Betrouwbaarheids-bewuste simulaties en validatie voor analoge/mixed-signal schakelingen in sub-32nm CMOS

De metaal-oxide-halfgeleider veld-effecttransistor (MOSFET) is vandaag een integraal onderdeel van de elektronische technologie en wordt dagelijks gebruikt door miljarden gebruikers via onder andere personal computers, telefoons en auto’s. Door het veelvuldige gebruik is een onderzoek naar de betrouwbaarheid een cruciaal onderdeel in de ontwikkeling van de MOSFET. Deze betrouwbaarheidsstudie richt zich op de effecten van willekeurige variabiliteit van de MOSFET en de evolutie in tijd. Het Bias Temperature Instability (BTI) degradatie mechanisme en het Random Telegraph Noise (RTN) effect zijn de twee hoofdonderwerpen die in dit proefschrift worden behandeld. Beide worden veroorzaakt door ladingsvangst in de MOSFET, en kunnen resulteren in een tijdsafhankelijke mismatch tussen transistors. De effecten van BTI en RTN op de transistor worden gezamenlijk tijdsafhankelijke mismatch of variabiliteit genoemd, om ze te onderscheiden van de tijd-nul-mismatch, veroorzaakt door het productieproces.

Om de effecten van de tijdsafhankelijke mismatch op transistoren in een geavanceerde 28nm CMOS technologie te onderzoeken, zijn er twee chips ontworpen. De eerste chip is een transistorarray die 54.432 nMOS en pMOS individueel instelbare transistoren bevat van zes verschillende geometrieën. Met deze chip tonen we aan dat transistorarrays zeer effectief zijn om zowel tijdsafhankelijke als tijd-nul-mismatch te karakteriseren met een hoge precisie, meer specifiek 3-sigma. Hoewel dit ontwerp toelaat elke transistor in de matrix
afzonderlijk te meten, blijft de karakterisering van de RTN tijdconstanten een lastige en tijdrovende taak.

De tweede testchip maakt gebruik van on-chip versterkers, filters en digitale blokken die ontworpen zijn rond de transistorarray om zo de extractie en de analyse van deze tijdconstanten te vergemakkelijken. Zelfs als de RTN amplitude verloren gaat door de omzetting in een digitaal signaal, blijven de temporele gegevens bewaard. Deze afweging is gemaakt voor de realisatie van de real-time on-chip meting en analyse van de RTN tijdconstanten.

Omdat een groot deel van dit proefschrift zich richt op het meten van stochastische BTI en RTN effecten gebruik makende van transistorarrays, zijn drie verschillende meetmethoden vergeleken. De eerste methode is de 2-punts Measure-Stress-Measure (2-point MSM) methode, de tweede is de Time-Dependent Defect Spectroscopy (TDDS) methode, en de derde is de fine-step Id-Vg methode. Toegepast op transistorarrays, zien we dat de 2-point MSM-methode de snelste is, terwijl de TDDS-methode de meest nauwkeurige is.

Ten slotte zijn alle verzamelde gegevens gebruikt om de oppervlakteschaling van BTI en RTN te bestuderen, wat belangrijk is voor analoge ontwerpen. Met behulp van de samengestelde Poisson-exponentiële verdeling, die wordt gebruikt om de gemeten gegevens te modelleren, worden methoden voorgesteld die de impact van tijdsafhankelijke mismatch op gesimuleerde analoge ontwerpen inschatten. Twee gevallen zijn gesimuleerd ter validatie: een ringoscillator en een flash analoog/digitaal-omzetter.

Zoals besproken in het proefschrift, kan de impact van de tijdsafhankelijke mismatch op analoge geïntegreerde circuitontwerpen aanzienlijk zijn. Het is daarom belangrijk om de tijdsafhankelijke mismatch in analoge ontwerpen die gebruik maken van geavanceerde CMOS technologie, nauwkeurig te karakteriseren, te modelleren en te voorspellen.