Шумахер У. Полупроводниковая электроника

Заметим, что попытка «отменить» муль-

миться к тому, чтобы паузы в работе, свя-

типлексирование адреса (т.е. активизиро-

занные с процессом обновления данных,

вать строку и столбец одновременно) нико-

были минимальными.

им образом не позволит ускорить работу

Чтобы исключить возможность потери

DRAM. Принцип организации динамичес-

данных в ячейках памяти, эти данные долж-

кой памяти предполагает наличие неболь-

ны через определённые интервалы времени

шой, но обязательной временной задержки

обновляться, т.е. считываться, усиливаться

с момента выбора (активации) строки до

и записываться обратно в ячейки. Данный

того момента, когда данные станут доступ-

процесс осуществляется каждый раз при

ны (считаны в буфер данных строки), и

обращении к строке матрицы DRAM. Сиг-

можно будет активировать адрес столбца.

нал выбора строки управляет открыванием

Обновление памяти

коммутирующих

транзисторов

в ячейках

памяти. Транзисторы, в свою очередь, под-

Поскольку основой ячейки памяти

ключают

запоминающие

конденсаторы к

DRAM является конденсатор очень ма-

входам усилителей считывания соответ-

ленькой ёмкости, с течением времени,

ствующих столбцов. В процессе считыва-

вследствие различного рода утечек, неиз-

ния данных, как указывалось выше, проис-

бежна потеря хранящегося в ней заряда.

ходит утечка заряда из ячеек памяти. Поэ-

Одной из главных причин утечек является

тому после завершения указанного процес-

повышение температуры, которое придает

са усиленные напряжения, соответствую-

носителям заряда б=ольшую энергию и поз-

щие

исходным

логическим

уровням

воляет им легче преодолевать изолирую-

сигналов, поступают обратно на конденса-

щий барьер. Временной интервал с момен-

торы ячеек памяти, восстанавливая их за-

та записи данных в ячейку до момента, ког-

ряд. Как правило, для того чтобы ускорить

да данные из ячейки начинают считываться

процесс обновления данных, используется

некорректно из-за потери части заряда на

метод одновременной адресации несколь-

конденсаторе, называется временем обнов-

ких строк. Так, например, у микросхем

ления, или временем хранения данных.

SDRAM

при

выполнении

команды

Длительность этого интервала зависит от

Auto Refresh

происходит

одновременное

значения хранящегося в ячейке сигнала

обращение к строкам длиной 8 Кбит в каж-

данных. Например, если в ячейке памяти

дом из банков памяти, и данные из всех

хранится логический 0 и окружающая ячей-

ячеек в этих строках считываются и запи-

ку подложка имеет нулевой потенциал, то

сываются обратно.

нет никакой причины для возникновения

Для того чтобы все ячейки памяти вовре-

тока утечки, который мог бы изменить по-

мя обновлялись, обращение к каждой стро-

тенциал ячейки (т.е. время обновления уве-

ке должно производиться с заданным ин-

личивается). При более точной оценке вре-

тервалом времени. Поскольку в процессе

мени обновления необходимо учитывать,

обычной работы компьютера такая регу-

что вокруг данной ячейки располагаются

лярная адресация никогда не происходит,

другие строки и столбцы ячеек памяти, в

обновление памяти осуществляется с помо-

которых вполне могут содержаться логичес-

щью специальной команды. Для асинхрон-

кие 1. Тем не менее, если ячейка была изго-

ных DRAM

это

команда

CAS before RAS

товлена оптимальным образом и не имеет

(CBR),

а

для SDRAM

— Auto Refresh.

случайных дефектов, предельное время об-

В процессе выполнения этой команды ад-

новления данных является вполне адекват-

реса строк не поступают извне, а генериру-

ной величиной. Производители микросхем

ются встроенной логической схемой на ос-

DRAM обычно приводят этот параметр в

нове счётчика. Имеется также команда

спецификации как собственное (внутрен-

Self Refresh

(иногда

она

называется

нее) время обновления.

Sleep Mode),

вызов

которой

переводит

При проектировании устройств DRAM

DRAM в режим непрерывного, полностью

следует очень хорошо понимать, что при от-

автономного обновления памяти.

сутствии обновления данных в течение не-

Устройством,

определяющим, когда и

которого времени, примерно через не-

каким способом будет осуществляться об-

сколько миллисекунд после записи, данные

новление DRAM, обычно является процес-

будут потеряны. Необходимо также стре-

сор. Существует два стандартных подхода к

до выхода из этого режима обновление па-

Поэтому приходится применять тесты,

мяти проводилось в последний раз.

которые не моделируют поведение микро-

Характеристики внутреннего

таймера,

схемы во всех возможных условиях, а на-

управляющего процессом обновления дан-

правлены на обнаружение физических де-

ных, как и характеристики всех других эле-

фектов ячеек памяти и соседствующих с

ментов микросхемы DRAM, могут несколь-

ними элементов. Всё это влечёт за собой не-

ко изменяться вследствие технологических

обходимость разработки специализирован-

разбросов. Задать корректное значение ин-

ного набора тестов для каждой архитектуры

тервала обновления можно с помощью спе-

микросхем памяти и для каждой из техно-

циальной схемы коррекции; методика та-

логий их производства.

кой коррекции аналогична

используемой

Если взять за основу подход, связанный

при подключении резервных ячеек памяти.

с исследованием всех возможных механиз-

Некоторые проблемы, связанные

мов неисправностей, то процесс обнаруже-

ния дефектных ячеек и их исправления мо-

с процессом обновления данных в DRAM

жет быть осуществлён за вполне приемле-

Термин «обновление данных» относится

мое время. Такой подход более предпочти-

к процедуре и механизму обновления ин-

телен, поскольку обеспечивает стабиль-

формации, записанной в ячейках памяти.

ность процента выхода годной продукции и

Соответственно, время обновления — это

позволяет избежать нареканий со стороны

временной интервал между записью дан-

потребителей.

ных в ячейку памяти и последующим их

При оценке времени обновления памя-

считыванием; в случае превышения указан-

ти, его следует рассматривать с двух точек

ного интервала возникают ошибки, связан-

зрения. Во-первых, важную роль играет

ные с потерей хранящейся в ячейке инфор-

внутреннее время обновления. Для исправ-

мации. Это время также называется време-

ных ячеек памяти время хранения данных,

нем хранения данных.

лимитированное значением

внутреннего

Поскольку главная задача микросхемы

времени обновления, зависит только от фи-

DRAM состоит именно в хранении данных,

зических характеристик ячеек памяти и тех-

значение такого её параметра, как время

нологии их производства. Внутреннее вре-

хранения данных, играет чрезвычайно важ-

мя обновления в основном определяется

ную роль. Оно зависит от разных факторов

имеющим чётко выраженную температур-

и может быть различным для различных

ную зависимость процессом рекомбинации

ячеек. Применительно к массиву ячеек па-

зарядов в полупроводнике.

мяти это значение является великолепным

Помимо

использованной

технологии,

«индикатором» качества технологического

время хранения также зависит и от типа

и

данных, хранящихся в ячейках памяти. Де-

отлаженный

технологический

процесс

ло в том, что основные потери данных свя-

обеспечивает

максимально

высокое

(и

заны с утечками, которые происходят через

практически одинаковое для всех ячеек па-

ближайшее

окружение ячейки

памяти.

мяти) время хранения данных.

Конденсатор ячейки, при условии, что его

Одна из основных проблем состоит в

вторая обкладка имеет потенциал земли,

том, что любая купленная потребителем

может находиться в одном из двух состоя-

микросхема,

несмотря

на

существование

ний: заряжен или не заряжен (что соответ-

большого количества

взаимонезависимых

ствует логической 1 или логическому 0). Ес-

факторов, влияющих на ее функциониро-

ли в одном из этих состояний разность по-

вание, должна обеспечивать гарантирован-

тенциалов с соседними ячейками равна ну-

ное минимальное время хранения данных

лю, то очевидно, что никакого «перетека-

при любых условиях. Выполнение этого

ния» заряда происходить не будет. Таким

требования должно подтверждаться соот-

образом, ячейки памяти, в которые записа-

ветствующими тестами. Однако создавать

ны логические данные (биты), соответству-

тесты, имитирующие все возможные усло-

ющие малому значению разности потенци-

вия работы микросхемы, очень сложно.

алов с соседними ячейками, будут характе-

Кроме того, время тестирования не должно

ризоваться

б=ольшим временем

хранения,

превышать разумные пределы.

чем ячейки, заряд которых сильнее отлича-

ется от заряда соседних ячеек.

женные потенциально дефектные ячейки

Чувствительность микросхем DRAM к

могут быть заменены на исправные. Хотя

такого рода сбоям зависит, в основном, от

возможность такого ремонта ограничена, её

топологии ячеек памяти и ёмкости конден-

следует использовать в полной мере.

сатора ячейки. То есть, физическая форма

Частота случайных ошибок (сбоев)

ячейки определяет б=ольшую или меньшую

вероятность утечки заряда при пролёте аль-

Данные, хранящиеся в ячейке памяти,

фа-частицы.

подвержены влиянию не только электри-

Так или иначе, значение параметра SER

ческих и физических процессов, локализо-

для каждой микросхемы должно быть изме-

ванных внутри самой микросхемы. Другим

рено. Существуют два основных метода его

источником ошибок в работе ОЗУ являются

определения. Более точный, но одновре-

случайные сбои (потери данных) в ячейках

менно и более дорогой, — это метод поле-

памяти под воздействием альфа-частиц.

вых испытаний. Он заключается в том, что

Альфа-частицы присутствуют в материале,

тысячи микросхем работают одновременно

из которого изготовлен корпус микросхемы

в течение многих часов, при этом фиксиру-

памяти, вследствие его неизбежного радио-

ется реальное значение SER. Для того что-

активного загрязнения, например ураном

бы получить как можно более точные дан-

238. Они проникают через поверхность по-

ные, требуется большое количество микро-

лупроводникового кристалла и создают в

схем и длительное время испытаний.

нём более или менее длинный след из ио-

Второй метод — метод ускоренных ис-

низированных молекул. Длина таких сле-

пытаний с использованием радиоактивных

дов, как правило, не превышает нескольких

материалов, или ASER (Accelerated Soft

микрон, но этого достаточно для создания

Error Rate). При выполнении данного теста

или нейтрализации зарядов в ближайших

непосредственно над массивом ячеек памя-

ячейках памяти, как и для того, чтобы иска-

ти устанавливается радиоактивный

зонд.

зить значение напряжения на входе усили-

Используя калиброванный уровень излуче-

теля считывания данных столбца. Эти

ния радиоактивного пробника и соответ-

ошибки называются случайными сбоями,

ствующую методику пересчёта, можно оце-

поскольку они генерируются

случайным

нить реальное значение SER. Однако такой

образом и, как правило, не повторяются.

пересчёт

необходимо производить

очень

Сбои, вызываемые пролётом альфа-час-

аккуратно. Существуют различные,

часто

тиц, не приводят к постоянным дефектам

весьма сложные методики расчётов реаль-

ячеек памяти. В следующий раз, при записи

ного значения SER. В любом случае, весьма

новых данных в эти же ячейки, они будут

полезно после проведения подобной оцен-

работать совершенно

корректно. Однако

ки сравнить её результаты с реально изме-

даже такие, возникающие время от времени

ренным значением.

ошибки могут в некоторых условиях вызы-

Внешний интерфейс (входы и выходы)

вать существенную потерю данных в ком-

пьютерной системе.

Параметры интерфейса для связи мик-

Поскольку абсолютно чистых материа-

росхем DRAM с внешними устройствами,

лов, пригодных для изготовления корпусов

как правило, с максимальной степенью

микросхем, попросту не существует, всегда

точности задаются в спецификациях ИС.

следует принимать в расчёт определённую

Это делается не из абстрактной любви к на-

вероятность

возникновения

случайных

учному прогрессу, а затем, чтобы обеспе-

сбоев (Soft Error Rate — SER). Единицей из-

чить как можно более высокий уровень

мерения частоты случайных сбоев является

преемственности (различных

поколений

FIT (Failure In Time — количество ошибок в

микросхем и модулей) и совместимости

единицу времени). Один FIT соответствует

(изделий различных производителей).

одной ошибке на 1 109 часов работы изде-

Наличие «жёстких» технических стан-

лия. Пользователь вправе ожидать, что для

дартов накладывает определённые ограни-

любой из купленных им микросхем частота

чения на производителей микросхем, но да-

случайных сбоев не превысит максимально

же если только один из конкурирующих

допустимое для микросхем DRAM значе-

производителей способен выпускать про-

ние, которое,

как

правило,

составляет

дукцию,

соответствующую

требованиям

500 FIT.

этих стандартов, у остальных не остается

широко распространенного аналогового си-

внешним цепям, и т.д. Поскольку размеры

мулятора SPICE. С помощью данной про-

микросхем DRAM всегда крайне ограниче-

граммы может быть точно промоделировано

ны, использование любых дополнительных

поведение схемы во времени. Предвари-

транзисторов при их разработке должно

тельным условием для этого является нали-

быть сведено к минимуму (в этом состоит

чие параметрических моделей

элементов,

одно из их отличий от схемотехники мик-

соответствующих используемой технологии.

росхем предыдущих поколений, когда на-

Если точность этих параметрических моде-

личие одного-другого «лишнего» транзис-

лей соответствует требованиям, то предпо-

тора не составляло особой проблемы).

лагаемое поведение схемы также может

Так же как на основе принципиальной

быть описано с достаточной точностью. Хо-

схемы может быть сгенерирован список со-

тя DRAM работает, в основном, в цифровом

единений, так и на основе схемы разводки и

режиме, использование аналогового моде-

внутренних соединений генерируется спи-

лирования неизбежно, поскольку обычные

сок,

предназначенный

для последующего

логические симуляторы могут

отображать

анализа на соответствие технологическим

лишь статические изменения

логического

правилам. Оба этих списка сравниваются

состояния схемы, происходящие при изме-

друг с другом; выявленные различия устра-

нениях логических уровней сигналов. Ника-

няются, чтобы разводка соединений в крис-

кие динамические параметры

(например,

талле

соответствовала

принципиальной

сколько времени требуется для изменения

схеме, задуманной разработчиком.

уровня сигнала из 1 в 0, которое не равно

Помимо этой проверки, схема разводки

нулю вследствие того, что коммутирующий

соединений должна быть протестирована на

транзистор тем или иным образом взаимо-

соответствие

технологическим правилам.

действует с коммутируемой им нагрузкой)

Например, необходимо определить мини-

логический симулятор не определяет. Меж-

мальное расстояние до металлических про-

ду тем, без точной оценки аналоговых ха-

водников, а также размеры контактных от-

рактеристик переключения используемых в

верстий или размеры диффузионных зон у

DRAM коммутирующих транзисторов нель-

транзисторов. Существует немало правил,

зя добиться максимальной, насколько это

которым должна соответствовать разводка

возможно с точки зрения электроники, ско-

кристалла, поскольку

используемый при

рости работы микросхемы и при этом сде-

производстве

микросхем технологический

лать размеры транзисторов как можно мень-

процесс всегда рассчитан на изготовление

ше, чтобы сократить пространство, занима-

полупроводниковых структур не произволь-

емое ими на кристалле. Кроме того, анало-

ного, а строго определённого вида.

говое моделирование — это единственный

Технологический процесс

путь к получению корректной информации

о влиянии внешних факторов, например из-

Технологический процесс представляет

менения температуры, на характеристики

собой конкретную последовательность дейс-

разрабатываемой схемы.

твий при производстве кристалла микросхе-

Размещение/разводка соединений/верификация

мы. При его реализации заготовка — пласти-

на из чистого кремния — проходя через мно-

Полученная в результате CAD-проекти-

жество технологических этапов, таких как

рования электрическая схема, все компо-

экспозиция, травление, шлифовка, нанесе-

ненты которой представлены в символичес-

ние покрытия, ионная имплантация, окис-

ком виде, должна быть преобразована к ви-

ление и т.д., превращается в готовый чип.

ду, соответствующему реальным физичес-

Сборка

ким характеристикам используемых компо-

нентов. Первый шаг на пути к этому —

После того как кремниевая заготовка ус-

создание для каждого отдельного компо-

пешно прошла все стадии технологического

нента его графического изображения (при-

процесса, и на ней были отобраны чипы,

митива) в соответствии с определёнными

квалифицированные как годные, заготовка

правилами. Так, транзистор рисуется в точ-

распиливается

при помощи специальной

ности со всеми его элементами: диффузи-

пилы с алмазным напылением. Если пред-

онными зонами, областью затвора, элект-

полагается использовать наиболее распро-

Программа такого тестирования может

ются, вместе составляют измерительную

меняться с появлением каждого нового по-

станцию. С помощью микроскопа зонд та-

коления микросхем DRAM, чтобы соот-

кой измерительной станции можно под-

ветствовать новым рабочим характеристи-

ключить к любой точке кристалла, что даёт

кам (и/или рабочим режимам). Результаты

возможность измерять временные характе-

анализа схемных решений и контроля ка-

ристики внутренних сигналов. Кроме того,

чества также могут дать повод для измене-

с помощью такой установки можно опреде-

ния программы испытаний. Каждое схем-

лить пределы, в которых микросхема сохра-

ное решение или технология создания по-

няет работоспособность, и, в том случае,

лупроводниковых

элементов

имеют свои

когда обнаруживается сбой, выяснить, в ка-

слабые места, которые должны быть обна-

ком именно месте сигнал обрабатывается

ружены, изучены и устранены. В результа-

некорректно.

те, несмотря на то, что различные поколе-

Для того чтобы использовать микрозон-

ния DRAM имеют близкие характеристики,

ды для измерений внутри кристалла, следу-

программа испытаний для каждого из них

ет обеспечить возможность подключения к

достаточно индивидуальна.

требуемой

дорожке. Обычно внутренняя

Схемные решения и анализ

схема кристалла защищена слоями поли-

амида, оксида и нитрида кремния, поэтому

неисправностей

необходимо либо не создавать эти слои в

В отличие от технологии испытаний се-

процессе изготовления микросхемы, либо

рийной продукции, при которых тестирую-

удалить их впоследствии химическим мето-

щие автоматы измеряют параметры тысяч

дом.

микросхем, при анализе схемных ошибок

Процесс поиска и анализа неисправнос-

или неисправностей каждая

микросхема

тей, как правило, начинается с тестирова-

рассматривается как нечто индивидуаль-

ния серийной продукции на отказ и с попы-

ное. Анализ схемных решений подразуме-

ток найти причины обнаруженных отказов.

вает как исследование работы микросхемы

На этом этапе анализ неисправностей и

в целом, так и изучение работы её состав-

анализ схемотехнических решений произ-

ных частей. Такое исследование возможно

водятся одновременно, потому что одной

благодаря

использованию

микрозондов

из причин возникновения того или иного

(подобный зонд представляет собой очень

дефекта

может

быть схемотехническая

острую иглу), с помощью которых сигналы

ошибка. Во всех остальных случаях основ-

могут быть измерены прямо на алюминие-

ное внимание при анализе неисправностей

вых проводящих дорожках субмикронной

обращается на возможные погрешности в

ширины

внутри

кристалла

микросхемы

технологии производства.

(Рис. 6.13). Микрозонды и микроманипу-

Анализ схемотехнических решений про-

ляторы, с помощью которых они управля-

изводится довольно просто. Искусственно

создаются условия для возникновения оши-

бок, и исследуется прохождение сигналов

внутри микросхемы в данных условиях. При

этом, по большому счёту, неважно, работо-

способна ли микросхема в целом или нет.

Вполне достаточно функционирования от-

дельных её блоков. Если же речь идёт об

анализе неисправностей микросхемы в це-

лом, обычно нет возможности проконтро-

лировать качество её внутренних сигналов.

В этом случае необходимо поместить мик-

росхему в такие условия, когда её внутрен-

ние неисправности проявятся в виде оши-

бочных данных на её выходах. Если микро-

схема уже смонтирована в корпусе, един-

Рис. 6.13. Измерительная станция с микро-

ственное, что можно сделать для обнаруже-

ния внутренних

неисправностей, — это

зондами и микроманипуляторами.

проконтролировать соответствие информа-