《電子技術(shù)應(yīng)用》
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瑞薩科技開發(fā)出可實(shí)現(xiàn)32納米及以上工藝片上SOI SRAM的前瞻技術(shù)

利用晶體管襯底(基體)電位的獨(dú)立控制改善運(yùn)行容限的技術(shù)
2007-07-24
作者:瑞薩科技公司

瑞薩科技" title="瑞薩科技">瑞薩科技公司(Renesas Technology Corp.)今天宣布,開發(fā)出一種可在32 nm(納米)及以上工藝有效實(shí)現(xiàn)SRAM的技術(shù),以用于集成在微處理器或SoC(系統(tǒng)級(jí)芯片)中的片上SRAM。?

新開發(fā)的技術(shù)采用SOI(絕緣硅)技術(shù)*1,可獨(dú)立控制基體電位,也就是構(gòu)成SRAM的晶體管的三種襯底部分,從而顯著擴(kuò)展SRAM的運(yùn)行容限。?

對(duì)采用這一技術(shù)的65 nm CMOS工藝的2 Mb SRAM實(shí)驗(yàn)制造和評(píng)估證實(shí),與沒有使用該技術(shù)的器件相比,工作下限電壓可提高大約100 mV。此外,讀取容限(靜態(tài)噪聲容限:SNM*2)——SRAM運(yùn)行容限指標(biāo)——可改善大約16%,寫入容限的改善大約為20%,同時(shí)晶體管的電氣特性變化可有大約19%的下降。?

SNM可隨工藝的優(yōu)化而下降。不過,在32 nm和22 nm工藝仿真方面,已證實(shí)與沒有采用這一技術(shù)的器件相比,32 nm SNM大約改善了27%,22 nm大約為49%,這相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了等于65 nm工藝水平的SNM。因此可以說,這一技術(shù)履行了實(shí)現(xiàn)32 nm及以上工藝SRAM的承諾。?

瑞薩科技將在2007年6月12日于京都舉行的2007超大規(guī)模集成電路技術(shù)專題研討會(huì)(2007 Symposium on VLSI Technology)上宣布這些結(jié)果。?

<背景>?

隨著計(jì)算方法的普及,各種產(chǎn)品不斷增加的功能和性能已與更低的功耗需求密不可分。為了開發(fā)這類產(chǎn)品,通過采用更加精細(xì)的工藝,作為其心臟的微處理器和SoC已變得越來越快,集成度越來越高。不過,隨著工藝變得更加精細(xì),制造變化也變得越來越大,進(jìn)而導(dǎo)致了晶體管電氣特性變化的增加。而且,門限電壓的變化——晶體管導(dǎo)通或關(guān)斷的邊線電壓——可減少運(yùn)行容限,對(duì)電路工作產(chǎn)生不利的影響。因此,隨著工藝變得更加精細(xì),業(yè)界正在努力研發(fā)以消除這樣的變化。不過,采用32 nm及以上工藝,預(yù)計(jì)由于變化產(chǎn)生的降低的運(yùn)行容限對(duì)電路操作的影響將成為一個(gè)非常嚴(yán)重的問題,人們正在關(guān)注進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展" title="技術(shù)發(fā)展">技術(shù)發(fā)展。?

<技術(shù)細(xì)節(jié)>?

面對(duì)這個(gè)背景,瑞薩科技一在直追求瞄準(zhǔn)32 nm工藝及以上的技術(shù)發(fā)展,致力于6晶體管型SRAM電路的開發(fā),它對(duì)微處理器和SoC極為重要,也最容易受到變化的影響。這些技術(shù)已經(jīng)在以下的案例中得到了開發(fā)和應(yīng)用。?

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(1)使用SOI?

制造變化需要原子級(jí)的控制,要減少這種變化極其困難。因此,當(dāng)假定的制造變化發(fā)生時(shí),抑制電氣特性變化的方法就顯得非常重要了,其中一種有效的方法是通過將一個(gè)電壓施加在襯底上來控制門限電壓。不過,利用體硅*3,多個(gè)晶體管通??梢孕纬捎谠诠枰r底上創(chuàng)建的一個(gè)叫做井的區(qū)域當(dāng)中。利用這個(gè)結(jié)構(gòu),該襯底電位被施加到多個(gè)晶體管上,因此要更準(zhǔn)確地控制個(gè)別晶體管極其困難。另一方面,采用SOI技術(shù),晶體管形成在一種絕緣體薄膜的硅層上,因此晶體管可以實(shí)現(xiàn)電氣絕緣,這是一種有助于對(duì)晶體管進(jìn)行個(gè)別控制的易于實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。此外,這個(gè)案例還使用了一種所謂部分耗盡SOI MOSFET(金屬氧化物硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管)來施加基體電位。?

(2)采用混合溝道隔離結(jié)構(gòu)*4?

混合溝道隔離結(jié)構(gòu)是一種采用瑞薩專有技術(shù)的用于薄膜SOI器件的單元隔離結(jié)構(gòu)。這種混合溝道隔離結(jié)構(gòu)具有可完全消除SOI層的全溝道隔離能力,以及通過使薄SOI層保持在隔離的氧化物薄膜之下,使之可能在每個(gè)晶體管上施加不同體電位的部分溝道隔離來控制體電壓的能力。?

(3)體電位的獨(dú)立和動(dòng)態(tài)控制技術(shù)?

通過獨(dú)立控制SRAM元件晶體管的體電位,以及動(dòng)態(tài)地滿足諸如讀寫等SRAM操作可以增加運(yùn)行容限。?

6晶體管型SRAM元件由兩組晶體管組成,每組包括三種晶體管(訪問、驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載)。在這個(gè)案例中,為了有利于SRAM讀寫,開發(fā)了一種可以通過以下幾種連接控制每個(gè)晶體管體電位的技術(shù),以改善運(yùn)行容限。?

(a)NMOS通過字線訪問晶體管和進(jìn)行驅(qū)動(dòng)晶體管控制?

在一次SRAM的讀寫操作中一個(gè)字線為正電位。通過把一個(gè)基體連接到一個(gè)字線,字線的正電位可施加到一次寫操作的基體。因此,訪問晶體管(NMOS)的門限電壓下降,出現(xiàn)一個(gè)大電流流動(dòng),以改善寫入容限。?

(b)通過電源線進(jìn)行PMOS負(fù)載晶體管控制?

負(fù)載晶體管(PMOS)連接一條電源線,讀操作時(shí)的電源線電位比寫操作時(shí)稍微低一些。利用這種方法,負(fù)載晶體管門限電壓可在讀操作時(shí)降低,利用引導(dǎo)電流(facilitating current flow)來防止數(shù)據(jù)損失。此外,如(a)所述,由于正電位被施加到驅(qū)動(dòng)晶體管的基體上,門限電壓下降,讀輸入電壓被降低。這些控制功能有助于實(shí)現(xiàn)讀取容限的改善。?

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<注釋>?

1. SOI(絕緣硅):一個(gè)絕緣體薄膜上的硅層。?

??? 2.? SNM(靜態(tài)噪聲容限):一個(gè)在SRAM工作時(shí)以電壓指示容限表示的指標(biāo),較大的數(shù)值表明操作容限也較大。?

??? 3.? 體硅:一種用于普通硅器件的單晶硅晶圓" title="硅晶圓">硅晶圓稱為體硅(或者叫體硅晶圓),是與SOI晶圓不同的晶圓。?

??? 4.? 混合溝道隔離結(jié)構(gòu):一種瑞薩科技專有的薄膜SOI器件的單元隔離結(jié)構(gòu),具有可完全消除SOI層的全溝道隔離能力,以及通過使薄SOI層保持在隔離的氧化物薄膜之下,使之可能在每個(gè)晶體管上施加不同體電位的部分溝道隔離來控制體電壓的能力。?

*提及的產(chǎn)品名稱、公司名稱或商標(biāo)均為其各自所有者擁有。?

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