆卸放入高温箱退火，也不能对整个硬件系统进行高温加热。因此需要一种能够不拆卸芯片，且只对失效和退化的芯片进行加热的退火方法来消除“固定位”错误。
针对以上问题，可通过3D 堆叠封装技术，在存储器芯片下堆叠一个加热芯片并封装成一个器件。加热芯片堆叠在存储器芯片下方，可以均匀加热存储器芯片，且通过控制加热芯片引脚电压可以调节加热存储器芯片的温度。由此芯片就能够在不拆卸
的情况下，在器件内部实现退火，而不影响硬件系统的其它器件。
图3
芯片退火情况
唐越等：重离子辐照下SDRAM 存储器“固定位”
错误研究·11·
微处理机2021年
5结束语
对65nm SDRAM存储器进行重离子试验，测试SDRAM开关ECC的“固定位”错误，在不同条件下对SDRAM芯片进行退火。通过对试验数据进行统计和分析后可得出：“固定位”错误发生的LET阈值很低；“固定位”错误数量与辐照能量和辐照注量呈正相关；“固定位”错误的分布是离散的；退火温度越高，“固定位”错误减少得越快。综合这四点特点，分析总剂量效应、微位移损伤、微剂量等机理导致“固定位”错误的可能性，推断出“固定位”错误为微剂量机理所导致。提出在存储芯片下方通过三维堆叠的方式叠封一个加热芯片的方法，解决器件在宇航环境中工作不能拆卸和退火维修的问题。
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