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以测试工序提高SRAM制造误差容限，东京大学与STARC开发
时间：2010-06-22 06:49:00
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[导读]对晶体管制造误差导致的SRAM工作不稳定性，在芯片制造后的测试工序上加以改善的方法，由东京大学研究生院工学系研究科电气系工学专业副教授竹内健的研究小组与日本半导体理工学研究中心（STARC）联手开发成功。该项成
对晶体管制造误差导致的SRAM工作不稳定性，在芯片制造后的测试工序上加以改善的方法，由东京大学研究生院工学系研究科电气系工学专业副教授竹内健的研究小组与日本半导体理工学研究中心（STARC）联手开发成功。该项成果有助于在0.5V等低电压下工作的逻辑LSI的实现。该方法利用了如下现象：以适当步骤对SRAM加载特定电压时，电子会自主选择注入负责数据输入输出的两个晶体管中的一个，阈值电压就会向提高SRAM工作稳定性的方向变化。该方法可加大工作裕度（Margin），已在65nm工艺SRAM单元上得到了证实。开发小组在“2010 Symposium on VLSICircuits”（2010年6月16～18日，美国夏威夷州檀香山）上公布了此次技术的详细情况（论文序号：4.4）。
东京大学的竹内研究小组此前一直在开发以自我修复方法改善因晶体管制造误差而引起的SRAM工作不稳定现象的技术。2009年12月提出了对构成SRAM的晶体管导入强介电体以提高工作稳定性的方法。该方法利用的是对写入SRAM的数据可稳定的方向上，采用强介电体的晶体管阈值电压会自动调整的现象。而此次的方法，完全不涉及器件的制作工序，是在元件制造后的测试阶段改善工作稳定性。是一种LSI厂商可以在近期考虑导入量产的方法。
竹内等人此次的着眼点是确定负责SRAM数据输入输出的两个晶体管（通栅晶体管）的特性是否影响数据读取时的工作稳定性，即是否可在不损坏数据的情况下读取。因为构成SRAM的六个晶体管特性尽管相互有些偏差，但对两个passgate(旁通闸阀)晶体管，修复使读取工作不稳定的晶体管特性，则可以提高整个单元的工作稳定性。
此处所说的修复passgate(旁通闸阀)晶体管特性的作业是指，使数据读取时流过该晶体管的电流小于写入时（与读取时反向）流过的电流，目的是不损坏数据。因此，要使通栅晶体管拥有相应于电流流动方向的两个阈值电压。此次，作为实现这一点的技术，竹内等人开发出了从硅底板对passgate(旁通闸阀)晶体管栅极绝缘膜的特定之处注入高能量电子（热电子）的方法。而栅极绝缘膜的特定之处位于读取电流流入的电极（源极电极）近旁。将电子限定在此处，数据读取时由于这些电子的影响，通道会难以形成，与数据写入时相比，阈值电压就可提高。
作为使晶体管拥有相应于电流流动方向的两个阈值电压的方法，以往曾提出过使源极侧和漏极侧的扩散层掺杂物浓度不同的方法。该方法需要追加掩模工序，因此制造成本容易升高。而且，对数据读取工作不稳定的晶体管特性，无法选择性地修复。而此次的方法可以克服这两个问题。
不过，在芯片的测试工序上实现此次的方法在直观上并不容易。原因是需要判断两个passgate(旁通闸阀)晶体管中的哪个使工作不稳定，然后对芯片上的很多SRAM单元统一进行向该晶体管中注入电子以修复特性的工序。检查每个SRAM单元的pass gate(旁通闸阀)晶体管特性并进行个别修复的方法，会使测试工序的时间会变得极长。
因此，竹内等人开发出了通过对与字线（Word Line）连接的多个SRAM单元以适当步骤加载特定电压，使各个单元的passgate(旁通闸阀)晶体管的一个自我选择地注入电子，从而一下子可提高多个单元工作稳定性的方法。该方法首先将单元电位提高到电源电压水平，接着提高位线和字线的电位，使各个SRAM单元处于接近数据读取时的状态（伪干扰状态）。此时，使数据读取工作不稳定的passgate(旁通闸阀)晶体管内侧（连接到由四个晶体管构成的两个逆变电路的一侧）的节点电位会升高。在该状态下降低字线的电位，数据“high”就会被存储在该节点中。然后，使位线电位为零、底板电位为－4V左右、单元电位3V左右以及字线电位升压至1V左右，电子就会选择性地只流入与存储数据“high”的节点相连的passgate(旁通闸阀)晶体管中。该电子会通过加载电压在硅底板中加速并注入栅极绝缘膜中。基于这种步骤的电子注入需时10秒左右。
竹内等人利用65nm工艺设计规范制造的SRAM单元，验证了该方法的有效性。结果表明，与特性修复前相比，读取电压的工作裕度提高了70％，SNM（Static NoiseMargin）在电源电压为0.7～1V的条件下提高了20％以上。此外还证实，不会产生数据写入性能劣化、向无需修复特性的通栅晶体管中注入电子以及会使阈值电压变化的pass gate(旁通闸阀)晶体管特性随时间劣化等现象。
研究小组今后有意验证该方法针对40nm以后设计规范SRAM单元的有效性，以及验证在集成了多个SRAM单元的阵列中的有效性。此次成果是日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托业务——“极低功率电路及系统技术开发（绿色IT项目）”中的内容。（记者：大下 淳一，大石 基之）
东京大学的竹内研究小组此前一直在开发以自我修复方法改善因晶体管制造误差而引起的SRAM工作不稳定现象的技术。2009年12月提出了对构成SRAM的晶体管导入强介电体以提高工作稳定性的方法。该方法利用的是对写入SRAM的数据可稳定的方向上，采用强介电体的晶体管阈值电压会自动调整的现象。而此次的方法，完全不涉及器件的制作工序，是在元件制造后的测试阶段改善工作稳定性。是一种LSI厂商可以在近期考虑导入量产的方法。
竹内等人此次的着眼点是确定负责SRAM数据输入输出的两个晶体管（通栅晶体管）的特性是否影响数据读取时的工作稳定性，即是否可在不损坏数据的情况下读取。因为构成SRAM的六个晶体管特性尽管相互有些偏差，但对两个passgate(旁通闸阀)晶体管，修复使读取工作不稳定的晶体管特性，则可以提高整个单元的工作稳定性。
此处所说的修复passgate(旁通闸阀)晶体管特性的作业是指，使数据读取时流过该晶体管的电流小于写入时（与读取时反向）流过的电流，目的是不损坏数据。因此，要使通栅晶体管拥有相应于电流流动方向的两个阈值电压。此次，作为实现这一点的技术，竹内等人开发出了从硅底板对passgate(旁通闸阀)晶体管栅极绝缘膜的特定之处注入高能量电子（热电子）的方法。而栅极绝缘膜的特定之处位于读取电流流入的电极（源极电极）近旁。将电子限定在此处，数据读取时由于这些电子的影响，通道会难以形成，与数据写入时相比，阈值电压就可提高。
作为使晶体管拥有相应于电流流动方向的两个阈值电压的方法，以往曾提出过使源极侧和漏极侧的扩散层掺杂物浓度不同的方法。该方法需要追加掩模工序，因此制造成本容易升高。而且，对数据读取工作不稳定的晶体管特性，无法选择性地修复。而此次的方法可以克服这两个问题。
不过，在芯片的测试工序上实现此次的方法在直观上并不容易。原因是需要判断两个passgate(旁通闸阀)晶体管中的哪个使工作不稳定，然后对芯片上的很多SRAM单元统一进行向该晶体管中注入电子以修复特性的工序。检查每个SRAM单元的pass gate(旁通闸阀)晶体管特性并进行个别修复的方法，会使测试工序的时间会变得极长。
因此，竹内等人开发出了通过对与字线（Word Line）连接的多个SRAM单元以适当步骤加载特定电压，使各个单元的passgate(旁通闸阀)晶体管的一个自我选择地注入电子，从而一下子可提高多个单元工作稳定性的方法。该方法首先将单元电位提高到电源电压水平，接着提高位线和字线的电位，使各个SRAM单元处于接近数据读取时的状态（伪干扰状态）。此时，使数据读取工作不稳定的passgate(旁通闸阀)晶体管内侧（连接到由四个晶体管构成的两个逆变电路的一侧）的节点电位会升高。在该状态下降低字线的电位，数据“high”就会被存储在该节点中。然后，使位线电位为零、底板电位为－4V左右、单元电位3V左右以及字线电位升压至1V左右，电子就会选择性地只流入与存储数据“high”的节点相连的passgate(旁通闸阀)晶体管中。该电子会通过加载电压在硅底板中加速并注入栅极绝缘膜中。基于这种步骤的电子注入需时10秒左右。
竹内等人利用65nm工艺设计规范制造的SRAM单元，验证了该方法的有效性。结果表明，与特性修复前相比，读取电压的工作裕度提高了70％，SNM（Static NoiseMargin）在电源电压为0.7～1V的条件下提高了20％以上。此外还证实，不会产生数据写入性能劣化、向无需修复特性的通栅晶体管中注入电子以及会使阈值电压变化的pass gate(旁通闸阀)晶体管特性随时间劣化等现象。
研究小组今后有意验证该方法针对40nm以后设计规范SRAM单元的有效性，以及验证在集成了多个SRAM单元的阵列中的有效性。此次成果是日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托业务——“极低功率电路及系统技术开发（绿色IT项目）”中的内容。（记者：大下 淳一，大石 基之）
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