JP5373659B2 - 電子機器 - Google Patents
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Description
下記の非特許文献2には、論理デバイスでは微細化が進んでノードの間隔が近くなると発生した電荷が複数のノードにまたがって分配されるため(チャージシェア)該当するノードがMNU(Multi-Node Upset)により同時にエラーになりうることが示されている。背景技術で紹介した高耐性FF(フリップフロップ)・ラッチは空間的または時間的冗長化を基本としているが、このような冗長化対策が複数のノードを利用している場合、MNUによって耐性化策が無力になる場合があることが同文献に示されている。
発明者は、環境中性子線による半導体デバイスのソフトエラーをMNUを含めて解析するシミュレーションコードCORIMSを既に開発済みであり、その詳細は上記非特許文献3にまとめてある。本発明に関連し、22nmプロセスまでのCMOSデバイスのソフトエラーのスケーリング効果を予測した。以下モデルの概要と解析結果を紹介する。
(i) 核破砕反応モデル
環境中性子線はもともとは銀河系核で発生した超高エネルギー宇宙線(主に陽子)が大気中の酸素や窒素などの原子核と衝突し、核破砕反応により発生するもので、エネルギーは数GeVも及ぶ。高エネルギー中性子は電荷を持たないため、ほとんどの場合、デバイスに当っても素通りする。きわめて低い確率ではあるが、半導体デバイスを構成する元素の原子核と反応すると(主にSi)、ここでも核破砕反応が起き、高エネルギーの2次イオンが発生する。
2次イオンがSRAMの”High”データ状態にあるストレージノード直下の空乏層(pn接合)を通過すると、発生した電子・正孔対は空乏層内の電界に沿ってnMOSFETでは電子はノードに、正孔はその反対方向に流れる。発生した電荷の移動に伴って、空乏層内の電界はノードから遠方に、イオンの飛跡に沿って延び(ファネリング効果と呼ぶ)、最初の空乏層内の電荷より多くの電荷を収集するようになる。
ここで、μe、μhは、それぞれ電子、正孔の移動度、Wは空乏層の厚さ、θはイオンの進行方向を天頂角で示したものである。
CORIMSでは、デバイスのトランジスタおよび周辺構造を、複数の層構造内に含まれる直方体のコンポーネントに分割し、レイアウトをGDS2ファイルから自動的に読み取り、深さ方向はプロファイル情報に基づいて3次元モデルを構築する。直方体コンポーネントは、頂点座標、構成する稜、面の情報に置き換え、2次イオンの通過する座標やエネルギーをCADのアルゴリズムを援用して精密に計算する。
エラービットの広がりは後述するようにSi中50μmに及ぶため、22nmまでの微細化を考慮する場合は、数千ビット以上にまたがってデバイス内を通過することになり、詳細な構造を持ったモデルをその範囲でメモリセルを配置したマトリックスモデルでは膨大な記憶容量が必要になり現実的でない。
微細化に伴い顕著になりつつあるMCBI効果は、(1)トリプルウェル構造のCMOSFETデバイスにおいて2次イオンがp−ウェル内のpn接合を通過する際に電子がn層に流入する結果、(2)正孔が残ってp−ウェル内の電位が高くなり、隣接するトランジスタがまとめてONになり、(3)p−ウェル内の複数のノード集中的にエラーになる現象である。
下記の非特許文献4に示されているSETパルス幅モデルを外挿し、22nmまでのパルス幅を電荷付与密度の関数として多項式近似し、計算できるようにした。計算結果を図19に示す。微細化が進むほどSETパルス幅は増加し、現実的な電荷付与密度(最大120fC/μm程度)の範囲では22nmプロセスでは1nsを超え、SET対策が益々重要になることが分かる。
CORIMSは国内3箇所での130nmSRAMのエラー率の実測値、LANSCEでのSpallation中性子源、TSL、CYRICでの(準)単色中性子スペクトルでのSRAMのエラー率測定結果と、いずれも平均20%以下の誤差で一致する結果が得られており、22nmまでの予測計算においても同程度の精度が期待できる。
ITRS2007などのロードマップ情報を検討し、130nmから22nmに至るSRAMの諸元を設定した。2次元のセル寸法をセル面積が世代毎に半分になるように縮小率を与えた。深さ方向はロードマップ情報が無いため、全世代で一定とした。臨界電荷量は、寄生容量に比例するので、面積に応じて減少すると仮定した。動作電圧が下がれば、臨界電荷量は動作電圧と寄生容量の積に比例するのでさらに小さくなるが、実際に動作電圧を下げることには技術的に困難な点が多いので今回はその効果は無視し、電圧は一定とした。
(i) 解析結果の概要
図20にデータパターンがCB(チェッカーボード)の場合を示した。結果を以下にまとめる。
(1)SRAMのソフトエラー率はMbit当りでは1/5程度まで漸減するが、集積度の増加がそれを上回り、デバイスあたりでは130nmから継続的に増加し、22nmでは約7倍に達する。
(2)MCUの全イベント数に対する比率は世代毎に増加し、22nmでは50%弱に達する。
(3)MCUの最大サイズは45-22nmでは1Mbitに、多重度も100ビットを超える。
(4)SETパルスの平均値は65nm以降は0.25ns程度で推移する。図19から分かるように世代毎に電荷付与密度があるしきい値を超えるとSETパルスが発生し、微細化と共にこのしきい値は低下する。SETパルスが発生した場合全てエラーになると想定した上限値を図20に合わせて示した。微細化が進むほどソフトエラー率に近接してくる傾向があるが、ピーク電流値の低下や回路の複雑化によるマスキング効果の相違など考慮しなければならない点が多く、定量化のためにはより精密なモデル評価が必要である。
2次イオンがストレージノードを通過したときに、ノード表面に付与した電荷密度(単位長さあたりに付与した電荷量)とその頻度(Cross section)を図21に示す。また、同じデータを陽子、α粒子以外で原子番号10以上について合計した結果を図22に示す。
(1)図には明示していないが、世代によって相違の無い結果が得られた。鋭敏領域をイオンが通過する時の電荷付与密度なので、原理的に世代間の相違は無い。約110fC/μmが最大値なので、この値に対してソフトエラー感受性の無いデバイスは完全なエラー耐性を有することになる。
(2)図22からも明らかなように、低電荷密度(約10fC/μm以下)は軽イオン(陽子、α粒子)がエラーへの寄与が支配的になる。電荷密度数十fC/μm以上は重イオンのみの寄与となる。
電荷密度については世代間に相違は認められなかったが、総電荷収集量では図23、図24に22nmSRAMと130nmSRAMについて例示するように、明確な世代間相違があった。
(1)重イオン(Z>10)は多量の(最大約36fC)電荷収集の原因になるが、少量の電荷付与の確率はα粒子や陽子に比べて小さくなる。
(2)電荷収集量は世代毎に少なくなりソフトエラーは発生しにくくなる傾向になるが、130nmSRAMで最大36fCに対し22nmで最大20fC程度でその差は顕著では無い。一方、130nmでは臨界電荷量を5から10fCに増加しても大きな効果は期待できないが、22nmでは臨界電荷量10→4→2→1fCの差がそれぞれ一桁以上のソフトエラー率の差を生むことが分かる。
(3)収集電荷量が小さい範囲では、α粒子→陽子の順に寄与が大きくなる。この電荷量範囲は世代が進展するに従って低く、狭くなる。例:α粒子の寄与は130nmでは9fC以下であるのに対し、22nmでは約5fC以下。
図25にエラービットのFBM分布の変化を示す。エラービットの距離では図25に示したように世代間で大きな変化は無かったが、FBMで見ると大きな変化になることが分かる。図の横方向がWL、縦方向がBLである。図25を見ると、130nmでは縦横数十ビット分に集中しているのに対し、22nmでは数千ビットでおよそ一桁程度影響が及ぶビット数が増加していることが分かる。これは、2次イオンの飛程が変わらない一方で、デバイスが縮小する分影響するビット数が増えることに加え、臨界電荷量の減少に対応して飛程が長く発生数も多い陽子、α粒子の影響が大きくなることに対応している。
(1)図26に示すSEU断面積では低エネルギー中性子ほど寄与が大きい。SEU断面積が低エネルギー側でピークを持つ傾向は微細化が進行するほど顕著で、ピーク位置も低エネルギー側にシフトする。これは微細化により臨界電荷量が減少する結果、陽子の寄与が顕著になることに対応している。すなわち、陽子は全体としての発生量は他のイオンより圧倒的に大きいが、臨界電荷量が大きいうちは図22に示したように電荷付与密度が他のイオンに比べ極めて小さいためソフトエラーへの寄与は小さかったが、微細化が進んで臨界電荷量が小さくなると、陽子でも十分データを反転できるいようになったことを意味する。さらに、中性子のエネルギーが低いほど発生する陽子のエネルギーも小さいため、同じく図25からわかるように,電荷発生密度も高くなるため,エラー発生率も高くなることになる。
図28にMCUの全エラー数に対する比率を中性子エネルギーの関数として示す。本図からは以下が読み取れる。
(1)MCU比率は世代によらず、200MeV前後で飽和し、高エネルギー側で漸減する。
(2)世代毎にMCU比率の飽和値は高くなり、22nmでは0.5を超える。
(3)MCUの発生するエネルギーには数MeV程度のしきい値があり、微細化に伴って若干低減の傾向があるが、顕著な変化は認められなかった。
図29にMCUの多重度(同時にエラーになるビット数)の計算結果をAll”1”のデータパターンについて示す。MCU多重度は世代毎に高い方の比率が増える方向に推移することがわかる。
以上の結果から、CMOS論理デバイスへの影響を議論する。微細化が進むほどエラー数そのものも増加するため、論理デバイスもCMOSである限りSRAM同様にエラー率は増加する。22nmでは、6トランジスタSRAMで中性子核反応1回あたり最大約100万ビット程度の範囲に影響がおよび、MCUの多重度も最大100ビット以上になる結果を示したが、トランジスタ(論理回路のノード1個分に対応)にして100万個以上の範囲で、100個以上のトランジスタが同時にエラーになることを意味している。論理回路の広い範囲で100個のノードがエラーになれば、TMR、DMR、DICEなどの冗長系や修復回路を含めた様々なシステム上のエラー対策でも無力化することは容易に推測できる。
(2)これに対して対象製品の売り上げの実績から十分利益の上がる目標総修復費用を決定する。
(3)事故例のうち、非再現で原因不明でデータの書換えやRESETで修復したものをプロットする。
(4)事故例のうち、非再現・原因不明で電源再立ち上げで修復したものをプロットする。
Claims (9)
- ソフトエラーによって発生する不具合を回避する機能を有する電子機器であって、
設定されたプログラムに従って、当該電子機器が有する演算装置を用いて命令を逐次実行する命令実行部と、
前記演算装置内の順序回路に含まれるフリップフロップの状態を示すデータを保持するデータ保持部と、
前記演算装置を構成する半導体のウェル電位を測定する電位測定部と、
前記電位測定部によって測定されたウェル電位に基づいてソフトエラーの予兆を検出する予兆検出部と、
前記予兆検出部によってソフトエラーの予兆が検出されることなく、チェックポイントが対応付けられている命令が前記命令実行部によって実行された場合に、当該チェックポイントに対応する命令の実行が終了した時点における、前記演算装置内の順序回路に含まれるフリップフロップの状態を示すデータを前記データ保持部に保持させ、
前記予兆検出部によってソフトエラーの予兆が検出された場合に、前記命令実行部に命令の実行停止を指示し、前記データ保持部に保持されているデータに基づいて前記演算装置内の順序回路に含まれるフリップフロップの状態を設定し、直前のチェックポイントの次の命令から命令の実行再開を前記命令実行部に指示する制御部と
を備えることを特徴とする電子機器。 - 請求項1に記載の電子機器であって、
前記予兆検出部は、
前記電位測定部によって測定されたウェル電位が予め定められた電位を超えた場合に、ソフトエラーの予兆が検出された旨を出力する電位判定部と
を有することを特徴とする電子機器。 - 請求項2に記載の電子機器であって、
前記演算装置を構成する半導体は、
トリプルウェル構造またはツインウェル構造であり、
前記電位測定部は、
トリプルウェル構造の半導体についてはp−ウェルの電位を測定し、
ツインウェル構造の半導体についてはn−ウェルの電位を測定し、
前記電位判定部は、
それぞれの構造の半導体について、前記電位測定部によって測定されたウェル電位と予め定められた電位とを比較してソフトエラーの予兆の有無を検出することを特徴とする電子機器。 - 請求2または3に記載の電子機器であって、
当該電子機器は、
下位のデバイス層、中間のコンポーネント層、および、上位のシステム層の3層構造のシステムとして構成されており、
前記電位測定部は、前記デバイス層において実現され、
前記電位判定部は、前記コンポーネント層において実現され、
前記命令実行部、前記データ保持部、および前記制御部は、システム層において実現されることを特徴とする電子機器。 - 請求1に記載の電子機器であって、
前記予兆検出部は、
前記演算装置に供給されるクロック信号の信号レベルを測定する信号レベル測定部と、
前記信号レベル測定部によって測定されたクロック信号の信号レベルが予め定められた信号レベルの範囲内にない場合に、ソフトエラーの予兆が検出された旨を出力する信号レベル判定部と
を有することを特徴とする電子機器。 - 請求5に記載の電子機器であって、
当該電子機器は、
下位のデバイス層、中間のコンポーネント層、および、上位のシステム層の3層構造のシステムとして構成されており、
前記信号レベル測定部は、前記デバイス層において実現され、
前記信号レベル判定部は、前記コンポーネント層において実現され、
前記命令実行部、前記データ保持部、および前記制御部は、システム層において実現されることを特徴とする電子機器。 - 請求1に記載の電子機器であって、
前記予兆検出部は、
前記演算装置内の順序回路に含まれるフリップフロップに供給されるセット/リセット信号の状態を測定する信号状態測定部と、
前記信号状態測定部によって測定されたセット/リセット信号の状態が、前記プログラムに従った命令の実行過程において設定されるべき状態と異なる場合に、ソフトエラーの予兆が検出された旨を出力する信号状態判定部と
を有することを特徴とする電子機器。 - 請求7に記載の電子機器であって、
当該電子機器は、
下位のデバイス層および上位のシステム層の2層構造のシステムとして構成されており、
前記信号状態測定部は、前記デバイス層において実現され、
前記命令実行部、前記データ保持部、前記制御部、および前記信号状態判定部は、システム層において実現されることを特徴とする電子機器。 - 請求項1に記載の電子機器であって、
前記予兆検出部は、
前記演算装置を構成する半導体の電源からグラウンドに到る電源ラインの電位を測定する電位測定部と、
前記電位測定部によって測定された電源ラインの電位が予め定められた電位を超えた場合に、ソフトエラーの予兆が検出された旨を出力する電位判定部と
を有することを特徴とする電子機器。
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