第二章SRAM工作原理和性能指标

1、第二章SRAM工作原理和性能指标2.1.SRAM基本结构性存储器。SRAM电路结构与操作和一般的RAM类似,输入输出电路和时用控制电路五大部分组成。SRAM即静态随机存储器，大多是由CMOS管组成的挥发性静态存储器。在掉 电后存储器中所存数据就会丢失。顾名思义，随机静态存储器可以对任何地址进 行读写操作，通过锁存器的原理对数据进行保存，在无操作状况下，锁存器处于 稳态，保持数据稳定，不用进行周期性的电荷刷新。SRAM由基本单元构成的阵 列以及外围电路构成，其中阵列的划分和外围电路的优劣对整个SRAM的性能有 很大的影响。静态随机存取存储器（简称为静态存储器或SRAM）是随机存储器 的一种，它由

2、静态挥发性存储单元组成的存储阵列（或考叫内核，core）组成, 其地址译码集成在片内。SRAM速度很快而且不用刷新就能保存数据不丢失。它 以双稳态电路形式存储数据，结构复杂，内部需要使用更多的晶体管构成寄存器 以保存数据。SRAM由于靠连续的供电來维持所存数据的完整性，故属于易挥发 由存储阵列、灵敏放大器、译码器、 存储单元按行和列排列起來就组成TSRAM的阵列结构，行和列分别称为“字线”和“位线”。每个存储单元对应于 一个唯一的地址，或者说行和列的交叉就定义出了地址，而且每一个地址和某一 特定的数据输入输出端口是相连的。一个存储芯片上的阵列（或者白阵列）数目 是由整个存储器的大小、数据输入输

3、出端口数目、存储速度要求、整个芯片的版 图布局和测试要求所决定的。如图2-1所示存储阵列是由存储单元（cell）构成的矩形阵列。每一个单元都 有自己独特的地址，通过外围的译码电路选中用应的单元进行读写操作。译码电 路包括行译码电路和列译码电路，其中行译码电路用來从才行中选中一行，列 译码是从2、中列中选出一列。这样通过行译码列译码的共同作用来从阵列中选 出相应的单元进行读写操作。灵敏放大器和写入电路用來对数据进行读写操作。 在数据读出过程中，由于位线过长使得从单元中读出的信号很弱，需耍用灵敏放 大器来放大信号，加快数据的读出过程。写入电路用来进行数据的输入。控制电2-2路主要用來控制数据的读写

4、以及译码过程。通过相应的控制信号如读使能信号写 使能信号等来控制数据的读写操作。图2-1 SRAM的整体结构图SRAM有很多阵列结构，不同需求的SRAM需要不同的阵列结构。当需要实现 一个N个字，且每字为M位的存储器时，最直接的方法是沿纵向把连续的存储单 元字堆叠起來。如下图所示。2-4输入输出(K位)(a)起接堆叠式阵列结构M;.'ZK=log2N(b)使用详码器的阵列结构输入输出(買位)kAiAk-i1V鸟储敢元存储讥元图2-2 N个字存储器的总体结构在这种结构中，可以通过选择一根字线(s°-s”)來进行读写操作。也就是说， 从So-Sri的字线信号中，有且只能有一条字线

5、信号为高电平。这个方法虽然比较 简单并在很小的存储器中能匸作的很好，但是遇到较大的存储器时就会出现问题。 假设要实现一个IKx8位的存储器，使用2.2(a)的结构就需要1K根选择线，这 对布线与封装都构成难以克服的困难。插入一个谦码器就可以减少选择信号的数 目，如图2-2 (b)所示。通过提供一个二进制编码的地址字AoAw來选择一个存 储字。译码器把这一地址转换成N=2"根选择线，其中每次只有一根起作用。这 一方法把例中1K根外部地址线的数目转变成10根地址线(log2210),从而事实 上消除了布线和封装问题。对于更大容最的存储器，如果使用上述阵列结构，由于它的高度比宽度大太 多倍

6、，把存储单元连接到输入/输出的垂直线会过长，造成在运行时极慢。为了 解决这个问题，不但要在行方向使用译码器，在列方向上也要使用详码电路，地 址字被分成列地址和行地址。行地址可以读写一行的存储单元，而列地址可以从 所选出的行中找出一个所需要的字，如图2-3°这种结构应用于64K到256K范围的存储器。对于更大容最的存储器，这种结构便会出现问题。由于阵列的长度和宽度都太大，导致字线和位线的长度太长, 所以电容和电阻变得过大而出现了严重的速度下降问题。乂因为金属互连导线 RC延迟与长度平方成正比，所以整个存储器的访问时间同阵列宽度和髙度的平 方成正比同时乂因为导线电容增大，使一次读写所消耗

7、的能量也随尺寸增大而增 加。存储单元图2-3阵列结构的存储器组织灵敏放人 j驱动由上面了解到，大容最的存储器由于字线和位线的长度，电容和电阻变得过 大而开始出现严重的速度下降问题。因此，较大的存储器在地址空间上再进一步 增加一个层次，即对存储器进行分割形成层次化的阵列结构。对存储器的分割可 以通过减少一条字线上连接的单元数目或一条位线上连接的单元数冃來实现。通 过分割可以降低存取操作时总的切换电容，从而降低存储器的功耗。比如将存储 器分割成P个小块，每一小块与图2-3相同。如图2-4字的选择基于送入各块的 行地址和列地址。此外还有一个地址成为块地址，负贵在P个块屮选出需要读写 的一块。这样就显

8、著降低了字线的长度，使读写速度较快。而且将存储器适当的分割成儿个子模块有助于把存储器的工作功耗限制在整个存储阵列的有限区域 内，块地址只用来激活被寻址的块，未被寻址的块处于省电模式，只消耗维持数 据所需要的功耗，这样可以节省很多功耗。如图24,阵列被分为4块，在这个 布局下，选择一个字线要经过两个步骤。首先通过块选择信号选择所需要的块, 其次按照所选择的块的字线信号结合位线信号就可以选择所对应的单元。块0块1块p行地址列地址块地址2.1.2.灵敏放大器随着SRAM容量不断的增大，单元尺寸的不断缩小，位线变长，位线电容就 和应增大，数据的读取时间也变的越来越长。为了提高读取的速皮，必须减小数 据

9、关键路径上的延迟时间。减小SRAM的读取时间，一般有两种途径:一种有效方 法是减少位线电容，另一种有效方法是在位线与输出缓冲单元之间加入灵敏放大 器，减小位线电压摆幅，从而减小数据传输延时。所以，灵敏放大器应该具有以下功能：1. 灵敏放大器可以从存储单元读出小信号，转换成逻辑电平0和1,实现数据 的有效读出。2. 由于位线电容是影响存储器速度的主要因素。所以灵敏放大器是提高存储器 访问速度的关键。3. 高增益的灵敏放大器应该可以减小位线上的电床摆幅，可以显著减小功耗和 增加速度。灵敏放大器按照电路类型可以分为差分型和非差分型。其中，差分型灵敏放 大器把小信号的差分输入（即位线电丿卡）放大为大信

10、号输出。它具有很多优点，比 如抗干扰能力强、电压摆幅大、偏置电路简单、线性度高等。差分型灵敏放大器 能辨别出很小的信号差，它的速度相对非差分型来说较快。但是版图面积也相对 较大。非差分型的灵敏放大器多用于非易失性存储器及顺仔存储器。随着集成度 的提高以及性能的优化，非差分型灵敏放大器越來越难以满足系统的耍求。差分 灵敏放大器、非差分灵敏放大器一般都采用电斥匸作模式。在存储器中，位线信号的准确值因芯片的不同而不同，共至在同一芯片的不 同位置也不会相同。1或0信号的绝对值可能会在一个很大的范围内变化。芯片 中会存在多个噪声源，比如电路切换引起电源电圧上的尖峰信号，或者字线和位 线之间的电容串扰等。

11、这些噪声信号的影响有时可能非常严重，特别是当被检测 的信号幅值一般都很小的时候。差分型灵敏放大器的输入端一般与一对位线相连, 但并不表示两根位线必须为其提供一对互补的逻辑信号，通常情况是，一根位线 上为参考电压，另一根就提供与存储单元存储数据相对应的信号。差分放大器在 有效抑制共模噪声和放大信号间真正差别的方面有很大作用。2.1.3.地址译码器电路SRAM的性能有很大部分是通过借助外围电路比如译码器和灵敏放大器来提 咼。因此译码器的设计也很重要。数抓的读出和写入的过程有很大一部分时间花 在译码上，因此它也是SRAM功耗的重要组成部分。可以采取多级译码和字线脉 冲的方法來降低功耗。多级译码的使用

12、可以有效的减少字线的负载，从而降低功 耗。字线脉冲的方法可以减小位线的电压摆幅，也进一步降低功耗。在SRAM中，译码器是由一系列的与非门或者或非门组成。它根据一组给定 的地址去选中相应的单元來进行读写操作。在大容量的存储器中，译码器直接和 存储单元阵列相连，译码器单元的儿何尺寸必须和存储器内核尺寸匹配（节距匹 配）。否则就会造成布线的极大浪费和由此引起的延时和功耗的增加。此外，译 码器电路在SRAM中所占而积仅次于存储阵列。因此，译码器的设计对存储器的 整体面积也有一定影响。利用译码器，我们可以用M个地址來表示2*个存储单 元。所以，译码器在实现随机存取功能同时，还减少了管脚的封装数。因此，在

13、 存储器设计中，译码器的设计也是SRAM设计中的一个重要环节。它对减小SRAM 芯片面积和功耗、提高匸作速度都有很大的影响。SRAM的译码器种类有行译码器和列译码器。它们分别对应存储阵列的行和列。 每一组地址经过译码器，唯一确定一个存储单元。在译码过程中，首先由行译码 器选中一条字线，然后由列译码器选中一个位线，由字线和位线确定唯一要访问 的单元。图2-5译码器电路如图2-5,译码器可以用与非门实现也可以用或非门实现。它的逻辑功能相 当于一个具有2输出n输入的与门功能。实际应用中由于不可能设计具有这么 多输入的与门，所以在实际应用中译码器采用层次式与门结构。2.1.4.控制电路SRAM的读写操

14、作都是由一系列的时序过程按顺丿子來完成的，所以需要用控制 电路來保证其能正确且有效工作。在图2-6所示的SRAM结构框图中，CSB, WEB 和OEB分别称为片选控制端，写控制端和读控制端。在实际应用中，并不由它们 直接來控制读写，而是通过一定的控制电路，使三者经过逻辑组合，再产生儿个岀 OPNI7信号，來分别控制读写操作。对于存储容最比较大的异步SRAM,为了减少功耗 和提高速度都会采用一种“地址转换监控电路(ATD) ”。它能通过监测外部信号的 变化门动产生内部控制信号如SE,控制灵敏放大器的开关信号，从而非常有效 地降低功耗和提高存储速度。存储单元array(NMrrvi)1T1AMAO

15、图2-6 SRAM的结构框图2.2. SRAM工作原理SRAM的存储单元是靠双稳态电路存储信息。如图2-7所示，Ml、M3和M2、 M4分别构成两个交叉耦合的倒相器，M5、M6为存取门管，作为读写操作的单元 选择器件。WL为字线，BL和NBL是一对位线，VDD是电源，GND是地。SRAM的工作状态包括写入、读出和数据保持三种状态。写入状态是指将数据 线上的数据写入到存储位单元的存储节点中；读出状态是指将存储在内部存储节 点上的数据读出到数据输出口；数据保持状态是指在读写状态都不执行时，存储 在存储节点上的数值保持原來状态。7如L字线WL2.2.1. 数据写入向存储单元写入“1”的过程是：（1）

16、当WL字线为低电平,置BL位线为“1”电平，NBL为“0”电平；（2）置WL字线为高电平，此时M5、M6导通：（3）存 储单元的存储节点V2通过M6向NBL放电，达到“0”电半，Ml截止；（4） BL 位线通过M5, VDD通过M3,对存储节点VI充电至“1”电平，M2导通：（5）置 WL字线为低电平，M5、M6管关闭，此时存储单元的结点VI处于“1”电平状态， V2处于“0”电平状态。这样就完成了向存储单元写入“1”的全过程。类似的 方法可向存储单元写入“0”信号。通常SRAM存储单元都做成阵列结构，多个存储单元共用一根字线，在连续 进行写入操作时，如果时序上配合不当，就有可能用前次位线上的

17、数据改写同一 根字线上的其他单元中的数据，进行高速存储器设计尤其要注意这一点。另外, SRAM存储单元中的M0S管合适的宽长比值是保证存储单元能够高速地进行写入 数据操作的关键。2.2.2. 数据读出从存储单元读出“1”的过程是:（1）预充BL和NBL位线到“1”电平，此 时WL字线处于低电半；（2）使WL字线为高电半，M5和M6导通；（3）NBL通过 M6和M2 （单元存“1”时，M2 一直处于导通状态）迅速放电至“0”电平，Ml 仍然截止；（4） VDD通过M3和M5对BL充电，使BL保持在“1”电平，M2仍然 导通；（5）去掉字线WL上的高电平；这样就完成了从存储单元读出“1”的全过 程

18、，而且是非破坏性读出。类似的方法可从单元读出“0”信号。由于单元管的 尺寸很小，而位线通过单元管放电的速度很慢，为了提高读出速度，只要在位线 上建立起一定的电压差就可以了，而不必等到一边位线下降到低电平。通过列译 码器控制的列开关，把选中的单元位线读出的微小信号差送到公共数据线，再通 过公共数据线送到灵敏放大器，把微小的信号差放大为合格的高低电半，最后通 过缓冲器转换成单端信号输出。2.2.3. 数据保持SRAM维持状态：当外界不访问该单元时，字线WL处亍低电平，这时使传输 管M5、M6截止，位线BL、NBL和触发器之间的联系被中断，所以触发器状态不 变，亦即存储的信息处于维持状态。2.3.

19、SRAM的性能指标2.3.1. 存储容量存储容量是半导体存储器存储信息量大小的指标，是指存储器所能容纳二进 制信息的总量。半导体存储器的容量越大，存放程序和数据的能力就越强。一位二进制数为最小单位（bit）, 8位二进制数为一个字节（Byte）,单位用 B表示。容量通常用下式表示：SIZE二存储字数（单元数）X存储字长（每单元的比特数）例如：lMb=lMXlbit=128KX8bits=256KX4bits=lM 位 lMB=lMX8bits=lM 字节2.3.2. 存取速度存储器的存取速度是用存取时间来衡最的，存取时间乂称为访问时间或者读 写时间，它是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历

20、的时间。例如，读出时间是指从CPU向存储器发出有效地址和读取命令开始，直到将 被选单元的内容读出送上数据总线为止所用的时间；写入时间是指从CPU向存储 器发出有效地址和写命令开始，直到信息写入被选中单元为止所用的时间。显然, 存取越短，存取速度越快，存取速度对CPU与存储器的时间配合是至关重要的。 如果存储器的存取速度太慢，与CPU不能匹配，则CPU读取的信息就可能有误。2.3.3. 存储器功耗存储器功耗是指它在正常工作时所消耗的电功率。通常，半导体存储器的功 耗和存取速度有关，存取速度越快，功耗也越大。因此，在保证存取速度前提下， 存储器的功耗越小，存储器件的工作稳定性越好。2.3.4. 可

21、靠性和工作寿命半导体存储器的可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障读写的概率。另 一方面來讲，就是它对周围电磁场、温度和湿度等的抗干扰能力。由于半导体存 储器常采用VLSI I：艺制造，可靠性较高，寿命也较长，半均无故障时间可达数 千小时。通常用平均无故障时间MTBF (mean t ime between fa订ures )來衡最可靠性。 MTBF可以理解为两次故障Z间的平均时间间隔，越长说明存储器的性能越好。2.3.5. 集成度半导体存储器的集成度是指它在一块数平方毫米芯片上能够集成的晶体管 数目，有时也可以用每块芯片上集成的“基本存储电路”个数來表征。2.4.稳定分析2.4.1.稳定性综

22、述嵌入式SRAM是SOC的重要组成部分，其稳定性直接影响SOC的性能。 2-12随着半导体技术的不断进步，MOS器件的尺寸不断缩小，这有利于提高SRAM 性能，减小面积，降低功耗。然而，随着工艺特征尺寸的进一步缩小（尤其进入 65i】m以后），栅长L、栅宽W、氧化层厚度I；*以及掺杂分布等工艺波动性，对 器件带來的影响不容忽视，其中随机掺杂波动（Random Dopant Fluchiation, RDF） 的影响最大，它会严重彫响小几何尺寸晶体管（特别是SRAM单元）的阈值电 压，导致失效率迅速上升。在数字电路中，工艺参数变化会很大程度上导致延时和漏电流变化。工艺参 数变化分为全局参数变化与

23、局部参数变化两种。其中全局参数变化会影响一个 die内部所有的晶体管的参数（如阈值电压），使得所有晶体管的参数同时增大或 减少，但对die内晶体管之间失配影响很小。而局部参数变化指每个die内晶体 管参数变化方向不同，有的增大，有的减小。周部变化乂可分为系统变化和随机 变化。系统变化指一个晶体管参数变化与相邻晶体管有关，随机变化指相邻两个 晶体管的参数变化互不相干。系统变化不会造成柑邻晶体管之间很大差异，而随 机变化会造成相邻晶体管失配。综上所述，作为SOC关键部件的SRAM在先进工艺下更应关注稳定性的研 究。目前，包括Intel, Renesas, MIT等知名IC设计制造公司和科研院已关注

24、 SRAM稳定性的研究。SRAM的稳定性主要包括读稳定性和写稳定性。读稳定性指读操作时存储单元抗干扰的能力。读操作：如图28所示，首先位线BL和BLB被充电到高电半，然后字线WL变为高电半有效。假设反相器 两个节点Q和Q电圧分别为“0”和“1”，Q节点的低电圧在字线电平变高后 开始对BL放电。这个放电过程也会导致Q节点电压升高，在字线关闭之前，如 果电斥高过另外的反相器的翻转电床点(trip point)时，两个反相器就会翻转，Q 节点电压变为“1”，Q节点电压变为“0”，这样原来存储在单元中的内容就遭 到破坏。所以要想提高读稳定性，就是要保证在字线关闭Z前，Q节点最高电床 小丁反相器翻转电压

25、，这两个电压差叫做读裕度(readmargin, RM)。假设由丁随 机掺杂导致MP2的Vt变小，则Q电压被抬地更高，就有可能到达反相器翻转电 圧，使原有数据翻转。业界常用SNM表示读稳定性，SNM越大，抗噪声越强, 单元内部数据越不容易受破坏。写稳定性指外部向存储单元写入新数据的难易程 度。写操作：如图28所示，首先位线BL和ELB被充到高电平，然后新数据写 入，之后字线WL变为高电平有效。假设新数据写入之前Q节点电床为“1”， Q节点电压为“0” o写入的新数据将BLB上的电平拉到“0”，字线有效后， BLB对Q节点放电，使得它的电压逐渐下降，如果在字线关闭之前，Q的电压 低丁反相器的翻转

26、电压，则新的数据写入到存储单元中。假设由丁随机掺杂导致 MN1的Vt变小，则Q点的电压没有低到反相器翻转电压，Q和Q点的电压就还 保留原来的值，新数据写入失败。由此可知，要想提高写稳定性，就要保证在字 线关闭之前，NV1节点放电后的电压远小于反相器翻转电压。这个电压差叫做写 裕度(write margin) o在90纳米之前，SRAM的读写稳定性可通过调节存储单元的尺寸来保证。Belta Ratio是描述读稳定性的参数，定义为驱动管和传输管驱动能力之比，即Ipd / Ipg.工程上习惯用两者的宽长比来衡量，(W/L)mni/(W/L)mn3。这也可以 借助欧姆定律理解，实际上当字线WL有效后，

27、此时BL被充电到高电平，会形 成传输管驱动管的直流通路。而Q就处于传输管和驱动管的交点。由欧姆定律 可知，Q的电压：=VddRpd/ (Rpd+Rpg)o Rpd和Rpg分别为驱动管和传输 管的等效电阻。(W / L)pd / (W / L)pg越大，驱动管比传输管驱动能力越强，则 驱动管的等效电阻越小，七越小。假设Vtrip不变，七减小，读稳定裕度增加， 存储单元中的内容在读过稈中不易被破坏。AlphaRatio是描述写操作难易稈度的 参数，或者说是写稳定裕度，定义为负载管和传输管驱动能力之比，即Ipu / Ipgo 工程上，习惯用两者的宽长比来衡量，(W / L)pu / (W / L)P

28、go当字线WL有效 后,BLB被外部写入的数据拉到低电平，会形成负载管一传输管一BL的直流通 路。而NV1就处于传输管和负载管的交点。由欧姆定律知，NV1的电圧 =VddRpg / (Rpu+Rpg)o Rpu和Rpg分别为负载管和传输管的等效电阻。(W / L)pu / (w / L)Pg越小，负载管比传输管驱动能力越弱，则负载管的等效电阻越 大,%越小。所以，出越小，写稳定裕度增加，外部数据越容易写入到存储单 元。在所有的参数波动來源中，由沟道区随机掺杂弓I起阈值电斥变化对小尺寸晶 体管的失配影响最大，尤其是在面积要求苛刻的SRAM存储单元中更是如此。参 数变化带来的影响与晶体管尺寸有关，

29、为了降低这种不利影响，可以优化晶体管 的长和宽，但是对SRAM而言，任何优化都必须考虑到面积和漏电流，而且SRAM 的组织形式，如列数，行数和冗余列数，都影响到失效概率。因此，采用统计的 方法设计SRAM单.元和架构对降低失效概率和提高纳米技术的良率很重要。SRAM的失效包括读失效、写失效、保持失效、访问吋间失效等。242读失效如图29, VL=“1”，VR=“O”，由于分压关系，R点电圧Vr会升高为Vread, 如果Vread电压高于反相器PLNL的翻转电压Vtriprd,单元内容就翻转。这就是 读失效。如果传输门AXR的驱动能力比驱动门NR强，则Vread电斥就升得很高。 衡量这两个晶体管

30、强弱的参数为B&pw定义：Eg)(2-1)BRnpax值越小，Vread越高，越容易出现读失效。然而这个定义并没有考虑 到阈值改变带來的影响，它会造成单元内晶体管驱动能力波动。假设传输管阈值 电圧升高，驱动管阈值电床减低，Vzd就高于设计值，容易导致读失效。同样， 反相器PLPN的强度也影响它的翻转电JVtriprdo尽管设计时翻转电HiVtriprd不 会低于Vread,工艺参数波动导致驱动管阈值升高，负载管阈值降低，VtHprd就 有可能低于Vread,导致读失效。值得注意的是，不同晶体管驱动强度失配造成 读失效，这种失效是由于局部随机参数变化引起，并非全局参数变化引起。2.4.3

31、.写失效要想写“0”到存有“1”的单元中，节点AXL电压需要通过BL放电到低电 平Ywr, Vwr的值取决于负载管和传输管的分压关系，如果字线WL在高电半有 效时间Twl内，VL电床不能降低到PR-NR的翻转电tf.Vtripwr,就出现写失效。在 设计时，保证大于1,使写时间小于Twl。Rxpup定义：(2-2)然而，工艺参数变化造成晶体管驱动强度变化，有可能增加写时间。例如, 负载管阈值减小，传输管阈值增加，写时间增加，写数据失效。所以静态的 BRiiax-pup并不足以降低写失效概率。而且，增大传输管尺寸，缩小负载管尺寸， 会增加读失效概率。所以必须在读失效和写失效概率之间做优化。同样，

32、造成晶 体管之间的失配是由于die内随机参数变化引起。2.4.4.访问时间失效单元访问时间定义为两根位线BL和BLE发电电床差(AV=0.1VDD)所需时间。 当发电0.1VDD所需时间大于最大可容忍时间IMAX时，灵敏放大器就不能正确 放大信号，从而造成读出错误数据。当传输管和（或）驱动管的阈值电压升高吋, 访问时间就会增加，导致访问时间失效。为了减少访问时间失效，传输管和驱动 管尺寸不能做的太小。这种失效既可以由局部参数变化引起，乂可以由全周参数 变化引起。2.4.5.数据保持失效在standby模式，系统会降低SRAM的电压以减少漏电流，如果电压降低导致 存储数据翻转，就会出现数据保持失

33、效。SRAM电斥降低时，存储“1”的节点 电压会随着降低，如果负载管导通电流不够大，驱动管有漏电流，节点电压降低 加剧。如果电斥低过PR-NR反相器的翻转电丿耒，数据就翻转。所以standby模式 SRAM电压必须足够高，以确保数据保持正常°然而，假如参数变化导致驱动管 NL阈值电压降低，而负载管PL阈值电压升高，与此同时NR阈值升高，PR阈值 降低（这会导致PRNR反相器翻转电床升高），原本正常的standby电斥下，数据也 会丢失。2.4.6.随机掺杂影响及其抵消方案前而已经指出，随着工艺特征尺寸的进一步缩小，栅长L、栅宽W、氧化层 厚度Zx以及掺杂分布等工艺波动对MOS晶体管带

34、來的影响不容忽视，其中随机 掺杂波动（Random Dopant Fluctuation, RDF）的影响最大，它会严重影响小儿 何尺寸晶体管（特别是SRAM单元）的阈值电压,导致失效率的迅速上升。 作为存储器最基本、最重要的部分，常规6管SRAM的失效率会直接影响存储 器乃至芯片的良率。在芯片设计之初忽略这些深近（亚）微米效应会降低芯片的 良率，共至会导致致命的失效。所以在纳米级IC设计中对电路鲁棒性的建模十 分重要。我们针对电路中非常重要同吋对工艺波动容忍性较差的6管SRAM存 储单元访问失效率进行建模。（1）RDF条件卜常规六管存储单元失效模型由公式守5罢可得，可以通过增加器件尺寸减小由

35、RDF引起的阈值电床漂移现象。但是，对于像SRAM之类的 需要严格控制儿何尺寸的逻辑单元而言，此方法具有一定的局限性。Jgnd图210常规八管存储单元2-192-#访问时间是指在位线上产生预定位线电圧差（通常为敏感放大器激活电压）所需的时间。假定Q = “1”，NQ = “0”，则读操作时位线NEL在通过晶体 管MN6和MN2放电的同时通过MP4的近（亚）阈值漏电流（Isiib）充电（I冋）， 而BL通过MN5、MN1及其他连接在BL位线上的单元放电（1吐）。电流1冋、1及由公式（23）表示。N】NBL = <Latf.!N6 一 subMP4 + 工(gAteh!N6(i) + Iju

36、rvbonMN6(D) N1-1(2-3)【BL = 工(IjubMNl(i) + 6ateMN5(i) + IjuxvtionNN5(i)i=lN为位线上连接的单元数。因为I冋1业，位线上产生电压差，当电压差大 到足够激活敏感放大器时，敏感放大器传递并放大位线上的电压差，这样内部信 号就传递到外部总线上。根据定义，访问时间可以由公式（24）表示。(24)其中C.、Crl为位线上电容，包括匹配管的结电容和连线电容。在AVn礼较小时，1如曲6近似为常数，同样当VNBL和小较小时Igate片unction、Isiib为常数，即辰和可表示为时间的线性函数。此次进一步假定：BL-NBL =gatel4

37、N6(i) gateMN5(i)=Tjunctionl4bT6(i) junctioiiMN 5(i)则可推出:TaccessCnblCblminCbJnbl _ Cnbl【blC ANlstMN6 - l;ubMP4 -工 IjubMNia)(2-6)I(kMMN6当N足够大时，上式近似为:2-20=s1=1Taccess1MN6 +ACCESS1MN2碌CESS近似服从正态随机分布，区间内处处''平滑”。考虑到每个晶体管 沟道区的掺杂数和掺杂分布只与自身的儿何尺寸及制作工艺相关，且各晶体管之 间基于RDF的漂移相互独立，即MN6、MN2星于RDF的漂移相互独立。 可以得到ess的期與和标准方差，如公式(28)所示：%CESS°EcCESS 杠2tMN6 十 ；7T U tMN2(28