典型动态随机存储器的粘滞位研究

文 摘：本文主要研究了太空环境对动态随机存储器造成的粘滞位现象，并通过质子试验的方式，验证粘滞位现象在典型动态随机存储器中的表现，探究粘滞位现象与常见太空环境因素的关系，围绕微剂量效应对粘滞位现象产生的原理进行分析。

1 引言

动态随机存储器具有读写速度快、精度高、存储容量大、体积小、价格低、可支持突发模式等优点，目前在不同领域被广泛使用，而在严苛的太空环境中使用动态随机存储器件时，会受到太空环境的影响。因此，本文对5 款动态随机存储器分别进行高能质子轰击，观察不同器件在试验后短时间内和自然退火一段时间后的数据位粘滞现象，并且通过调整动态随机存储器的刷新间隔时间，观察对数据位粘滞现象的修复作用。

2 质子试验

2.1 试验准备

选用市场上典型的动态随机存储器参加试验，具体参试器件如下表。

采用高能量质子模拟太空环境进行试验，试验的束流参数等指标如表 2 所示。

2.2 试验流程具体试验流程如图2 所示。

2.3 试验结果

按照试验方案对不同动态随机存储器芯片开展辐照试验，对各项元器件的试验结果展开分析：（1）IS42S86400F-6TLI 型 SDRAM，在 30MeV 辐照条件下未出现粘滞位现象，在 60MeV 辐照条件下，默认刷新时间产生粘滞，缩短刷新间隔至3us 后，错误完全消除。

（2）V58C2G01164SCI5I 型 DDR，在 30MeV 辐照条件下，默认刷新时间产生粘滞，缩短刷新间隔至 3us后，错误完全消除；在60MeV 辐照条件下同样产生粘滞位现象，并且数量比30MeV 辐射条件下更多，缩短刷新间隔无法完全消除粘滞。

（3）IS43DR16640B 型DDR2，在30MeV、60MeV 辐照条件下，均产生粘滞，自然退火无法完全消除，缩短刷新间隔可大幅减少错误数量。

（4）MT41K256M16 型 DDR3，在30MeV、60MeV 辐照条件下，均产生粘滞，自然退火无法消除，缩短刷新间隔可大幅减少错误数量。

（5）IS46TR16256A 型 DDR3 与 MT41K256M16 型 DDR3 现象几乎一致。

根据结果，可以得出以下结论：

（1）辐照能量越大，被辐照后出现粘滞位的概率越高；

存储容量越大、工艺制程越先进的器件，被辐照后出现粘滞位的概率越高；

（3）自然退火对于粘滞位的恢复作用不大，缩短刷新间隔可以显著改善粘滞位的现象。

3 机理分析

在国外研究中，认为动态随机存储器中因重离子辐照产生粘滞位现象是单粒子栅穿（SEGR）或微剂量（micro-dose）导致的[1]。因粘滞位现象可通过退火恢复，也有研究者以此判断其是由微剂量或微位移损伤（microdisplacement damage）造成的[2-3]。也有人认为导致粘滞位现象是总剂量效应。本文更支持微剂量效应这一说法，微剂量是指沉积在单个高能粒子径迹周围局域空间内的剂量，微剂量效应是兼具总剂量能量累积的特点与单粒子随机性的特点，只会导致器件部分位置出现异常。

以本次试验中验证的 SDRAM 器件为例，分析微剂量的机理：

SDRAM 器件采用65nm 工艺，在研制过程中采用了 STI 工艺（浅槽隔离工艺），STI 结构通常是在半导体基底上沉积一层氧化硅层，图案化此氮化硅层形成硬掩膜，然后蚀刻基底，在相邻元件之间形成陡峭的沟渠，最后在沟渠中填入氧化物形成隔离结构。因为STI 工艺隔离性好，具有更强的闩锁保护能力，对沟道起保护作用，被广泛应用于 DRAM 类存储器中。STI 工艺在蚀刻过程中由于工艺参数的波动会产生漏电流，导致存储单元MOS 管存在漏电流。

由于纳米器件栅氧化层厚度非常小，总剂量效应在栅氧层中产生的陷阱电荷量非常少，不足以影响到器件的本征特性，但微剂量效应引发的电离辐射会在器件的STI 区域产生电子-空穴对。MOS 管栅极区域部分跨越STI 顶部，器件工作时会在STI 区域产生电场，STI 区域的电子发生偏移留下带正电的空穴。没有参与复合的空穴被STI 层边缘的陷阱俘获，产生氧化层陷阱正电荷。随着氧化层陷阱正电荷的不断累积，最终会在隔离氧化层中形成较大的电场。当电场强度达到了一定值后，MOS 管器件的隔离氧化层附近的外延表面反型，源极漏极之间就会出现电流泄漏路径，存储单元的整体漏电流变大，导致在额定刷新间隔时间内泄露的电荷量过大，无法保持原来的存储数据。在缩短刷新间隔时间后，可一定程度恢复数据保持功能。

4 结论

本文对常用的 5 种宇航用动态随机存储器进行质子试验并进行自然退火，测试器件出现的粘滞位现象。通过对试验数据统计分析可以得出：粘滞 能量有关，并且器件的存储容量越大、工艺制程越小，粘滞位出现的概率越大，并且自然退火 的恢复作用不大。综合这些特点，分析了总剂量效应、位移损伤、微剂量效应等机理导致粘滞位现象出现的可能性，得出粘滞位现象是微剂量效应导致。

参考文献

[1] SWIFT G M， PADGETT D J 等. A new class of single event hard errors [DRAM cells].[J]IEEE Transactions on Nuclear Science，1994，41（6）：2043-2048.

[2] EDMONDS L D，SCHEICK L Z. Physical mechanisms of ion-induced stuck bits in the Hyundai 16M×4 SDRAM.[J]IEEE Transactions on Nuclear Science，2008，55（6）：3265-3271.

[3] EDMONDS L D，GUERTIN S M 等. Ion-induced stuck bits in 1T/1C SDRAM cells.[J]IEEE Transactions on Nuclear Science，2001，48（6）：1925-1930.

[4] Leif Z. Scheick，Steven M. Guertin，Gary M. Swift 等. Analysis of Radiation Effects on Individual DRAM Cells.[J]IEEE Transactions on Nuclear Science，2000，47（6）：2534.

作者简介：

李森（1992 年—），男，硕士，工作单位：，研究方向：宇航计算机设计。