JP2009117026A - Sramのビット線スクリーニング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】リーク電流の影響を考慮したSRAMセル検査方法を提供する。
【解決手段】真ノード、相補ノード間に論理ハイレベルまたは論理ローレベルを記憶するアンチパラレル記憶回路を含み、真ノードと相補ノードとは、それぞれ第1、第2のトランジスタによって真ビット線(BLT)と相補ビット線(BLC)とに接続されているスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)セルの制御方法が提供される。この方法は、BLTの電位が書き込みドライバ回路によって電源電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、BLTの電位がプリチャージ回路によって電源電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、BLTの電位が第1のトランジスタによってそのSRAMセルに記憶された電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、上述の条件の下で、BLTの電位をしきい値電位と比較するステップとを備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)をスクリーニング(screening)する方法および装置に関し、特に、スクリーニングプロセスの質を向上させることにより、SRAMのビット線から接地電位(グラウンド電位)へのリークパス検出率を向上させるための方法に関する。
図1A、図1Bを参照する。SRAMメモリセルは、そのセルの両側に相補的な低電位と高電位を形成してデータを記憶する。SRAMはダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)と異なり、電力がセルに供給される限り、メモリセルの中のデータを保持する。これに対してDRAMのメモリセルは、セル内に記憶されたデータを用いて周期的にリフレッシュされる。
SRAMセルは、SRAMメモリのビット線(BLT)に関連づけられた「真」ノードと、SRAMメモリの相補ビット線(BLC)に関連づけられた相補ノードとを含む。真ノードが高電位として読み出されたとき、そのSRAMメモリセルの値は、デジタルの1である。真ノードが低電位として読み出されたときには、そのSRAMメモリセルの値は、デジタルの0である。従来のSRAMメモリの各メモリセルは、BLTバスおよびBLCバスの間に接続された逆平行インバータ・トランジスタ・ラッチ回路を採用している。直列に接続された一組のトランジスタが、そのセルをBLTバスおよびBLCバスと接続し、または接続を切る。その直列に接続されたトランジスタ回路は、ワード線(WL)を介してゲートで制御される。従来のSRAMメモリシステムにおいては、書き込み、読み出しサイクルの間、データがあるメモリセルに書き込まれる前にビット線BLTと相補ビット線BLCをSRAMメモリの電源電圧Vddで駆動するために、プリチャージ回路を利用する。SRAMメモリセルにデータが実際に書き込まれる間、ワード線WLは真であり、書き込みバッファは、ビット線BLTと相補ビット線BLCとを駆動する。読み出し動作の間もまたワード線WLは真であり、SRAMメモリセル能動素子(アクティブコンポーネント)自体がビット線BLTを駆動し、センスされることで、そのセルの中に記憶されたデータビットの値が判定される。
センスアンプは、局所BLTのレベルを検知することにより、所与のセルの中に記憶されたデータを判定する。それぞれのメモリセルの中身をビット線BLTを介してセンスする従来の回路は、基本的なセンス回路を含む。この基本的なセンス回路は、所定の電位(しきい値電位)をBLTの電位と比較する。
図1Bに示すように、リーク電流がない場合、記憶されている論理レベルHがセンスされると、しきい値電位よりも高いこと、したがって検査に合格であることが正しく検知される。しかしながらリーク電流が存在するときには、プルアップ回路(例えば、ワード線WL、書き込みドライバなど)は、リーク電流のドロー(draw)に対して逆に作用しがちである。そして、リーク電流が存在するにもかかわらず、記憶された論理レベルHはしきい値以上であるとセンスされ、検査に合格したものとされる。これは理想的な状況であるとは言えない。この状態は不合格として検出された方がよいからである。残念ながら、従来のセンス回路およびプロトコルは、SRAMを試験している間にBLTからグラウンドへ過度のリーク電流があるか否かについては考慮していない。
誤って、セルが適切に動作しているものと判定してしまう(すなわち、偽陽性または偽合格)という問題は、クロック周波数が増加し、SRAMサイズが大きくなるほど悪化する。より高いメモリパフォーマンスが設計の目標とされる現在、クロック周波数の増加およびSRAMサイズの大型化が進行しつつある状況にある。したがって、リーク電流特性が受け入れがたいほど高いSRAMメモリセルをスクリーニングする新たな技術的手段に対する需要がある。
本発明によると、リーク電流の存在を検出するための読み出し検査の間、SRAMの回路は無効にされる。特に、ワード線WLの接続はオフとされ、プリチャージ回路の接続もオフとされ、書き込みドライバ回路の接続もオフとされる。このような状況において過度のリーク電流が存在する場合、記憶されたHレベルは、しきい値以下に引き下げられる。この状況は、正しく、不合格として検知される。
本発明の一またはそれ以上の実施形態によると、真ノード、相補ノード間に論理ハイレベルまたは論理ローレベルを記憶するアンチパラレル(逆平行)記憶回路を含み、真ノードと相補ノードとは、それぞれ第1、第2のトランジスタによって真ビット線(BLT)と相補ビット線(BLC)とに接続されているスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)セルの検査方法が提供される。この方法は、BLTの電位が書き込みドライバ回路によって電源電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、BLTの電位がプリチャージ回路によって電源電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、BLTの電位が第1のトランジスタによってそのSRAMセルに記憶された電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、上述の条件の下で、BLTの電位をしきい値電位と比較するステップとを備える。
この方法はさらに、BLTの電位がしきい値電位未満であるときに、そのSRAMセルが有意なリーク電流を含むことを判定するステップを備えてもよい。これに代えて、またはこれに加えて、この方法はさらに、BLTの電位が、しきい値電位未満へと直線的にドロップするときに、そのSRAMセルが有意なリーク電流を含むものと判定するステップを備えてもよい。
本発明の他の側面、特徴、有利な点などは、添付図面と共に本発明の記述を参照することにより、当業者にとって明らかとなるであろう。
以下、図面を参照して説明する。各図面に示される同一または同等の構成には同一または同等の符号を付している。図2は、本発明の、1以上の特徴を実現するために利用されうるSRAMメモリシステム100を示す。説明の簡潔化および明確化のため、図2のブロック図は装置100として参照され、また説明される。しかしながら、本記述は同等の方法の様々な側面に容易に適用されうることは理解されるところである。
SRAMメモリシステム100は、複数の行および列のアレイに配置されたSRAMメモリセル102を含む。一般的に、アレイの各行は、1ワードのデータ(例えば、幅128ビット)を表し、アレイの各列は、各データのワード中でのあるビットポジションを表す。SRAMメモリシステム100上の各ワードへは、関連づけられたワード線(WL)と、ビット線(BLCとBLT)を作動(activate)させることにより、アクセスすることができる。SRAMメモリ100のある列、たとえば図に示したC3列において、BLTは「真」のビット線であり、BLCは相補的なビット線である。真ノード(または真のビット線)が高電位として読み出された場合、アクセスされたSRAMメモリセル102の値は1である。真ノードが低電位として読み込まれた場合、アクセスされたSRAMメモリセル102の値は0である。
図2には示されていないが、この他に多数のSRAMメモリシステム100の構成要素が用いられうることは、当業者に理解されるであろう。さらなる構成要素としては例えば、読み出しおよび書き込みプリチャージ回路、書き込みバッファ(ドライバ)、フィードバック回路、そしてセンスアンプのさらなる構成要素などがある。(ただし、これらの回路のうちの一またはそれ以上についての実施形態が、以下に示され、記述される。)
図1Aに示すように、各SRAMメモリセル102は、逆平行(anti−parallel)に構成され、配置された1組のインバータを含む。逆平行インバータは、複数のFET(電解効果トランジスタ:field effect transistor)を用いて実現される。これらFETは、各ストレージノードが真ビット線BLTと、相補ビット線BLCに関連づけられるように、相互に接続されている。真のストレージノード、相補的なストレージノードはそれぞれ、真のビット線BLT、相補的なビット線BLCに、NMOSトランジスタTR2、TR3によって結合される。本発明の実施形態から逸脱することなく、他の手法が用いられてもよい。
NMOSトランジスタTR2とTR3は、ワード線(WL)信号によって制御される。ワード線(WL)信号は、1ワードのデータを記憶するために用いられる複数のSRAMメモリセルを作動(activate)させる。当業者にはよく知られているため図示していないが、SRAMメモリセル102は例えば、電源電圧VddからVss(またはグラウンド)へと直列に接続されたPMOSトランジスタとNMOSトランジスタとを含んでもよい。ノイズの問題を避けるために、そして/または安定性を高めるために、逆平行インバータ回路は、周辺回路(例えば、書き込みドライバ、プリチャージ回路等)から隔てられていてもよい。真ノードは、共通の接続線上において、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとの間に位置する。第2のPMOSトランジスタとNMOSトランジスタの組は相互に接続され、相補ノードを形成する。この特定の回路の接続形態(topology)および実装は、本発明の1以上の実施形態の実現に適しているが、他の実現手段も本発明の範囲内に含まれることは、本明細書に照らして当業者に理解されるであろう。
各NMOSトランジスタをワード線WLを介してオンとし、ビット線BLTとビット線BLC間に印加することにより、1ビットのデータ(0または1)がSRAMメモリセル102に書き込まれる。ビット線BLTとビット線BLC間の電位差は、後述の実施形態で述べる書き込みドライバ回路によって生成される。真のノードに高い電位(例えば、Vdd)、相補ノードにそれよりも低い電位(例えば、グラウンド電位)が生じた状態は、論理ハイレベル、すなわちデジタルの1(Write 1)であると解釈できる。反対に、真ノードに低い電位、相補ノードに高い電位が生じた状態は、論理ローレベル、すなわちデジタルの0(Write 0)と解釈できる。読み出しおよび書き込みプリチャージ回路(図示せず)は、SRAMメモリセル102における読み出しまたは書き込み操作に先立って、ビット線BLTと相補ビット線BLCを所定の電位に駆動するように動作することに注意されたい。
論理ハイレベルがSRAMメモリセル102に書き込まれる書き込み操作(Write 1)においては、ビット線BLTは電位Vddに駆動(drive)され、相補ビット線BLCは、Vss(例えば、接地電位)に駆動される。これらの条件の下で、真ノードに関連づけられたPMOSトランジスタは、オンとなり、真ノードに関連づけられたNMOSトランジスタは、オフとなる。また、相補ノードに関連づけられたPMOSトランジスタは、オフとなり、相補ノードに関連づけられたNMOSトランジスタは、オンとなる。したがって、真のノードは実質的に電位Vddとなり、相補ノードは実質的に電位Vss(または接地電位)となる。
論理ローレベルがSRAMメモリセル102に書き込まれる書き込み操作(Write 0)においては、上述とは反対の状況が実現されることは、当業者には理解されるであろう。Write 0操作においては(Write 1と比べて)ビット線BLTとビット線BLCを駆動する電位が逆となる。ビット線BLTは電位Vss(例えば、接地電位)に駆動され、相補ビット線BLCは、Vddに駆動される。これらの条件の下で、真ノードに関連づけられたPMOSトランジスタは、オフとなり、真ノードに関連づけられたNMOSトランジスタは、オンとなる。また、相補ノードに関連づけられたPMOSトランジスタは、オンとなり、相補ノードに関連づけられたNMOSトランジスタは、オフとなる。したがって、真ノードは実質的に電位Vssとなり、相補ノードは実質的に電位Vddとなる。
センスアンプ(またはセンス回路)は、局所BLTのレベルを検出し、所与のセルに記憶されたデータを決定する。センス回路は、各メモリセルの内容を、ビット線BLTを介してモニタする。センス回路は、所定の電位(しきい値電位)とBLTの電位とを比較する。SRAM100の理想的ではない特質として、ある状況下においては、著しいリークパスが生ずる。これは、グラウンドへのバルクインピーダンスとして、説明される。上で議論されているように、このリークパスにより、誤ってセルが適切に動作している(すなわち、偽陽性または偽合格)と判定する結果となりうる。クロック周波数が増加し、SRAMのサイズが大きくなるほど、この問題は相当に悪化する。
SRAMメモリセル102内の論理ハイレベルの値をセンスするための従来技術とは異なり、図3または図4に示すように、本発明の態様は、大きなリーク電流を見過ごすことはないことを保証する。図3に示される抵抗は、電源Vdd(または隔離された電源Vcs)から、BLT線各部分へのインピーダンスをそれぞれ表す。これは例えば、書き込みドライバ回路によるもの、プリチャージ回路によるもの、接続しているトランジスタTR2によるもの等である。本発明の1またはそれ以上の実施形態によると、BLTの電位がセンスされる際に、BLTの電位が電源電圧の少なくとも一に大きく引き寄せられることを防止するような方法で、SRAMメモリセル102の内容がセンスされる。例えば、以下にの述べる項目の1以上が達成される。
(1)書き込みドライバ回路が、BLTの電位を供給電圧(supply voltage)に大きく引き寄せることを防止する。
(2)プリチャージ回路が、BLTの電位を供給電圧に大きく引き寄せることを防止する。
(3)TR2トランジスタが、BLTの電位をSRAMメモリセル102に記憶された電位に大きく引き寄せることを防止する。
上記の条件のうちの1以上の条件下にある間に、BLTの電位は、しきい値電位と比較される。BLTの電位がしきい値電位よりも低い場合には、SRAMメモリセル102は著しいリーク電流を含むものと判定される。これに代えて、またはこれに加えて、BLTの電位が図4に示すように、直線的にしきい値電位未満へと落ちる(ドロップする)ときに、SRAMメモリセル102が著しいリーク電流を含むものと判定することとしてもよい。
上述の手法を採用するにあたっては、(図示されているように)シングルエンド(single−ended)センス手法を用いてもよく、また当業者にとって本明細書の開示事項から明らかであるように、デュアル微分センス手法を用いてもよい。SRAMをセンスするセンスアンプ回路は高速で動作することを要求されるため、デュアル微分センス手法の実装にあたっては、しばしば電流ミラー型微分アンプ回路が用いられる。特定のデュアル微分センス手法の実装にかかわらず、センス誤動作の主な原因が二つ残る。すなわち、(1)上で議論された、リーク電流による誤動作、および(2)入力電流そして入力されるしきい値のアンバランスである。
リーク電流の問題からしばらく離れる。デュアルセンス微分回路もまた、誤った値を出力するかもしれない。なぜならば、センスアンプ自身が、入力電流/入力しきい値のアンバランスを有するからである。例えば、特許文献1に開示されるように、当該分野におけるある熟練者は、センスアンプのトリミングを提案している。この手法は、本発明の1またはそれ以上の実施形態において用いられてもよい。
米国特許第5,991,219号
本発明の1またはそれ以上の他の実施形態によると、センスアンプに一定の入力しきい値を適応することにより、センスアンプのアンバランスに対応可能である。入力しきい値は、略Vdd−Vth未満であることを要する。(これに代えて、一定の入力しきい値電位を示すような付加的なアンプが用いられてもよい。)一例として、センスアンプのアンバランスを取り除くために、BLCを電位Vt_inに接続する回路を用いて、BLTのリーク電流が検査されてもよい。ここで、Vt_inは、略Vdd−Vth(NチャンネルFETのVth)未満である。リーク電流が存在する場合、BLTの値は、Vt_in以下になり、センスアンプは、反転(flip)されることを要する。これに代えて、またはこれに加えて、インバータを各のBLTおよびBLCについての第2のセンス回路として接続することにより、センスアンプのアンバランスに対応してもよい。
上述のBLTの値をセンスする手法は、Powerspiceのt2h00aモデルを用いて試験した。このモデルのパラメータは、以下を含む。すなわち、Tj=85℃、規格Vdd=Vcs=0.9V、NRN=0.5、周波数=333MHz、16メモリセルのローカルBLT、ローカル評価回路(BLTをグローバルビット線(GBT)、ワード線WLドライバ回路、グラウンド電位とBLTとの間の抵抗(100Kオーム)にインタフェイスするために用いられる。)
図5Aには、従来技術にかかるBLTセンス手法を用いた場合のシュムー(shmoo)プロット結果が示されている。Y軸(縦軸)は、上に行くほど増加するVcsを表し、X軸(横軸)は、右に行くほど増加するVddを表す。白で表されている領域は、合格条件の範囲を示し、黒で表されている領域は、不合格の範囲である。不合格の条件のシュムープロットは、指の形を形成する。図5Aのシュムープロットの不合格のプロファイルの上側の境界は、プリチャージ回路のプルアップ特性による。このプルアップ特性は例えば、プリチャージ回路のトランジスタがセンシングの間、BLTを高い値に引き上げる傾向などである。これにより、リーク電流の効果に対抗する。図5Aのシュムープロットの不合格のプロファイルの下側の境界は、SRAMセル自身のプルアップ特性による。このプルアップ特性は例えば、トランジスタTR2がセンシングの間、BLTを高い値に引き上げる傾向などである。これもまた、リーク電流の効果に対抗する。これらの上限および下限の境界は、(後述するように)誤って、SRAMがスクリーニングプロセスに合格したものと判定する可能性を示す。
図5Bには、本発明の1またはそれ以上の態様を用いてBLTをセンスする手法を用いた場合のシュムープロット結果が、示されている。特に、以下の条件が課されている。
(1)書き込みドライバ回路が、BLTの電位を供給電圧(supply voltage)に大きく引き寄せることを防止する。
(2)プリチャージ回路が、BLTの電位を供給電位に大きく引き寄せることを防止する。
(3)TR2トランジスタが、BLTの電位をSRAMメモリセル102に記憶された電位に大きく引き寄せることを防止する。
ここに示されているように、シュムープロットの不合格条件は、(白線で示されるように)従来技術における指の形を超えて広がっている。
SRAM100の動作周波数や接地電位とBLTとの間のインピーダンスも、シュムープロットの形に影響を与えうることに、注意されたい。図6Aには、従来技術のBLTをセンスする手法を用いた場合の、合否を示すシュムー(shmoo)プロット結果が、異なる周波数(3MHz、33MHz、333MHx、3.3GHz)および異なる抵抗値(10KΩ、50KΩ、100KΩ、500KΩ、1MΩ、5MΩ)に渡って示されている。Y軸(縦軸)は、上に行くほど増加するVcsを表し、X軸(横軸)は、右に行くほど増加するVddを表す。ここでもまた、白で表されている領域は、合格条件の範囲を示し、黒で表されている領域は、不合格の範囲である。図6Aに示されるように、大きい値のRおよび/または高い周波数の領域に関しては、誤って、SRAMがスクリーニング試験に合格したと判断する可能性が大いにある。実際に、不合格の範囲についての上限と下限の境界間の幅は狭くなり、指の形は細くなっている。
これに対して図6Bは、本発明の1以上の側面を用いたBLTをセンスする手法による結果を表すシュムープロットを示す。不合格状態を示す上側の境界が消えているため、指の形のプロファイルが広がっており、特に低周波数におけるリーク電流による不合格を検出する可能性が向上している。
ここでは、本発明を特定の実施形態に基づいて説明した。これらの実施形態は単に、本発明の原理、応用を説明するためのものにすぎないことを理解されたい。ゆえに、説明のために用いられた実施形態に、様々な変形が加えられうること、そして、添付する請求項により定義される本発明の思想を逸脱することなく、多くの変形例がなされうることを理解されたい。
関連技術によるSRAMメモリセルと評価回路を示すブロック図である。 図1AのSRAMメモリセル内の多数の信号間のタイミングの関係を示すグラフである。 本発明の一以上の実施形態にかかるSRAMメモリシステムを示すブロック図である。 図2のシステムおよび他のここで示す実施形態と共に使用するのに適したSRAMメモリセルの一実施形態の等価回路を示す概略図である。 図3のSRAMメモリセル内の多数の信号間のタイミングの関係を示すグラフである。 図1A−1Bの従来のスクリーニング技術を用いたシミュレーションにより得られた合否検査の結果を示すグラフである。 本発明にかかる新たなスクリーニング技術を用いたシミュレーションにより得られた合否検査の結果を示すグラフである。 図1A−1Bの従来のスクリーニング技術を用いたシミュレーションにより得られた合否検査の結果を、異なる供給電源、リーク電流、および周波数条件に渡って示すグラフである。 本発明にかかる新たなスクリーニング技術を用いたシミュレーションにより得られた合否検査の結果を、異なる供給電源、リーク電流、および周波数条件に渡って示すグラフである。
符号の説明
BLT ビット線、BLC 相補ビット線、TR2 トランジスタ、TR3 トランジスタ、100 SRAMメモリシステム、102 SRAMメモリセル。

Claims (8)

  1. 真ノード、相補ノード間に論理ハイレベルまたは論理ローレベルを記憶するアンチパラレル記憶回路を含み、真ノードと相補ノードとは、それぞれ第1、第2のトランジスタによって真ビット線(BLT)と相補ビット線(BLC)とに接続されているスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)セルの検査方法であって、
    BLTの電位が書き込みドライバ回路によって電源電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、
    BLTの電位がプリチャージ回路によって電源電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、
    BLTの電位が第1のトランジスタによってそのSRAMセルに記憶された電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、
    上述の条件の下で、BLTの電位をしきい値電位と比較するステップとを備える方法。
  2. BLTの電位がしきい値電位未満であるときに、そのSRAMセルが有意なリーク電流を含むことを判定するステップをさらに備える請求項1に記載の方法。
  3. BLTの電位が、しきい値電位未満へと直線的にドロップするときに、そのSRAMセルが有意なリーク電流を含むものと判定するステップをさらに備える請求項1に記載の方法。
  4. 真ノード、相補ノード間に論理ハイレベルまたは論理ローレベルを記憶するアンチパラレル記憶回路を含み、真ノードと相補ノードとは、それぞれ第1、第2のトランジスタによって真ビット線(BLT)と相補ビット線(BLC)とに接続されているスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)セルの検査方法であって、
    BLTの電位が第1のトランジスタによって、大きくそのSRAMセルに記憶された電圧に引き寄せられることを抑制するステップと、
    少なくとも上記の条件の下で、BLTの電位をしきい値電位と比較するステップとを備える方法。
  5. BLTの電位が書き込みドライバ回路によって電源電圧に引き寄せられることを抑制するステップをさらに備える請求項4に記載の方法。
  6. BLTの電位がプリチャージ回路によって電源電圧に引き寄せられることを抑制するステップをさらに備える請求項4に記載の方法。
  7. BLTの電位がしきい値電位未満であるときに、そのSRAMセルが有意なリーク電流を含むことを判定するステップをさらに備える請求項4に記載の方法。
  8. BLTの電位が、しきい値電位未満へと直線的にドロップするときに、そのSRAMセルが有意なリーク電流を含むものと判定するステップをさらに備える請求項4に記載の方法。
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