瑞萨科技与松下开发新SRAM制造技术 可实现45nm工艺传统下CMOS稳定工作

2007-03-19 09:42:07来源: 电子工程世界

-新设计方法可保持温度和工艺变化条件下的SRAM稳定性,同时实现全球最小的0.245μm2的存储单元面积-

2007年2月13日,瑞萨科技(Renesas Technology Corp.)与松下电器产业有限公司宣布,共同开发出一种新技术,可以使45nm工艺传统CMOS的SRAM(静态随机存取存储器)稳定工作。这种SRAM可嵌入在SoC(系统(集成)芯片)器件和微处理器(MPU)当中。经测试证实,采用该技术的512Kb SRAM的实验芯片,可以在宽泛的温度条件下(-40℃-125℃)稳定工作,而且在工艺发生变化时具有较大的工作电压范围裕量。用于实验的SRAM芯片采用45nm CMOS工艺生产,集成了两种不同的存储单元设计,一个元件面积仅有0.327μm2,另一个元件面积为0.245μm2——这是全球最小的水平,更小的存储单元是利用减少处理尺寸裕量实现的。

关于这一技术的进展细节,将在旧金山举行的2007国际固态电路会议(ISSCC 2007)上,进行宣讲。该技术创新具有重大意义,主要由于SRAM是用于嵌入式控制应用的SoC和MPU上的十分重要的片上功能,市场趋势表明,随着应用变得更加复杂,则需要更多的SRAM。这是因为当半导体工艺缩小,生产设备功能所需的SRAM进行稳定工作,将会变得更加困难。采用新制造技术生产的45nm工艺SRAM,以低成本实现了芯片的高性能,因为它使用的是传统CMOS,而不是比较昂贵的硅绝缘体(SOI)材料。

目前,随着LSI制造工艺的不断进步、进一步小型化,使晶体管特性发生了显著的变化,尤其是极限电压(Vth),它可能影响SRAM的工作。随着该项新技术的出现,主要解决了不可避免的Vth变化所引起的问题。据了解,Vth的变化有两种形式:一种形式是全面的Vth变化,会出现在逐芯片或逐晶圆的情况下,晶体管形状会随栅极长度和栅极宽度不同等出现细微的差别,因此它会在芯片中显示出同方向的偏差。以前全面Vth的变化是SRAM设计人员不得不克服的主要挑战。

相比之下,另一种形式,本机Vth变化是由半导体中的杂质状态的波动引起的,甚至在同样形状的相邻晶体管中也会出现。因此,它是随机发生的且没有方向性。随着晶体管小型化的发展,本机Vth变化首先出现在90nm工艺中。这是采用45nm工艺的嵌入式SRAM应用所必须面对的一个主要挑战。

半导体行业一直积极推进技术进步,以实现SRAM稳定工作,不过,影响45nm工艺的Vth变化问题还需要技术的进一步发展。瑞萨与松下共同开发了两种元件,采用6晶体管型SRAM存储单元解决方案,一个是可对Vth变化进行自动调整的读辅助电路,另一个是采用分层结构电源布线的写辅助电路。

这种新型读辅助电路的补偿功能采用了一种被动元件电阻功能,类似于存储单元的布局功能,由于存储单元变化和阻值的波动被联系在一起,从而减少了Vth变化的影响。这种补偿功能可以自动地调整与温度和工艺变化有关的电压。因此,即使受到温度增加和工艺变化的影响,在存储单元电气特性的对称性降低的情况下,各种工作条件下存储单元读操作的稳定性也可以得到保证。

此外,新型写辅助电路在存储单元的柱式单元电源线中,增加了更精细的电源线(划分为8条)。在某种意义上写操作所需的隔离只在必要的地方执行,而且它可实现分层结构的电源布线,这将减少关键区域的电源线电容,有助于在高速时将电源线电位降到低电位。实验芯片的测量表明,与没有采用上述技术的SRAM设计相比,即使在最坏条件(-40℃,最小工作电压和最差工艺条件)下,新型写辅助电路也可以显著改善SRAM的写速度。

如图示例:

关键字:SoC  温度  电压  面积

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