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

-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，尤其是栅极限电压（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：