[發明專利]一種物理空間交錯式抗單粒子臨近效應的靜態存儲單元

有效

• 申請號: 201110031829.4
• 申請日: 2011-01-28
• 公開（公告）號: CN102176322A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 謝成民;王忠芳;李如美;吳龍勝;劉佑寶
• 申請（專利權）人: 中國航天科技集團公司第九研究院第七七一研究所
• 主分類號: G11C11/412
• 分類號: G11C11/412
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域：

本發明屬于靜態存儲器領域，涉及一種靜態存儲單元，尤其是一種物理空間交錯式抗單粒子臨近效應的靜態存儲單元。

背景技術：

隨著CMOS工藝特征尺寸和電源電壓持續降低，使CMOS器件面臨重大的可靠性挑戰。CMOS存儲單元的單粒子翻轉(SEU)就是挑戰之一。當粒子入射到存儲單元的敏感區域(通常是關閉的NMOS的漏區)時，存儲單元內晶體管收集電荷從而改變存儲單元存儲的內容，這時稱存儲單元發生了SEU。

半導體CMOS工藝的進步使器件尺寸縮小，一個存儲單元內晶體管之間的距離越來越小，臨近效應越來越嚴重。所謂臨近效應是指粒子入射后，對一個存儲單元內的多個晶體管產生影響。臨近效應有兩類，一類是粒子入射在阱里，對位于阱內的多個晶體管同時產生影響。另一類是粒子入射在位于襯底的晶體管漏區后，又穿過阱區；或者粒子的影響直徑直接覆蓋阱區內和阱區外的晶體管，二者均可同時影響一個存儲單元的多個晶體管。

對普通互鎖存儲結構而言，傳統的SEU是指存儲1狀態的節點被拉向0，然后使存儲0狀態互補節點翻轉為1，完成一次翻轉；反之亦然。對這種存儲單元，隨著單元尺寸的降低，第二類臨近效應發生的幾率越來越大。發生臨近效應的粒子入射，會使存儲1狀態的節點拉向0，使存儲0狀態的節點拉向1，單元翻轉。對這種翻轉而言，所需的入射粒子能量更低。因為互鎖的存儲單元會對兩邊出現的翻轉信號放大，使翻轉更加容易，所需的粒子能量就降低了。隨著半導體工藝進入45nm及以下工藝節點，臨近效應將會使地面上大量的低能粒子成為SEU發生源，降低器件可靠性。

目前國內外的研究重點均放在第一類臨近效應上，并提出了一些解決辦法。國內的文章“130nm?NMOS器件的單粒子輻射電荷共享效應”(半導體技術第35卷第一期)對第一類臨近效應進行了仿真分析，并指出保護環對臨近效應有抑制作用。保護環可用在寄存器或普通的存儲單元中，面積開銷大，不適于用在密度高的存儲陣列中。國內還沒有見到關于第二類臨近效應的文章。國外對電荷臨近效應目前也集中在第一類，文章“Multiple?bit?upsets?and?error?mitigation?in?ultra-deep?submicron?SRAMs”(IEEE?TRANSACTIONSON?NUCLEAR?SCIENCE，VOL.55，NO.6，DECEMBER?2008)主要闡述了阱區內電荷共享效應。文章“Mitigation?techniques?for?single?event?induced?charge?sharing?in?a?90nm?bulk?CMOS?process”(IEEE?TRANSACTIONS?ON?DEVICEAND?MATERIALS?RELIABILITY，VOL.9，NO.2，JUNE?2009)主要闡述了如何從版圖上對抗輻射加固的存儲單元如DICE單元抑制阱區內的電荷共享效應，如增加保護環，增加敏感節點間的距離等。

隨著工藝尺寸的進一步縮小，在SRAM存儲單元中，第二類臨近效應引起的電荷共享將越來越嚴重，而目前還沒有提出具體的解決措施。

發明內容：

本發明解決的技術問題是：抑制因工藝尺寸縮小而日益嚴重的第二類臨近效應，提供一種面積開銷小的適用于存儲陣列的存儲單元結構。

本發明的基本指導思路如下所述。對一種對稱結構的存儲單元，在物理版圖上實現時，需要同時畫出兩個單元，不妨記一個單元為A，另一個單元為B。因為A和B單元是對稱的，所以A存儲單元可分為0.5A和0.5A，B單元也類似。對普通的存儲單元在物理版圖實現時，采用了0.5A、0.5A、0.5B、0.5B的排列方式。為了增加一個單元中的兩個敏感晶體管(即關閉的N管和關閉的P管)的距離，從而減小第二類臨近效應的影響，采用了0.5A、0.5B、0.5A、0.5B的方式交錯擺放，最后在第一個0.5A和第二個0.5A間用金屬實現連接，在第一個0.5B和第二個0.5B間用金屬實現連接，這樣完成了2個單元的物理實現。

通常6管存儲單元中的兩個敏感晶體管位于矩形版圖中的對角位置，假設兩個敏感晶體管的水平距離與垂直距離相等，均為a，則兩敏感晶體管對角距離為1.414a。通過采用本發明實現的版圖，水平距離變為了2a，垂直距離不變，則兩敏感晶體管對角距離為2.236。首先在物理空間上增加了距離，減小了臨近效應的幾率，即只有大角度特定方向的入射才可能會發生嚴重的臨近效應。