CN111008506A - 一种基于阈值电压类型匹配的6-t存储单元抗总剂量加固方法 - Google Patents
一种基于阈值电压类型匹配的6-t存储单元抗总剂量加固方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于阈值电压类型匹配的6‑T存储单元抗总剂量加固方法，该方法包括晶体管总剂量辐照试验、建立晶体管辐射损伤与阈值电压类型映射关系、确定上拉PMOSFET阈值电压类型、确定下拉NMOSFET及传输NMOSFET阈值电压类型、电路仿真验证。该方法的理论基础是不同阈值电压类型晶体管的辐射损伤程度不同。该方法的优势在于无需改变制造工艺条件以及版图设计，实现6‑T存储单元低成本、高性能的抗总剂量加固。
Description
技术领域
本发明属于抗辐射存储器电路设计技术领域，具体涉及一种基于阈值电压类型匹配的6-T存储单元抗总剂量加固方法。
背景技术
存储单元是静态随机存储器(SRAM)电路的基本组成部分，外围电路通过对存储单元阵列中特定存储单元进行读写操作完成数据的访问，存储单元的性能直接影响SRAM电路的性能。6-T存储单元是主流的SRAM存储单元结构，由6个晶体管构成，包括2个上拉PMOSFET、2个下拉NMOSFET、2个传输NMOSFET。上拉PMOSFET与下拉NMOSFET构成相互连接的反相器，传输NMOSFET用于存储单元读写操作控制。6-T存储单元是目前应用最为普遍的SRAM存储单元结构，充分考虑了存储单元性能与芯片面积的平衡。
空间辐射环境包括地球辐射带、银河宇宙射线以及太阳活动时间等。空间辐射环境中的质子、电子、重离子等高能粒子与电子器件中的材料相互作用，导致电子器件出现辐射损伤，总剂量辐射效应是其中之一。对于SRAM存储单元，总剂量辐射效应会使存储单元晶体管阈值电压漂移，阈值电压漂移进而导致存储单元的噪声容限下降。噪声容限是指导致存储单元发生数据翻转所需的最小直流噪声，表征了存储单元存储数据的稳定性。总剂量辐射导致的存储单元噪声容限下降制约了SRAM电路在空间辐射环境的长期可靠服役。
应用于空间辐射环境的SRAM电路，必须要对存储单元进行抗总剂量辐射加固。目前SRAM存储单元的加固途径包括工艺加固以及版图设计加固。工艺加固是指通过改变电子器件的制造工艺条件，抑制辐射损伤的关键物理过程。具体到SRAM存储单元，则是改变存储单元晶体管的制造工艺条件，抑制存储单元晶体管阈值电压漂移。工艺加固的优势在于不改变电路设计的条件下，提高电路的抗辐射能力，避免电路性能的损失。但是工艺加固成本高昂，随着工艺节点的进步，对于先进工艺节点进行工艺加固的成本甚至难以接受。设计加固是指通过修改版图、电路拓扑结构，提高器件的抗辐射能力。具体到SRAM存储单元，则是修改存储单元晶体管的版图结构，消除晶体管寄生晶体管结构，抑制存储单元晶体管阈值电压漂移。设计加固的优势是避免了工艺修改的高成本，但设计加固增加了芯片面积，导致电路性能下降。SRAM电路是航天器电子系统必不可少的电子器件，而目前航天器低成本短周期发射的特点要求电子器件低成本及高性能，进而迫切需要兼顾低成本与高性能的SRAM电路抗辐射加固技术。
本发明提出一种基于阈值电压类型匹配的6-T存储单元抗总剂量加固方法，利用不同阈值电压类型晶体管总剂量辐射损伤敏感度不同的特点，匹配存储单元晶体管阈值电压类型，在不改变工艺条件及版图结构的条件下，提高存储单元抗总剂量辐射能力，克服目前工艺加固及设计加固的缺点。
发明内容
本发明目的在于，提供一种基于阈值电压类型匹配的6-T存储单元抗总剂量加固方法，该方法包括晶体管总剂量辐照试验、建立晶体管辐射损伤与阈值电压类型映射关系、确定上拉PMOSFET阈值电压类型、确定下拉NMOSFET及传输NMOSFET阈值电压类型、电路仿真验证。该方法的理论基础是不同阈值电压类型晶体管的辐射损伤程度不同。该方法的优势在于无需改变制造工艺条件以及版图设计，实现6-T存储单元低成本、高性能的抗总剂量加固。
本发明所述的一种基于阈值电压类型匹配的6-T存储单元抗总剂量加固方法，按下列步骤进行:
晶体管总剂量辐照试验：
a、对不同阈值电压类型的6-T存储单元晶体管中的上拉PMOSFET、下拉NMOSFET、传输NMOSFET进行总剂量辐照试验，测试晶体管辐射损伤，其中阈值电压类型为超低阈值、低阈值、正常阈值和高阈值；
建立晶体管辐射损伤与阈值电压类型的映射关系：
b、分析晶体管总剂量辐照试验结果，提取辐射敏感参数随累积剂量的变化关系，建立晶体管辐射损伤与阈值电压类型的映射关系，其中辐射敏感参数为阈值电压、关态漏电流、线性区漏电流、饱和区漏电流；
确定上拉PMOSFET阈值电压类型：
c、根据6-T存储单元性能设计要求，计算存储单元对上拉PMOSFET开关速度、驱动能力、功耗参数，确定上拉PMOSFET阈值电压、关态漏电流、线性漏电流、饱和漏电流参数的可变范围，依据上拉PMOSFET辐射损伤与阈值电压类型的映射关系，选取满足6-T存储单元性能需求的上拉PMOSFET阈值电压类型；
确定下拉NMOSFET及传输NMOSFET阈值电压类型：
d、根据6-T存储单元性能设计要求，计算下拉NMOSFET及传输NMOSFET关键参数的可变化范围，依据晶体管辐射损伤与阈值电压类型的映射关系，选取满足辐照后参数仍处于可变化范围内的下拉NMOSFET及传输NMOSFET阈值电压类型，同时，阈值电压类型选取还需满足下拉NMOSFET辐射损伤大于传输NMOSFET；
电路仿真验证：
e、根据辐照导致的存6-T储单元晶体管参数变化，修改晶体管模型参数，并应用于电路仿真分析软件，验证所选取存储单元晶体管阈值电压类型对提高抗总剂量辐射能力的有效性。
步骤c中如存在多种满足条件的阈值电压类型，优先选择低阈值类型，其次正常阈值类型，最后高阈值类型。
步骤d中如存在多种满足条件的阈值电压类型，优先选择低阈值类型，其次正常阈值类型，最后高阈值类型。
本发明所述的一种基于阈值电压类型匹配的6-T存储单元抗总剂量加固方法，与现有技术相比其优点为：
一、不需要改变6-T存储单元的制造工艺条件，避免了工艺改动带来的高昂经济成本。
二、不需要改变6-T存储单元版图结构，避免了版图加固来来的芯片面积开销，保持了6-T存储单元的高性能。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明6-T存储单元结构示意图；
图3为本发明典型上拉PMOSFET阈值电压类型确定流程图；
图4为本发明典型下拉及传输NMOSFET阈值电压类型确定流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例
本发明所述的一种基于阈值电压类型匹配的6-T存储单元抗总剂量加固方法，具体操作按图1所列步骤进行：
晶体管总剂量辐照试验：
a、对不同阈值电压类型的6-T存储单元晶体管中上拉PMOSFET、下拉NMOSFET、传输NMOSFET进行总剂量辐照试验，测试晶体管辐射损伤，其中阈值电压类型为超低阈值、低阈值、正常阈值和高阈值；如图2所示，6-T存储单元由上拉PMOSFET、下拉NMOSFET、传输NMOSFET构成，针对6-T存储单元晶体管的尺寸条件，设计不同阈值电压类型的晶体管测试结构，进行总剂量辐照试验，测试晶体管阈值电压(Vth)、关态漏电流(Ioff)、线性区漏电流(Idlin)、饱和区漏电流(Idsat)等参数随累积剂量的变化关系，以130nm工艺6-T存储单元为例，给出了晶体管总剂量辐照试验信息表1；
表1 130nm工艺6-T存储单元晶体管总剂量辐照试验信息表
建立晶体管辐射损伤与阈值电压类型映射关系：
b、分析晶体管总剂量辐照试验结果，提取辐射敏感参数随累积剂量的变化关系，建立晶体管辐射损伤与阈值电压类型映射关系，以130nm工艺6-T存储单元上拉PMOSFET为例，给出了上拉PMOSFET辐射损伤与阈值电压类型映射关系见表2；
表2 130nm工艺上拉PMOSFET辐射损伤与阈值电压类型映射表
| 阈值电压类型 | Vth(％) | Ioff(％) | Idlin(％) | Idsat(％) |
| ULVth | 11.2 | 12.3 | 11.8 | 13.2 |
| LVth | 10.5 | 11.1 | 10.9 | 12.1 |
| RVth | 9.6 | 10.5 | 9.9 | 10.9 |
| HVth | 8.3 | 9.8 | 8.7 | 9.7 |
确定上拉PMOSFET阈值电压类型：
c、依据6-T存储单元的性能需求，计算存储单元对上拉PMOSFET开关速度、驱动能力、功耗等参数的要求，进而确定上拉PMOSFET阈值电压、关态漏电流、线性漏电流、饱和漏电流等参数的可变范围，依据上拉PMOSFET辐射损伤与阈值电压类型的映射关系，选取满足6-T存储单元性能需求的上拉PMOSFET阈值电压类型。典型上拉PMOSFET阈值电压类型确定流程如图3所示；
确定下拉及传输NMOSFET阈值电压类型：
d、根据6-T存储单元性能设计要求，计算下拉NMOSFET及传输NMOSFET关键参数的可变化范围，依据晶体管辐射损伤与阈值电压类型的映射关系，选取满足辐照后参数仍处于可变化范围内的下拉NMOSFET及传输NMOSFET阈值电压类型，同时，阈值电压类型选取还需满足下拉NMOSFET辐射损伤大于传输NMOSFET；
总剂量辐射使NMOSFET阈值电压减小、关态漏电流上升，进而导致NMOSFET的驱动能力提高。读状态下，下拉NMOSFET与传输NMOSFET的驱动能力的比值决定了存储单元节点Q/QB的输出低电压；若辐照后，传输NMOSFET的驱动能力增加比例大于下拉NMOSFET，Q/QB的输出低电压增高，导致存储单元噪声容限下降；若辐照后，传输NMOSFET的驱动能力增加比例小于或等于下拉NMOSFET，Q/QB的输出低电压降低或不变，不会导致存储单元读噪声容限下降。典型下拉及传输NMOSFET阈值电压类型确定流程如图4所示；
电路仿真验证：
e、根据辐照导致的6-T存储单元电参数变化，修改晶体管模型参数，主要关注与阈值电压、关态漏电流、线性漏电流、饱和漏电流等辐射敏感参数相关的模型参数。修改晶体管模型参数后，仿真的晶体管电特性曲线应与辐照试验结果相匹配。将修改后的晶体管模型应用于电路仿真分析软件，仿真辐照对存储单元噪声容限的影响，验证所选取存储单元晶体管阈值电压类型对提高抗总剂量辐射能力的有效性。
Claims (3)
1.一种基于阈值电压类型匹配的6-T存储单元抗总剂量加固方法，其特征是按下列步骤进行:
晶体管总剂量辐照试验：
a、对不同阈值电压类型的6-T存储单元晶体管中的上拉PMOSFET、下拉NMOSFET、传输NMOSFET进行总剂量辐照试验，测试晶体管辐射损伤，其中阈值电压类型为超低阈值、低阈值、正常阈值和高阈值；
建立晶体管辐射损伤与阈值电压类型的映射关系：
b、分析晶体管总剂量辐照试验结果，提取辐射敏感参数随累积剂量的变化关系，建立晶体管辐射损伤与阈值电压类型的映射关系，其中辐射敏感参数为阈值电压、关态漏电流、线性区漏电流、饱和区漏电流；
确定上拉PMOSFET阈值电压类型：
c、根据6-T存储单元性能设计要求，计算存储单元对上拉PMOSFET开关速度、驱动能力、功耗参数，确定上拉PMOSFET阈值电压、关态漏电流、线性漏电流、饱和漏电流参数的可变范围，依据上拉PMOSFET辐射损伤与阈值电压类型的映射关系，选取满足6-T存储单元性能需求的上拉PMOSFET阈值电压类型；
确定下拉NMOSFET及传输NMOSFET阈值电压类型：
d、根据6-T存储单元性能设计要求，计算下拉NMOSFET及传输NMOSFET关键参数的可变化范围，依据晶体管辐射损伤与阈值电压类型的映射关系，选取满足辐照后参数仍处于可变化范围内的下拉NMOSFET及传输NMOSFET阈值电压类型，同时，阈值电压类型选取还需满足下拉NMOSFET辐射损伤大于传输NMOSFET；
电路仿真验证：
e、根据辐照导致的存6-T储单元晶体管参数变化，修改晶体管模型参数，并应用于电路仿真分析软件，验证所选取存储单元晶体管阈值电压类型对提高抗总剂量辐射能力的有效性。
2.根据权利要求1所述的基于阈值电压类型匹配的6-T存储单元抗总剂量加固方法，其特征在于步骤c中如存在多种满足条件的阈值电压类型，优先选择低阈值类型，其次正常阈值类型，最后高阈值类型。
3.根据权利要求1所述的基于阈值电压类型匹配的6-T存储单元抗总剂量加固方法，其特征在于步骤d中如存在多种满足条件的阈值电压类型，优先选择低阈值类型，其次正常阈值类型，最后高阈值类型。
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| 罗尹虹等: "EPROM脉冲总剂量损伤效应实验研究", 《核电子学与探测技术》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112466379A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-03-09 | 海光信息技术股份有限公司 | 存储器位映射关系确定方法、装置、处理器芯片及服务器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111008506B (zh) | 2023-04-07 |
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