（电子科学与技术专业论文）栅氧退化效应下sram软错误分析与加固技术研究.pdf

分类号 tp302 学号 09060024 密级 公 开 工学硕士学位论文 栅氧退化效应栅氧退化效应下下 sram 软错误软错误 分析与加固分析与加固技术技术研究研究 硕士生姓名 金作霖 学 科 专 业 电子科学与技术 研 究 方 向 微处理器设计 指 导 教 师 张民选 教授 国防科学技术大学研究生院国防科学技术大学研究生院 二一一二一一年年十十一月一月 research of soft error analysis and reinforcement technology in sram under the effect of gate oxide degradation candidate：jin zuolin advisor：prof. zhang minxuan a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering in electronic science and technology graduate school of national university of defense technology changsha，hunan，p. r. china november，2011 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 i 页 目目 录录 摘 要 . i abstract . iii 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 软错误来源 . 1 1.1.2 软错误与栅氧退化效应 . 5 1.1.3 应用需求 . 8 1.2 相关研究 . 9 1.2.1 可靠性问题研究 . 9 1.2.2 模拟分析方法研究 . 11 1.3 论文的主要工作 . 14 1.4 论文的组织结构 . 15 第二章 物理因素相关的可靠性问题 . 17 2.1 热载流子注入效应 . 17 2.2 负偏压温度不稳定效应 . 18 2.3 栅氧退化效应 . 19 2.3 总结 . 22 第三章 栅氧退化效应下软错误分析 . 25 3.1 问题提出 . 25 3.2 模型解析 . 26 3.2.1 基本模型 . 26 3.2.2 数学推导 . 28 3.3 模拟分析 . 31 3.3.1 栅氧退化与软错误率的关系 . 31 3.3.2 不同工艺下栅氧退化的影响 . 33 3.4 小结 . 34 第四章 栅氧退化效应下电压对软错误的影响 . 35 4.1 问题背景 . 35 4.2 趋势分析 . 35 4.3 模拟验证 . 35 4.3.1 同一工艺水平下模拟 . 35 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 ii 页 4.3.2 不同工艺水平下模拟 . 38 4.4 小结 . 41 第五章 抗栅氧退化效应的软错误加固方法研究 . 43 5.1 加固方法 . 43 5.2 电路原理 . 46 5.2.1 10t 单元加固方法 . 46 5.2.2 耦合电容加固方法 . 47 5.2.3 基于稳定结构的加固方法 . 48 5.3 模拟仿真 . 50 5.4 小结 . 52 第六章 结束语 . 53 6.1 工作总结 . 53 6.2 工作展望 . 53 致 谢 . 55 参考文献 . 57 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 iii 页 表 目 录 表 4.1 45nm 工艺，栅氧退化程度(k，p)=(1 10-5，4) . 36 表 4.2 45nm 工艺，栅氧退化程度(k，p)=(1 10-5，5) . 37 表 4.3 45nm 工艺，栅氧退化程度(k，p)=(2 10-5，5) . 37 表 4.4 65nm 工艺，栅氧退化程度(k，p)=(1 10-5，4) . 38 表 4.5 65nm 工艺，栅氧退化程度(k，p)=(1 10-5，5) . 39 表 4.6 65nm 工艺，栅氧退化程度(k，p)=(2 10-5，5) . 39 表 5.1 10t 单元中电阻管尺寸 . 47 表 5.2 稳定结构中各晶体管尺寸 . 50 表 5.3 三种电路仿真结果 . 50 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 iv 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 v 页 图 目 录 图 1.1 空间辐射环境4 . 2 图 1.2 范艾伦带4 . 2 图 1.3 太阳风与地球磁场4 . 3 图 1.4 大气辐射环境5 . 4 图 1.5 seu 示意图 . 6 图 1.6 set 示意图7 . 6 图 1.7 表征 trap 产生和栅氧击穿触发条件的示意图 . 8 图 1.8 电流源模拟受到粒子轰击的 sram 单元 . 10 图 1.9 校准的 nmos 三维器件模型29 . 13 图 1.10 主要工作关系图 . 15 图 2.1 热载流子注入效应示意图 . 17 图 2.2 nbti stress . 18 图 2.3 nbti recovery . 19 图 2.4 栅氧退化效应示意图 . 19 图 2.5 140下栅氧厚度为 1.7nm-7.8nm 的 tbd归一化分布25 . 20 图 2.6 defect(trap)产生过程 . 21 图 2.7 栅氧退化效应发展过程示意图12 . 22 图 3.1 高能粒子轰击 cmos 晶体管28 . 25 图 3.2 6 管 sram 单元 . 27 图 3.3 power-law 模型 . 27 图 3.4 未翻转情况 . 29 图 3.5 发生翻转的情况 . 29 图 3.6 模型计算与仿真结果对比 . 31 图 3.7 栅氧退化程度（rgbd）与临界电荷的关系 . 32 图 3.8 栅氧退化程度（gm）与临界电荷的关系 . 32 图 3.9 ser 与栅氧退化程度（gm）的关系 . 33 图 3.10 栅氧退化条件下不同工艺水平的 ser . 34 图 4.1 仿真电路设置 . 36 图 4.2 电压在不同栅氧退化程度下对临界电荷的影响 . 37 图 4.3 栅氧退化程度 k=1 10-5，p=4. 39 图 4.4 栅氧退化程度 k=1 10-5，p=5. 40 图 4.5 栅氧退化程度 k=2 10-5，p=5. 41 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 vi 页 图 5.1 三阱器件结构33 . 43 图 5.2 soi 器件结构33 . 44 图 5.3 电阻加固方式 . 44 图 5.4 通过增加电容降低软错误率28 . 45 图 5.5 两种电路设计加固单元 . 46 图 5.6 10t 单元 . 47 图 5.7 耦合电容加固方式 . 48 图 5.8 稳定结构 . 49 图 5.9 基于稳定结构的 sram 单元 . 49 图 5.10 三种情况临界电荷对比 . 51 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 i 页 摘 要 目前，集成电路制造工艺进入纳米时代，软错误问题已经成为影响集成电路 可靠性的主要因素。同时，栅氧化层厚度随着工艺进步逐渐减小，栅氧退化效应 对软错误问题的影响也日益严重。因此研究集成电路特别是存储单元在发生栅氧 退化效应情况下的可靠性问题具有重要的意义。 本文研究工作围绕栅氧退化效应下 sram 单元的可靠性展开，进行了如下几 方面的研究： 第一，基于已有的栅氧退化效应模型，通过数学建模和模拟分析等方法推导 出在栅氧退化效应下 sram 单元临界电荷的计算模型，并验证了其正确性。在其 基础上，仿真分析了栅氧退化与软错误率的关系以及不同工艺水平下栅氧退化效 应对 sram 单元可靠性的影响。 第二，基于第一部分的计算模型，在栅氧退化条件下电压对临界电荷的大小 存在两种相反的影响，因此必然存在一个最佳的电压 vopt，使得在该电压下 sram 单元的临界电荷最大。本文通过模拟实验，验证了这一结论，并进一步对最优电 压 vopt以及最大临界电荷 qcritmax在不同栅氧退化程度、不同工艺水平下的情况进 行了模拟分析。 第三，分析研究了各种不同的软错误加固方法，并着重对电路设计加固方法 中的耦合电容加固方法、10t 单元加固方法和一种基于稳定结构的 sram 单元进 行了研究，分析了其工作原理，并评估它们软错误和栅氧退化效应的加固效果。 文章的研究结果对于指导现阶段 sram 设计、分析在栅氧退化效应下 sram 单元的可靠性问题具有一定的理论指导意义。 主题词：软错误；栅氧退化效应；临界电荷；可靠性；软错误率 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 ii 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 iii 页 abstract at present, the integrated circuits manufacturing process has entered nanometer era; soft error problem has become the major factor affecting the reliability of integrated circuits. meanwhile, the gate oxide thickness decreases as the technology advances, and the impact of gate oxide degradation on soft error problem is becoming increasingly serious. therefore, analyzing of modeling on the reliability of integrated circuits especially on the storage unit under the gate oxide degradation effect is of great significance. this paper focuses on sram cell reliability under the effect of gate oxide degradation, conducting a study of the following aspects: first, according to the existing model of gate oxide degradation, this paper for the first time derives a sram cells critical charge calculation model under the effect of gate oxide degradation through mathematical modeling and simulation analysis, and verifies its correctness. second, this paper simulates the relationship among gate oxide degradation and soft error rate and the influence of gate oxide degradation on sram cells reliability at different technology nodes. according to the calculation model, in the gate oxide degradation conditions, the size of supply voltage has two opposite impacts on the critical charge. so there must be an optimal supply voltage vopt, making the sram cells critical charge maximum. this paper verifies the conclusion by simulating an experiment. furthermore this paper simulates the optimal voltage and maximum critical charge at different gate oxide degradation levels and technology nodes. at last, this paper describes the various methods of soft errors reinforcement, and focuses on the circuit design reinforcement methods coupling capacitor, 10t unit and a stable structure of sram cell. the work of the article has a certain value to guide sram design and analysis the susceptibility to soft errors under the effect of gate oxide degradation. key words: soft error, gate oxide degradation, critical charge, reliability, soft error rate 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 iv 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 随着集成电路制造工艺的不断进步，cmos 器件特征尺寸不断减小，目前已 经进入纳米阶段。纳米集成电路中集成的晶体管数量已经达到几亿甚至几十亿， 为了满足性能和功耗等一系列要求，纳米集成电路的电源电压，晶体管噪声容限 等特征值也在不断降低，由此而产生的集成电路可靠性问题也逐步突显出来。由 于纳米集成电路具有出色的性能、强大的功能和较低的功耗，广泛应用于电子通 信、计算机、航空航天和军事等设备中，这些应用都对集成电路的可靠性和稳定 性有着极高的要求，使得可靠性问题成为继性能问题和功耗问题之后，集成电路 的又一个严峻挑战。软错误是引发集成电路可靠性问题的主要原因，集成电路进 入纳米时代后，电路的软错误率急剧上升，严重影响应用的可靠性，必须引起足 够的重视。 1.1 课题背景课题背景 1.1.1 软错误来源 软错误现象最早发现于航天飞机和卫星中工作的微处理器，其本质是集成电 路受到高能粒子轰击或噪声干扰产生的瞬态错误。本节将主要介绍引起软错误高 能粒子和噪声的来源。 1.1.1.1 辐射来源辐射来源 宇宙中存在着复杂的辐射环境，大气层外的空间中就存在相当强的复杂辐射 环境，这一辐射环境主要由宇宙射线，太阳辐射（包括太阳耀斑和太阳风），极 光辐射，围绕地球的范艾伦辐射带以及 x 射线和电磁辐射等组成，同时也包含了 由于宇宙射线穿透大气层形成的大气辐射环境和核爆炸环境等人造辐射环境1。 在 这一复杂的辐射环境中，存在着众多的高能粒子，这些高能粒子对于空间飞行器 中的集成电路，尤其是未进行过辐射加固的电路有着极大的威胁。特别是随着工 艺进步，器件的特征尺寸达到纳米量级，辐射环境对于集成电路的可靠性更是有 着重大的影响23。 （1）空间辐射环境 空间辐射环境主要由三部分组成：地球辐射带、太阳宇宙射线和银河宇宙射 线，如图 1.1 所示。 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 2 页 图 1.1 空间辐射环境4 地球辐射带 大量的带电粒子被地球磁场所俘获， 形成一个半径大约为 6-7 个地球半径的辐 射带，亦称“范艾伦”带。由于带电粒子空间分布不均匀，比较集中地形成了两个 辐射带：内辐射带和外辐射带，如图 1.2 所示。内辐射带在赤道平面上空 600-1000 km，纬度边界约为 40，强度最大的中心位置距地球 3000 km 左右。外辐射带的 空间范围很大，中心位置在赤道上空 20000 km 以上，纬度边界为 55-704。 图 1.2 范艾伦带4 范艾伦带中的高能粒子主要包括电子和质子，也混杂了少量的重离子。内范 艾伦带包含能量在 30mev 至 100mev 的质子和能量在 40ev 至 70ev 的电子和少 量的重离子，通量最高达 3104cm-2 s-1。外范艾伦带包含能量小于数兆电子伏特 的质子和 0.4 mev 至 1 mev 的电子，通量最高达 1010cm-2 s-14。 太阳风 太阳色球有时会发生局部区域突然增亮的现象，称为太阳耀斑。太阳耀斑发 生时往往伴随着大量高能质子的发射，所以太阳耀斑有时也称为太阳粒子辐射或 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 3 页 太阳质子事件，同时将太阳耀斑发射的高能质子称为太阳宇宙线。在不到 1 小时 的时间内，太阳宇宙线就可以到达地球轨道附近，并延续数小时甚至一天以上。 太阳宇宙线的出现是随机的，在太阳活动高发年，出现的次数比较多，且强度较 大。另外，对于空间某一点而言，太阳宇宙线的强度还随时间变化而变化。在一 段时间内强度最大，这时的能谱称为峰值谱。太阳宇宙线的主要成分为质子，也 包括少量的alpha粒子和重核。 质子的能量为10-100 mev， 有的甚至高达10 gev； 通量可达 1 cm-2 s-1。一次太阳质子事件可持续 30-40 小时，累积注入量可达 105 cm-24。太阳风与地球磁场的作用如图 1.3 所示。 图 1.3 太阳风与地球磁场4 银河宇宙线 银河宇宙线起源于银河系，由能量极高而通量极低的带电粒子组成。它们连 续不断地从四面八方射入地球空间。银河宇宙线中所含离子成份很宽，从原子序 数 1 到 92 的元素都有，但离子含量差别极大，一般认为质子约占 85 %，alpha 粒 子约占 12.5 %，元素锂到铁的离子约占 1.5 %，其他元素的含量更少。银河宇宙线 通量在赤道附近约为 5 10-1 cm-2 s-1，高纬度区约为 2 cm-2 s-1。银河宇宙线的能量 分布很广，从 40 mev 到 1013 mev4。 （2）大气辐射环境 虽然有地球磁场的扭曲作用和大气层的阻挡作用的存在，仍然有部分的宇宙 射线能够穿透大气层，到达地球空间，形成了大气辐射环境。如图 1.4 所示。 到达地球大气层边缘的宇宙射线的通量大约是 1600m-2 s-1， 这些粒子的能量大 都远远超过 1gev。在这些高能宇宙射线的轰击下，这些粒子与大气中的原子核相 互作用，产生了大量的第二代和第三代粒子流，如图 1.4 所示。这些次级粒子的能 量衰减，但在高层大气中的粒子密度急剧增加，大约 12km 的高度宇宙射线的密度 增加为 106m-2 s-1。由于大气层对宇宙射线的持续吸收作用，在靠近地面的大气层 以内，宇宙射线的强度随高度减小而成指数规律衰减。在海平面的高度上，宇宙 射线的通量已经小于 360m-2 s-1，其中 95%是中子，另外有少量的质子和介子4。 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 4 页 图 1.4 大气辐射环境5 粒子的全方位注量率随高度的变化可以用公式(1.1)来描述5： 12 21 - =exp aa ii l (1.1) 其中 a1和 a2表示海拔高度，i1和 i2表示在海拔高度 a1和海拔高度 a2的高能 粒子全方位注量率。其中 l 是相应粒子在空气中的吸收距离，对于每一种特定的 粒子来说 l 是常数。 （3）人造辐射环境 人造辐射环境主要包括核爆炸环境、核动力环境以及在制造工艺过程中引入 的辐射。 核武器爆炸时所产生的大量高能粒子与强烈的电磁脉冲通过和传播的空间称 为核爆炸环境。核爆炸产生的高能 射线、x 射线、中子以及电磁脉冲具有极高的 能量，足以使半导体材料中的原子电离产生光电流，对半导体器件的工作产生严 重的干扰，存储器中的内容被抹掉，逻辑信号产生错误，甚至半导体器件被烧毁。 核爆炸时的辐射剂量率比空间辐射的剂量率大近十个数量级，高空核爆炸产生的 电磁脉冲影响可达数千公里。 原子能核电站、核潜艇以及装有核能源的人造卫星等也会在其周围产生一定 程度的核辐射，称为核动力环境。核辐射环境中的高能粒子主要有快中子流、高 能电子流、 射线、x 射线、 射线、 射线等，其中快中子流、高能电子流和 射线不易被大气吸收，射程较长，对电子设备及其元器件威胁最大，而 射线、 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 5 页 射线易被大气吸收，射程很短，影响相对较小6。 在半导体器件的制造工艺过程中，如电子束光刻、电子束蒸发、等离子刻蚀 和离子注入等也会引入各种辐射，封装材料中微量放射性元素产生的 alpha 粒子 也会对器件产生辐射损伤。 1.1.1.2 噪声来源噪声来源 在微处理器以及一些存储设备的工作环境中不可避免的存在一定的电磁噪声。 如果这些电磁噪声的强度过大，就会导致微处理器以及存储设备发生软错误。这 些噪声主要包括电磁干扰、串扰等。 电磁干扰包括传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个 电网络上的信号耦合到另一个电网络，而辐射干扰则是指干扰源通过空间把其信 号耦合到另一个电网络。串扰是指空间距离较近的信号线之间的互相耦合，由于 串扰的存在，信号线上会产生相互影响的线上噪声。 各种商业广播装置、移动电话和民用波段的各种无线电通信设备都可能是噪 声来源，同时微处理器及存储单元内部的一些模块也可能产生高频的噪声，并传 导或辐射到其他的模块中去。包括电磁干扰和串扰在内的噪声主要是以电磁波的 形式干扰微处理器的正常工作。一般噪声干扰的辐射水平都比较低，所以由此引 起的软错误只占整个软错误中很少的一部分7。 1.1.2 软错误与栅氧退化效应 1.1.2.1 软错误软错误 大气层中存在着众多的高能粒子，包括来自宇宙射线的中子和来自封装材料 的 alpha 粒子等，当这些高能粒子入射到晶体管的耗尽区时，就会在耗尽区产生 大量的电子/空穴对，晶体管的源极和漏极节点就会收集这些电荷，当累积的电荷 达到一定程度时，就会造成设备逻辑状态的改变，从而给电路的操作带来一个逻 辑错误。这种类型的错误并不会表现为永久性的故障，而是瞬时的、可恢复的， 我们称其为软错误（soft error），或者瞬时错误（transient error）7。 软错误在逻辑电路中主要表现为两种类型的单粒子效应单粒子翻转 （seu） 和单粒子瞬态（set）。 （1） 单粒子翻转（single event upset，seu） 单粒子翻转指的是如 sram 单元、 dram 单元、 寄存器文件 （register files） 单元和锁存器（latch）等各种类型的存储单元受到高能粒子的轰击而造成存储在 该存储单元中的逻辑值改变的情况，如图 1.5 所示。 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 6 页 图 1.5 seu 示意图 为了解决由于 cpu 和主存间由于运行和访问速度差异带来的性能问题，现代 处理器在存储层次中引入了 cache，而且大容量的一级 cache 和二级 cache，三级 cache 几乎占据了微处理器芯片一半以上的面积，这使得发生 seu 风险的概率大 幅度上升。特别是在集成电路的特征尺寸进入到纳米时代以后，器件的电源电压 以及节点电容等特征参数不断减小， 使得节点发生 seu 所需的临界电荷不断减小， 以往认为不能引发 seu 的低能量的粒子现在也可以造成存储的逻辑值翻转7。 （2） 单粒子瞬态（single event transient，set） 单粒子瞬态是在组合逻辑电路中，高能粒子轰击节点的敏感区域，在电路中 产生一个瞬时脉冲，如图 1.6 所示，产生的瞬时脉冲能够沿着组合逻辑的某一路径 向下传播，如果没有被逻辑屏蔽掉，反而被路径上的某个存储单元采样，就会造 成电路的功能错误，影响电路的正常工作8。 图 1.6 set 示意图7 在瞬时脉冲向后传播的过程中，可能会受到逻辑屏蔽、电屏蔽和锁存窗口屏 蔽三种屏蔽作用的影响，无法顺利被存储单元采样。逻辑屏蔽即不存在由脉冲产 生处到输出节点间的敏化通路，脉冲因为无法传输而被屏蔽；电屏蔽就是由于门 对脉冲的削弱作用，使得脉冲的信号幅度逐渐减小，最终被屏蔽掉；锁存窗口屏 蔽就是传播到存储节点的脉冲由于没有处在有效的锁存窗口之内，不满足对建立 时间或保持时间的要求而被屏蔽9。 101001 高能粒