CN108630286A - 3d立体堆叠存储器的单粒子效应测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D立体堆叠存储器的单粒子效应测试方法，该方法包括四种测试模式，分别为静态模式、动态读模式、动态读/写模式、动态读/擦除/写模式；在静态模式下进行SEU的判断；在三种动态模式下进行SEL、SEU和SEFI的判断。其中，在动态读/写模式下，当发生SEU或SEFI后，在继续辐照测试之前需要重新写入数据；在动态读/擦除/写模式下，当发生SEU或SEFI后，在继续辐照测试之前先擦除错误单元数据，后重新写入数据。通过三种动态模式的对比，还能够获得单独写、单独擦除过程中可能出现的单粒子效应的大致情况，考虑更加全面，为实现对大容量存储器件空间应用筛选及单粒子效应加固提供了较准确的数据。

Description

3D立体堆叠存储器的单粒子效应测试方法

技术领域

本发明属于空间辐射效应测试技术领域，具体涉及一种3D立体堆叠存储器的单粒子效应测试方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，存储器集成电路的特征尺寸逐渐缩小。在先进集成电路中，不断降低的供电电压、越来越高的工作频率、持续减小的节点电容和高速增长的芯片复杂度，使得电路对于环境的影响越来越敏感。当集成电路受到空间高能粒子撞击时，电路节点会发生瞬时充放电，有可能破坏芯片的内部状态而使集成电路发生瞬态故障，导致执行错误或数据错误。

伴随着晶体管纳米级别的不断缩小，芯片内部的集成度越来越高、器件的几何尺寸也越来越小。通过减小晶体管工艺尺寸和缩短芯片相互连接线的长度变得越来越困难。为了能够进一步提高器件集成度，由二维向三维发展的三维堆叠封装方式成为发展的必然方向。三维堆叠集成电路有诸多优势，芯片之间的互连线长更短、芯片的外形特征尺寸更小、封装密度更大、带宽更高、功耗更低和性能更强等优点。然而，三维堆叠封装的存储器件在遇到高能粒子撞击发生单粒子效应的方式不同于传统的二维封装的存储器件，其在每一层都有可能发生单粒子效应。

而且，由于三维堆叠封装的存储器件存储量更大，相对于单层存储器，其读、写、擦除的时间都相对较长，并且在读、写、擦除的过程中，都有可能出现单粒子翻转情况。因此，仅仅像现有技术一样，统计静态和动态读情况下的单粒子翻转情况，而不考虑写、擦除过程中的单粒子效应发生情况，不能满足单粒子效应试验评价需求。

为此，本发明设计了一种适用于立体堆叠封装存储器件的单粒子效应测试方法，可用于新型3D立体堆叠存储器件的单粒子效应试验评价。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种3D立体堆叠存储器的单粒子效应测试方法，能够针对3D立体堆叠存储器件的特点进行单粒子效应测试，获得更加全面的测试结果。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种3D立体堆叠存储器的单粒子效应测试方法，该方法包括四种测试模式，分别为静态模式、动态读模式、动态读/写模式、动态读/擦除/写模式；在每种测试模式下，将写入初始数据的待测试存储器放置于实验室模拟源辐照条件下，进行单粒子辐照试验；

在静态模式下，不加电测试，对辐照前后的数据进行对比，根据对比结果确定是否发生单粒子翻转SEU；

在三个动态模式下，均加电测试；当存储器的工作电流超过电流阈值，则确定发生单粒子锁定SEL现象，断电重启继续进行辐照测试；对辐照前后的数据进行是否翻转判断，根据翻转数量确定是否发生SEU或单粒子功能中断SEFI，记录SEU信息或SEFI次数，继续辐照测试；如果出现了死机现象，则确定发生SEFI，记录SEFI次数，断电重启后继续辐照测试；SEU和SEFI的判定前提是没有伴有超阈值的工作电流；

在动态读/写模式下，当发生SEU或SEFI后，在继续辐照测试之前需要重新写入数据；在动态读/擦除/写模式下，当发生SEU或SEFI后，在继续辐照测试之前先擦除错误单元数据，后重新写入数据。

优选地，采用下位机和上位机进行测试；下位机根据上位机写入存储器中的数据，对存储器数据是否翻转进行检查，对错误单元信息进行统计；将SEFI次数、SEU信息传给上位机；下位机还将存储器的工作电流和是否死机的情况发送给上位机；

上位机根据下位机传来的信息进行单粒子效应的判断，控制存储器的断电和上电。

优选地，下位机设有实时数据缓冲器、前次数据缓冲器、回读数据缓冲器；

下位机从存储器指定地址的节点中取出数据实时状态，并存入实时数据缓冲器，然后进行节点状态判断和翻转统计；

所述节点状态判断为：通过比较实时数据缓冲器与前次数据缓冲器的数据是否一致来判断节点状态是否稳定；如果两缓冲器中数据相同，则为稳定，将实时数据缓冲器中的数据送到回读数据缓冲器中，根据回读数据缓冲器中的数据进行翻转统计；如果两缓冲器数据不同，则为干扰状态，将实时数据缓冲器中的数据存入前次数据缓冲器中，从存储器当前指定地址的节点中再次取出数据实时状态，重新进行节点状态判断和翻转统计；

完成当前指定地址的翻转统计后，接着从存储器下一组指定地址的节点中取出数据实时状态，进行节点状态判断和翻转统计。

优选地，3D立体堆叠存储器每一层对应一个线程，多线程并行处理；每一个线程负责一层存储单元的翻转判断。

优选地，在进行翻转判断时，采用与非逻辑统计错误单元；具体为：

设存储器中同一地址i写入数据为S_i，读取数据为S'_i；

将S_i取反后与S'_i进行逻辑与操作，得到一组新序列T_i，设j为T_i序列的内部相对偏移地址，那么：

若T(i，j)的值为1，则T_i序列中第j位的数据发生了0→1翻转；

若T(i，j)的值为0，则T_i序列中第j位的数据没有发生0→1翻转；

将S'_i取非后与S_i进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列为J_i，设k为J_i序列的内部相对偏移位置，那么：

若J(i，k)的值为1，则Ji序列中第k位的数据发生了1→0翻转；

若J(i，k)的值为0，则Ji序列中第k位的数据没有发生1→0翻转。

经过两次逻辑与操作，可以获知一个序列中每一个地址i是否翻转，以及是1→0翻转还是0→1翻转。

有益效果：

(1)与现有技术静态模式、动态读模式的基础上，本发明增加了动态读/写模式和动态读/擦除/写模式，这两种模式可以统计出含有读/写操作的单粒子效应发生情况，以及含有读/擦除/写操作的单粒子效应发生情况。通过三种动态模式的对比，还能够获得单独写、单独擦除过程中可能出现的单粒子效应的大致情况，考虑更加全面，为实现对大容量存储器件空间应用筛选及单粒子效应加固提供了较准确的数据。

(2)本发明设置了上位机+下位机的方式进行测试，下位机负责对存储器的直接控制和读取数据，上位机负责监控和判断决策，提高处理速度。

(3)本发明进一步设计了回读稳定性的判断，从而保证从存储器回读数据的正确性，防止回读错误造成单粒子效应判断错误。

(4)本发明针对每一层对应一个线程，多线程并行处理；每一个线程负责一层存储单元的翻转判断，从而提高判断的实时性。

(5)在进行翻转判断时，本发明还提供了一种采用与非逻辑的方式统计发生翻转的地址，实现简单，高效，不仅能够获得错误单元的位置，还能够获得错误单元的错误类型。

具体实施方式

本发明提供了一种3D立体堆叠存储器的单粒子效应测试方法，该方法包括四种测试模式，分别为静态模式、动态读模式、动态读/写模式和动态读/擦除/写模式；在每种测试模式下，将写入初始数据的待测试存储器放置于实验室模拟源辐照条件下，进行单粒子辐照试验。

与现有技术中的静态模式、动态模式的基础上，本发明增加了动态读/写模式和动态读/擦除/写模式，这两种模式可以统计出含有读/写操作的单粒子效应发生情况，以及含有读/擦除/写操作的单粒子效应发生情况。通过三种动态模式的对比，还能够获得单独写、单独擦除过程中可能出现的单粒子效应的大致情况，考虑更加全面，为实现对大容量NANDFLASH器件空间应用筛选及单粒子效应加固提供了较准确的数据。

对于存储器件可能发生的单粒子效应主要有：单粒子功能中断(SEFI)、单粒子翻转(SEU)和单粒子锁定(SEL)。三种单粒子效应的统计原理是：

(1)单粒子翻转测试：向存储器写入一个固定数据，通过监测其数据内容与所写入的内容是否一致，判断是否发生翻转，但连续数个整页或整块发生翻转除外。

(2)单粒子功能中断测试：若大容量存储器死机不能正常读取、擦除或编程，但没有伴随大电流出现则视为单粒子功能中断，统计计数，并通过控制给被测器件重新断电和上电，继续进行测试。另外，若大容量存储器出现连续数个整页或整块发生翻转，则视为单粒子功能中断，统计计数，并在不同模式下，通过写数据，或重新擦除后写数据，继续进行测试。

(3)单粒子锁定测试：通过电流表监测被测器件工作电流大小，通过与设定的阈值电流来确定是否发生SEL，并控制自动断电(保护被测器件被烧毁)和上电，继续进行测试。

下面针对每个测试模式进行详细描述。

在本发明的3D立体堆叠器件单粒子测试中，在四种模式下，均将存储器放置于实验室模拟源辐照条件下，进行单粒子辐照试验。

●静态模式：

①首先系统加电，将初始数据写入存储器；

②测试系统不加电进行模拟源辐照；

③辐照完毕后对数据进行对比，并记录错误地址(即错误存储单元的地址)及个数，若错误数为零，则继续下次辐照试验；

④若错误数小于某一确定值N，则表明发生了SEU。统计错误个数及地址后，重写存储单元的数据，进行下次辐照试验。

注意，由于辐照过程不加电，所以这种辐照模式不能监测器件的SEFI和SEL现象。

●动态读模式：

①辐照前将初始数据写入存储器；

②在辐照过程中，监测器件的工作电流，与设定的阈值电流相比较，若超过阈值则表明发生了SEL现象。断电重新启动进行继续辐照测试。如果没有伴有超阈值的工作电流，则进行SEU和SEFI的判断。

③在辐照过程中进行数据读比，监测其数据与初始数据是否一致，如果数据不一致，且错误数小于某一确定值N，则表明该数据单元已经发生SEU，记录SEU信息，继续辐照测试。但连续数个整页或整块发生翻转除外；

④在辐照过程中进行数据读比，若存储器连续数个整页或整块发生SEU，则表明发生了SEFI，记录SEFI次数，继续进行辐照测试；若出现了死机现象，例如读数据无法通行，则表明发生了SEFI，记录SEFI次数，并断电重新启动，继续进行辐照测试。其中，统计的SEFI次数可以传输给上位机或者外部设备。

●动态读/写模式：

①辐照前将初始数据写入存储器；

②在辐照过程中，监测器件的工作电流，与设定的阈值电流相比较，若超过阈值则表明发生了SEL现象。断电重新启动，继续进行辐照测试。如果没有伴有超阈值的工作电流，则进行SEU和SEFI的判断。

③在辐照过程中进行数据读比，监测其数据与初始数据是否一致，如果数据不一致，且错误数小于某一确定值N，则表明该数据单元已经发生SEU，记录SEU信息，但连续数个整页或整块发生翻转除外，重新写入数据进行辐照测试；

④在辐照过程中进行数据读比，若存储器连续数个整页或整块发生SEU，则表明发生了SEFI，记录SEFI次数，重新写入数据进行辐照测试；若出现了死机现象，则表明发生了SEFI，记录SEFI次数，断电重新启动，重新写入数据进行辐照测试。

●动态读/擦除/写模式：

①辐照前将初始数据写入存储器；

②在辐照过程中，监测器件的工作电流，与设定的阈值电流相比较，若超过阈值则表明发生了SEL现象。断电重新启动，进行辐照测试。如果没有伴有超阈值的工作电流，则进行SEU和SEFI的判断。

③在辐照过程中进行数据读比，监测其数据与初始数据是否一致，如果数据不一致，且错误数小于某一确定值N，则表明该数据单元已经发生SEU，记录SEU信息，擦除错误单元数据，重新写入数据进行辐照测试，但连续数个整页或整块发生翻转除外；

④在辐照过程中进行数据读比，若存储器连续数个整页或整块发生SEU，则表明发生了SEFI，记录SEFI次数，擦除错误单元数据，重新写入数据进行辐照测试；若出现了死机现象，则表明发生了SEFI，记录SEFI次数，断电重新启动，擦除错误单元数据，重新写入数据进行辐照测试。

本发明可以采用上位机+下位机的方式进行测试。下位机负责对存储器的直接控制和读取数据；上位机负责监控和判断决策。下位机根据上位机写入存储器中的数据，对存储器测试过程数据是否翻转进行检查，对错误单元信息进行统计；只将SEFI次数、SEU信息读入上位机；上位机直接控制存储器的断电和上电。同时下位机需要将采集的工作电流和是否死机的情况发送给上位机，由上位机的单粒子效应的总体判断。

为了保证下位机从存储器回读数据的正确性，防止回读错误造成单粒子效应判断错误，本发明进一步设计了回读稳定性的判断环节。为了实现该方案，需要在下位机设置实时数据缓冲器、前次数据缓冲器和回读数据缓冲器。具体回读过程为：

步骤1、准备回读验证：将回读控制记数器置0；

步骤2、回读数据：从存储器指定地址的节点中取出数据实时状态，并存入实时数据缓冲器；

步骤3、累加回读控制记数器：回读控制记数器加1计数；

步骤4、第一次回读判断：判断回读控制记数器是否为1；如果为1，则为第一次回读，进入步骤9；如果不为1，则进入步骤5；

步骤5、最大回读判断：判断累加回读控制记数器是否为最大回读数；如果是，则为最后一次回读，进入步骤7；如果为否，则进入步骤6；

步骤6、节点状态判断：通过比较实时数据缓冲器与前次数据缓冲器的数据是否一致来判断节点状态是否稳定；如果两缓冲器中数据相同，则为稳定，将实时数据缓冲器中的数据送到回读数据缓冲器中，跳转到步骤7；如果数据不同，则为干扰状态，将实时数据缓冲器中的数据存入前次数据缓冲器中，跳转到步骤2；

步骤7、统计数据：比较回读数据缓冲器与初始写入的数据，分析统计总出错位数；

步骤8、任务完成判断：根据当前地址判断测试任务是否完成；如果未完成，则准备下一个测试地址，跳转到步骤2；否则完成一次对整体存储器的对比统计；

步骤9、准备再次回读：将当前数据缓冲器中的数据存入前次数据缓冲器中，跳转到步骤2。

因为3D立体堆叠存储器为多层结构，因此在进行存储单元的翻转判断时，需要很长时间。本发明针对每一层对应一个线程，多线程并行处理；每一个线程负责一层存储单元的翻转判断，从而提高判断的实时性。

在进行翻转判断时，本发明还提供了一种采用与非逻辑统计错误单元的方案，不仅能够获得错误单元的位置，还能够获得错误单元的错误类型。具体为：

设同一地址i写入数据为S_i，读取数据为S'_i；

将S_i取反后与S'_i进行逻辑与操作，得到一组新序列T_i，设j为T_i序列的内部相对偏移地址，那么：

若T(i，j)的值为1，则T_i序列中第j位的数据发生了0→1翻转；

若T(i，j)的值为0，则T_i序列中第j位的数据没有发生0→1翻转；

将S'_i取非后与S_i进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列为J_i，设k为J_i序列的内部相对偏移位置，那么：

若J(i，k)的值为1，则Ji序列中第k位的数据发生了1→0翻转；

若J(i，k)的值为0，则Ji序列中第k位的数据没有发生1→0翻转。

经过两次逻辑与操作，可以获知一个序列中每一个地址i是否翻转，以及是1→0翻转还是0→1翻转。同时还可以获得错误单元的地址。

该方法能够测试数十G的NAND FLASH器件发生单粒子功能中断、单粒子翻转和单粒子锁定现象，为实现对大容量NAND FLASH器件空间应用筛选及单粒子效应加固提供了较准确的数据。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种3D立体堆叠存储器的单粒子效应测试方法，其特征在于，该方法包括四种测试模式，分别为静态模式、动态读模式、动态读/写模式、动态读/擦除/写模式；在每种测试模式下，将写入初始数据的待测试存储器放置于实验室模拟源辐照条件下，进行单粒子辐照试验；

在静态模式下，不加电测试，对辐照前后的数据进行对比，根据对比结果确定是否发生单粒子翻转SEU；

在三个动态模式下，均加电测试；当存储器的工作电流超过电流阈值，则确定发生单粒子锁定SEL现象，断电重启继续进行辐照测试；对辐照前后的数据进行是否翻转判断，根据翻转数量确定是否发生SEU或单粒子功能中断SEFI，记录SEU信息或SEFI次数，继续辐照测试；如果出现了死机现象，则确定发生SEFI，记录SEFI次数，断电重启后继续辐照测试；SEU和SEFI的判定前提是没有伴有超阈值的工作电流；

在动态读/写模式下，当发生SEU或SEFI后，在继续辐照测试之前需要重新写入数据；在动态读/擦除/写模式下，当发生SEU或SEFI后，在继续辐照测试之前先擦除错误单元数据，后重新写入数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用下位机和上位机进行测试；下位机根据上位机写入存储器中的数据，对存储器数据是否翻转进行检查，对错误单元信息进行统计；将SEFI次数、SEU信息传给上位机；下位机还将存储器的工作电流和是否死机的情况发送给上位机；

上位机根据下位机传来的信息进行单粒子效应的判断，控制存储器的断电和上电。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，下位机设有实时数据缓冲器、前次数据缓冲器、回读数据缓冲器；

下位机从存储器指定地址的节点中取出数据实时状态，并存入实时数据缓冲器，然后进行节点状态判断和翻转统计；

所述节点状态判断为：通过比较实时数据缓冲器与前次数据缓冲器的数据是否一致来判断节点状态是否稳定；如果两缓冲器中数据相同，则为稳定，将实时数据缓冲器中的数据送到回读数据缓冲器中，根据回读数据缓冲器中的数据进行翻转统计；如果两缓冲器数据不同，则为干扰状态，将实时数据缓冲器中的数据存入前次数据缓冲器中，从存储器当前指定地址的节点中再次取出数据实时状态，重新进行节点状态判断和翻转统计；

完成当前指定地址的翻转统计后，接着从存储器下一组指定地址的节点中取出数据实时状态，进行节点状态判断和翻转统计。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，3D立体堆叠存储器每一层对应一个线程，多线程并行处理；每一个线程负责一层存储单元的翻转判断。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行翻转判断时，采用与非逻辑统计错误单元；具体为：

设存储器中同一地址i写入数据为S_i，读取数据为S'_i；

将S_i取反后与S'_i进行逻辑与操作，得到一组新序列T_i，设j为T_i序列的内部相对偏移地址，那么：

若T(i，j)的值为1，则T_i序列中第j位的数据发生了0→1翻转；

若T(i，j)的值为0，则T_i序列中第j位的数据没有发生0→1翻转；

将S'_i取非后与S_i进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列为J_i，设k为J_i序列的内部相对偏移位置，那么：

若J(i，k)的值为1，则Ji序列中第k位的数据发生了1→0翻转；

若J(i，k)的值为0，则Ji序列中第k位的数据没有发生1→0翻转。

经过两次逻辑与操作，可以获知一个序列中每一个地址i是否翻转，以及是1→0翻转还是0→1翻转。