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早稲田大学大学院情報生産システム研究科

博 博 博

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SRAM SRAM SRAM

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Research on High Research on High Research on High

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申 請 者 木原

木原 木原

木原 雄治 雄治 雄治 雄治 Yuuji Kihara Yuuji Kihara Yuuji Kihara Yuuji Kihara

早稲田大学大学院情報生産 早稲田大学大学院情報生産 早稲田大学大学院情報生産

早稲田大学大学院情報生産システム システム システム研究科 システム 研究科 研究科 研究科 2008

2008 2008

2008年 年 年 年2 2 2 2月 月 月 月

本 論 文 は Ｓ R A M の 高 性 能 化 と 高 信 頼 性 化 に 関 す る 研 究 成 果 を ま と め た も の で 、 本 文 は ７ 章 よ り 構 成 さ れ て い る 。 S R A M は 、 長 年 に 亘 っ て 各 種 電 子 装 置 で 利 用 さ れ て き た 。 こ の 間 、 高 性 能 化 を 追 求 し た 時 期 が あ り 、 ま た 、 微 細 化 が 進 ん だ 最 近 に お い て は 技 術 の 限 界 と 考 え ら れ る よ う に な っ た 。 本 研 究 に お い て は 、 S R A M 技 術 の 高 性 能 化 に つ い て 、 ま た 、 問 題 点 を 解 決 し た 新 型 の Ｓ Ｒ Ａ Ｍ に つ い て 、 ま た 、 従 来 の Ｓ Ｒ Ａ Ｍ で 問 題 点 を 解 決 し た 対 策 技 術 に つ い て 述 べ る 。

第 １ 章 序 論

本 研 究 分 野 で あ る Ｓ R A M の 背 景 に つ い て 述 べ 、 本 研 究 の 目 的 を 明 ら か に し た 。

第 ２ 章 S R A M の 高 性 能 化

低 消 費 電 力 S R A M で は 低 ス タ ン バ イ 電 流 を 確 保 し た 上 で 、 低 コ ス ト 化 の た め の メ モ リ セ ル 面 積 の 縮 小 化 が 重 要 で あ る 。 一 方 、 高 速 S R A M 開 発 に お い て は 面 積 の 縮 小 化 は 念 頭 に お く が 、 基 本 的 に 高 速 特 性 を 最 大 限 引 き 出 す 設 計 が 重 要 と な る 。 開 発 に お い て は デ バ イ ス 構 造 か ら 検 討 す る 必 要 が あ る の で 重 要 ポ イ ン ト は 、 開 発 戦 略 に あ る と 考 え る 。 高 性 能 化 は 、 構 造 技 術 と 設 計 技 術 が 合 わ さ っ て で き る も の で あ る が 、 高 速 化 に 関 し て は 構 造 技 術 に よ る 特 性 改 善 は 長 続 き し な い た め 、 構 造 技 術 に 過 度 に 依 存 せ ず 、 極 力 設 計 技 術 で 実 現 す べ き で あ る と 考 え た 。

（ １ ） メ モ リ セ ル 技 術

メ モ リ セ ル の 開 発 に お い て 次 の 結 論 を 得 た 。

１ ） 高 速 S R A M 用 メ モ リ セ ル は 、 駆 動 能 力 の 向 上 の た め 、 ト ラ ン ジ ス タ の デ ィ メ ン ジ ョ ン と 電 流 パ ス の 抵 抗 値 の 設 定 、 G N D 配 線 の 適 切 な 配 置 が 重 要 な 要 素 で あ る 。

２ ） 低 消 費 電 力 S R A M 用 メ モ リ セ ル は 、 低 ス タ ン バ イ 電 流 を 前 提 に 縮 小 化 が 可 能 な T F T 負 荷 型 メ モ リ セ ル を 用 い 、 レ イ ア ウ ト を 工 夫 し て 最 小 サ イ ズ を 実 現 し た 。

（ ２ ） 高 速 化 技 術

C M O S 回 路 で 設 計 的 手 法 に よ る 高 速 化 す る こ と を 追 及 し て 次 の 結 論 を 得 た 。 １ ） 回 路 と し て の メ モ リ セ ル 駆 動 能 力 を 増 強 す る こ と で ビ ッ ト 線 を 長 く し 、 リ ー ド デ ー タ 線 を 短 く し て 低 容 量 化 す る こ と で 出 力 動 作 を 高 速 化 し た 。

２ ） 内 部 同 期 回 路 を 有 効 に 使 用 す る こ と が 、 C M O S 回 路 に お い て 重 要 で あ る 。 ワ ー ド 線 が 立 ち 上 る 前 に イ コ ラ イ ズ を 完 了 さ せ る 回 路 構 成 と し て 高 速 化 を 実 現 し た 。

第 ３ 章 S u p e r S R A M 技 術

微 細 化 に よ り 、 各 種 の 問 題 を 発 生 さ せ て い る S R A M に お い て は 、 技 術 的 に 限 界 が 近 い と 認 識 せ ざ る を 得 な い 。 こ の 状 況 に 対 応 し て 、 新 型 R A M で あ る S u p e r S R A M を 開 発 し た 。 S u p e r S R A M を 理 解 す る に は 、 現 行 の S R A M と D R A M の 把 握 が 不 可 欠 で あ り 、 特 に S R A M の メ モ リ セ ル の 設 計 技 術 の 実 際 と そ の 問 題 点 を 十 分 に 認 識 し て お く 必 要 が あ る 。 こ の た め 、 S u p e r S R A M の 説 明 に 入 る 前 に 、 S R A M を 中 心 と し た 他 R A M の メ モ リ セ ル を 含 む 技 術 課 題 に つ い て 延 べ る 。 他 R A M 技 術 の 説 明 を 十 分 に 行 っ て 、 S u p e r S R A M 技 術 の 説 明 を 行 う 。

（ １ ） R A M 技 術 の 課 題

R A M と 言 え る 素 子 に は 、 S R A M と D R A M の 他 、 現 在 開 発 が 進 め ら れ て い る 様 々 な 新 構 造 の R A M が 存 在 す る 。 こ れ ら の 、 長 所 と 短 所 を 把 握 し 、 何 が 問 題 点 か 、 こ れ ら の 問 題 点 が ど の 様 な 状 況 に あ る か を 吟 味 す る 。 こ の 上 で 、 こ れ ら の R A M が 今 後 、 ど う な る か 、 あ る い は ど う す べ き か を 論 じ る 。 更 に 、 こ の 際 の S R A M の 存 在 の 意 義 に 関 し て 吟 味 し 、 S R A M 開 発 は い か な る 方 向 に 進 む べ き か を 検 討 す る 。

1 ） メ モ リ セ ル サ イ ズ は 、 8 0 - 1 2 0 F ² と S R A M が 圧 倒 的 に 大 き い 。 D R A M は 、 通 常 型 で 8 F ² 、 T w i n タ イ プ で も 1 6 F ² で あ る 。

2 ） 動 作 電 圧 下 限 は 、 S R A M で は メ モ リ セ ル の 、 D R A M で は セ ン ス ア ン プ の ラ ッ チ 特 性 で 決 ま っ て い る 。 現 実 的 改 善 方 法 は 、 T w i n - D R A M の み が 考 え ら れ る 。

3 ） 低 ス タ ン バ イ 電 流 を 実 現 す る た め に は 、 ス タ ン バ イ 時 に 動 作 が 必 要 な D R A M で は 対 応 不 可 能 で あ る た め 、 低 リ ー ク 化 対 策 を 実 施 し た S R A M 系 メ モ リ が 必 須 で あ る 。

（ ２ ） S u p e r S R A M の 開 発

D R A M 技 術 と S R A M 技 術 を 融 合 し た S u p e r S R A M 技 術 を 用 い る こ と で 次 の 点 が 改 善 さ れ 、 S R A M の 問 題 点 が 解 決 で き た こ と を 確 認 し た 。

1 ) 低 電 圧 動 作 T w i n - D R A M 動 作 を 利 用 し て 改 善 し た 。

2 ） ス タ ン バ イ 電 流 ト ッ プ ゲ ー ト の Ｔ Ｆ Ｔ 技 術 と 低 電 圧 化 で 改 善 し た 。

3 ） メ モ リ セ ル サ イ ズ N M O S の み の 最 小 デ ィ メ ン ジ ョ ン の ４ T r . 構 成 で 面 積 縮 小 化 し た 。

第 ４ 章 S u p e r S R A M の ソ フ ト エ ラ ー 耐 量

ソ フ ト エ ラ ー の 発 生 メ カ ニ ズ ム 等 の 一 般 的 な 説 明 を 実 施 し 、 各 R A M の 比 較 と い う 視 点 を 念 頭 に 置 い て ソ フ ト エ ラ ー に つ い て 研 究 し た 。

（ １ ） ソ フ ト エ ラ ー 概 要

S R A M の ソ フ ト エ ラ ー が 極 め て 厳 し い 状 況 で あ る こ と を 示 し た 。 D R A M に お い て は 、 ス タ ッ ク 型 の キ ャ パ シ タ を 用 い る こ と で 改 善 で き て い る 。 考 察 の 結 果 、 次 の 結 論 を 得 た 。 1 ) S R A M の S E R が 高 く な っ た 原 因 は 、 微 細 化 に よ り 、 臨 界 電 荷 量 が 減 少 し 、 少 な い 電 荷 量 が 収 集 さ れ た だ け で も 容 易 に デ ー タ が 破 壊 さ せ る か ら で あ る 。

2 ) D R A M の S E R が 低 く な っ た 要 因 は 、 キ ャ パ シ タ が ス タ ッ ク 型 に な り 、 瞬 時 の 電 荷 収 集 で は 記 憶 ノ ー ド の 電 荷 が 拡 散 層 へ 抜 け な く な っ た か ら で あ る 。

（ ２ ） ソ フ ト エ ラ ー 対 策 と し て の S u p e r S R A M 技 術

S R A M の S E R が 高 い 要 因 が 明 確 と な り 、 D R A M は 高 耐 量 で あ る こ と か ら 、 ソ フ ト エ ラ ー 対 策 と し て 記 憶 ノ ー ド に D R A M キ ャ パ シ タ を 付 け る こ と を 発 案 し た 。 し か し な が ら 、 単 純 に キ ャ パ シ タ を 付 け る だ け で は プ ロ セ ス が 複 雑 と な る だ け で あ り 、 メ モ リ セ ル サ イ ズ の 縮 小 化 は で き な い 。 こ の た め 、 フ リ ッ プ フ ロ ッ プ 動 作 に よ ら ず 、 D R A M 的 動 作 を 導 入 す る こ と で メ モ リ セ ル サ イ ズ の 縮 小 化 を 図 っ た 。 更 に 、 N M O S 構 造 と す る こ と で 、 最 近 問 題 と な っ て き て い る 宇 宙 線 起 因 ラ ッ チ ア ッ プ に は 完 全 な 対 策 と し た 。

新 型 メ モ リ セ ル を 搭 載 し た 1 6 M S u p e r S R A M を 開 発 し 、 検 討 結 果 が 正 し い こ と を α 線 照 射 実 験 、 中 性 子 線 照 射 実 験 、 実 装 試 験 の ３ 種 類 の 方 法 で S E R を 求 め た 結 果 を 示 し 、 そ の 有 効 性 を 証 明 し た 。

第 ５ 章 新 S R A M 動 作 理 論

S u p e r S R A M な る デ バ イ ス が 登 場 す る に 至 っ て は 、 こ の 論 文 の 重 要 性 が 改 め て 認 識 さ れ て き た 。 第 ３ 章 に お け る S u p e r S R A M の 説 明 で は 、 こ の 新 型 メ モ リ セ ル の 動 作 が D R A M 動 作 を 基 本 と し て い る と い う 立 場 で 述 べ た 。 即 ち 、 S t a t i c N o i s e M a r g i n を 持 た な い ラ ッ チ 回 路 を 持 つ S u p e r S R A M は 、 通 常 の 意 味 で の S R A M と は 考 え ら れ な い と い う こ と で あ る 。 し か し な が ら 、 D y n a m i c S t a b i l i t y 理 論 を 適 用 す る こ と で 、 S u p e r S R A M も S R A M の 一 つ の 形 態 と 理 解 で き る 。 D y n a m i c S t a b i l i t y 理 論 と は 、 ビ ッ ト 線 容 量 ( C b ) と メ モ リ セ ル の 記 憶 ノ ー ド 容 量 ( C s ) が 一 定 の 条 件 を 満 た し て い れ ば 、 S N M な し で も デ ー タ 破 壊 を し な い で 読 み だ せ る と い う も の で あ る 。 デ ー タ 破 壊 の 発 生 し な い 条 件 を 求 め る こ と で 、 記 憶 ノ ー ド 容 量 の 必 要 な キ ャ パ シ タ ン ス を 求 め 、 定 量 的 に は 次 の 結 論 を 得 た 。

1 ） C b / C s 比 は 、 ４ ０ 程 度 確 保 す る こ と で 非 破 壊 読 み 出 し が 可 能 と な る 。 2 ） 3 . 2 V の 昇 圧 ワ ー ド 線 は 、 動 作 マ ー ジ ン を 拡 大 す る の に 有 効 で あ る 。

第 ６ 章 内 蔵 S R A M の 高 品 質 化

内 蔵 S R A M に お い て は 、 ロ ジ ッ ク 回 路 と 同 じ プ ロ セ ス で 実 現 で き る で あ る こ と に S R A M を 使 用 す る 意 義 が あ る こ と か ら 、 必 然 的 に C M O S 型 メ モ リ セ ル と な る 。 構 造 的 特 性 改 善 対 策 が 不 可 能 な 内 蔵 S R A M の 特 性 改 善 法 が 存 在 す る か 検 討 し 、 次 の 結 論 を 得 た 。

（ 1 ） C M O S S R A M の ソ フ ト エ ラ ー 対 策

内 蔵 S R A M に お け る ソ フ ト エ ラ ー 対 策 は 、 E C C を 用 い た 対 策 が 基 本 と な る 。 E C C に お い て は 、 演 算 対 象 の カ ラ ム を 2 0 μ m 空 け る こ と で 、 無 視 で き る 程 度 に 出 来 る こ と を 理 論 的 に 示 し 、 中 性 子 線 照 射 実 験 に よ り 確 認 し た 。

（ 2 ） 横 長 型 C M O S S R A M の ラ ッ チ ア ッ プ 対 策 検 討

宇 宙 線 起 因 の ラ ッ チ ア ッ プ は 、 発 生 確 率 は 低 い も の の 、 一 度 発 生 し て し ま う と E C C で も 救 済 不 可 能 で 、 消 費 電 流 が 大 幅 に 増 加 す る の で 、 極 め て 大 き な 問 題 と な る 。 内 蔵 S R A M と し て よ く 使 わ れ る 横 長 型 の メ モ リ セ ル で は 、 対 策 が 難 し い の が 現 実 で あ っ た 。 対 策 と し て 次 の 技 術 を 導 入 し 、 無 視 で き る 程 度 に 出 来 る こ と を 理 論 的 に 示 し 、 中 性 子 線 照 射 実 験 に よ り 確 認 し た 。

1 ) ウ エ ル 電 位 固 定 用 電 源 杭 打 ち の 頻 度 向 上 2 ) N - w e l l 下 部 へ の N 層 注 入 に よ る N - w e l l の 連 結

3 ) メ モ リ セ ル へ の 電 源 配 線 へ の Ｐ チ ャ ネ ル ト ラ ン ジ ス タ を 挿 入

（ 3 ） ス タ ン バ イ 電 流 値 低 減 対 策

微 細 化 の 進 展 で ト ラ ン ジ ス タ の リ ー ク 成 分 は 増 加 す る 一 方 で あ る の で 、 ス タ ン バ イ 電 流 の 低 減 に は 新 た な 技 術 が 求 め ら れ る 。 電 源 遮 断 回 路 と メ モ リ セ ル ア レ ー の G N D 電 位 制 御 を 組 み 合 わ せ る こ と で 対 策 が 可 能 で あ る こ と を 示 し 、 実 デ バ イ ス で 確 認 し た 。

第 ７ 章 結 論

各 章 で 述 べ た S R A M の 高 性 能 化 と 高 品 質 化 に 関 す る 研 究 成 果 を 総 括 す る 。 更 に 、 内 蔵 S R A M に お け る 今 後 の 展 開 を 提 案 す る 。