Modeling and simulation of device variability and reliability at the electrical level

Abstract

O efeito das variações intrínsecas afetando parâmetros elétricos de circuitos fabricados com tecnologia CMOS de escala nanométrica apresenta novos desafios para o yield de circuitos integrados. Este trabalho apresenta modelos para representar variações físicas que afetam transistores projetados em escala sub-micrônica e metodologias computacionalmente eficientes para simular estes dispositivos utilizando ferramentas de Electronic Design Automation (EDA). O trabalho apresenta uma investigação sobre o estado-da-arte de modelos para variabilidade em nível de simulação de transistor. Modelos de variações no processo de fabricação (RDF, LER, etc) e confiabilidade (NBTI, RTS, etc) são investigados e um novo modelo estatístico para a simulação de Random Telegraph Signal (RTS) e Bias Temperature Instability (BTI) para circuitos digitais é proposta. A partir desses modelos de dispositivo, o trabalho propõe modelos eficientes para analisar a propagação desses fenômenos para o nível de circuito através de simulação. As simulações focam no impacto de variabilidade em três diferentes aspectos do projeto de circuitos integrados digitais: caracterização de biblioteca de células, análise de violações de tempo de hold e células SRAM. Monte Carlo é a técnica mais conhecida e mais simples para simular o impacto da variabilidade para o nível elétrico do circuito. Este trabalho emprega Monte Carlo para a análise do skew em redes de distribuição do sinal de relógio e em caracterização de células SRAM considerando RTS. Contudo, simulações Monte Carlo exigem tempo de execução elevado. A fim de acelerar a análise do impacto de variabilidade em biblioteca de células este trabalho apresenta duas alternativas aMonte Carlo: 1) propagação de erros usando aproximação linear de primeira ordem e 2)Metodologia de Superfície de Resposta (RSM). As técnicas são validados usando circuitos de nível comercial, como a rede de clock de um chip comercial utilizando a tecnologia de 90nm e uma biblioteca de células usando um nó tecnológico de 32nm.

In nanometer scale complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) parameter variations pose a challenge for the design of high yield integrated circuits. This work presents models that were developed to represent physical variations affecting Deep- Submicron (DSM) transistors and computationally efficient methodologies for simulating these devices using Electronic Design Automation (EDA) tools. An investigation on the state-of-the-art of computer models and methodologies for simulating transistor variability is performed. Modeling of process variability and aging are investigated and a new statistical model for simulation of Random Telegraph Signal (RTS) in digital circuits is proposed. The work then focuses on methodologies for simulating these models at circuit level. The simulations focus on the impact of variability to three relevant aspects of digital integrated circuits design: library characterization, analysis of hold time violations and Static Random Access Memory (SRAM) cells. Monte Carlo is regarded as the "golden reference" technique to simulate the impact of process variability at the circuit level. This work employs Monte Carlo for the analysis of hold time and SRAM characterization. However Monte Carlo can be extremely time consuming. In order to speed-up variability analysis this work presents linear sensitivity analysis and Response Surface Methodology (RSM) for substitutingMonte Carlo simulations for library characterization. The techniques are validated using production level circuits, such as the clock network of a commercial chip using 90nm technology node and a cell library using a state-of-theart 32nm technology node.