[发明专利]基于DICE结构的静态随机访问存储器的存储单元

说明书

技术领域

本发明属于集成电路设计与制造技术，涉及静态随机访问存储器，特别是涉及一种基于DICE结构的静态随机访问存储器的存储单元，可应用于军事领域、民用领域以及商用太空领域，尤其适用于高性能高密度抗辐射应用。

背景技术

单粒子翻转是辐射加固的重要参数。一次单粒子翻转或称软错误，是指数据存储位上的一次非破坏性的数据转变。带电粒子(如宇宙射线或捕获质子)射入半导体器件，通过与半导体材料相互作用，很快地损失掉能量。损失的能量使电子从价带跳到导带上去。于是，在导带中有了电子，在价带中留下空穴，形成电子空穴对，引入非平衡载流子。无电场时，非平衡载流子将发生扩散、复合，最后消失。有电场时，非平衡载流子(电子空穴对)将分离被电极收集，形成瞬态电流。瞬态电流会使节点电势变化，引起器件逻辑状态翻转；或者沿着信号传输路径传播，从而干扰电路正常功能。对于CMOS SRAM的存储单元，截止管的漏区反偏PN结的空间电荷区构成器件单粒子翻转灵敏区，其电场足以使电子空穴对分离，并被电极收集。

现在典型的存储单元具有6T结构。如图1所示，6T SRAM单元包括两个相同的交叉连接的反相器，形成锁存电路，即一个反相器的输出连接至另一个反相器的输入。锁存电路连接于电源和地电位之间。每个反相器均分别包括NMOS下拉晶体管N1或N2和PMOS上拉晶体管P1或P2。反相器的输出为两个存储节点Q和QB。当存储节点之一被拉低到低电压时，另一个存储节点被拉到高电压，形成互补对。互补位线对BL和BLB分别经由一对传输门晶体管N3和N4连接至存储节点Q和QB。传输门晶体管N3和N4的栅极连接至字线WL。

假设该存储单元的状态为“1”，即Q为高电压，QB为低电压，P1和N2管导通，N1和P2管截止，N1和P2管漏区的反偏PN结空间电荷区就是器件的单粒子翻转灵敏区。对于N1管，瞬态电流使漏极(即Q存储点)电压降低，耦合到P2和N2的栅极，使N2管截止、P2管导通，N2管漏极(即QB存储点)电压升高，反馈到P1、N1管的栅极，使P1管截止，N1管导通，存储单元状态彻底由“1”变为“0”。也就是说在辐射环境下，6T结构存储单元易发生单粒子翻转。使存储内容受到干扰，该错误的值将保持到该存储单元下一次被改写。

为了解决高能粒子(高能质子、重离子)击中存储节点后，引起存储单元发生的单粒子翻转现象，通常采用工艺加固和电路设计加固两种手段。电路设计加固通常有三种解决方法。方法一是在存储单元的存储节点加电容或电阻延时元件，如图2和图3所示。在带电粒子入射，使N1管漏极电位降到低电压，但P1管仍然导通时，存储单元状态时不稳定的，存在两个过程的竞争。一方面，电源通过P1对N2管的栅电容充电，使N1管漏极电压上升，恢复到初始状态；另一方面，N1管漏极电压降低，耦合到另一个反相器栅极，再反馈回来，使得N1管导通，P1管截止，存储单元状态翻转。通过增加RC延时，瞬态电流使逻辑电路翻转的时间被延迟，进而使得有时间令这个尖峰瞬态电流造成节点电压变化恢复到初始值。这种方法的缺点是芯片上所需的电阻电容值较大，电阻电容面积过大，且写入时间大大增加。方法二是在两个存储节点之间加耦合电容，如图4所示。这种方法的原理是当其中一个节点被高能粒子击中后，产生瞬态电流使得其中一个节点的电压发生跳变，另一个节点的电压受耦合电容的影响也发生同一方向的跳变，从而使存储单元无法发生翻转。这种方法同样受到制造电容的难度和面积限制，以及写入时间的限制。方法三是采用多管单元对存储信息进行冗余保存，如图5所示的12T DICE结构。通过将4个反相器首尾相接，其中存储节点分别与前一级NMOS和后一级的PMOS相连接，使得正反存储数据都被冗余保存，一旦某个存储节点发生单粒子翻转，其连接的节点电压只会影响前一级或者后一级的存储节点，未被影响的那一级对跳变的存储节点的信息进行恢复。该方法的缺点是晶体管个数太多，面积过大。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于DICE结构的静态随机访问存储器的存储单元，不增加明显复杂性，仅增加少量的面积即可保证存储单元受到粒子轰击时不发生状态翻转，保证数据正确。