Введение к работе
Актуальность темы.
Прогресс в развитии технологий производства интегральных схем (ИС) связан с остоянным уменьшением геометрических параметров транзисторов. Проблема овышения надежности схемы становится актуальнее с каждой новой технологией, ричиной этого является появление новых факторов, влияющих на срок службы и ункционирование интегральных схем, а также недостаточный анализ влияния этих ффектов на параметры транзисторов в процессе проектирования ИС. С переходом а производство ИС с глубоко субмикрошюй нормой основным фактором, граничивагощим срок службы схем, стал эффект температурной нестабильности при трицателыюм смещении - NBTI (Negative Bias Temperature ЬЫаЬШ1у)-эффект. При ереходе на передовые технологии с размерами транзисторов 90нм и ниже доля BTI-эффекта в общей деградации временных параметров становится оминирующей.
Пороговое напряжение транзисторов является наиболее значимым параметром,
лияющим на функционирование транзисторов. NBTI-эффект влияет на р-канальные
ЮП-транзисторы и приводит к деградации порогового напряжения (Ул). NBTI-
еградация происходит в течение всего времени, когда на затвор р-транзистора
юдается отрицательное смещение напряжения. В общем случае, NBTI может
приводить к увеличению задержки схемы более чем на 20%, а в ряде случаев к
шрушенщо логики функционирования схемы. NBTI является не только
граничивающпм фактором при длительной работе схемы, но и напрямую оказывает
лияние на процент параметрігческого выхода годных ИС при процессе
ысокотемпературного отжига, а также является прігчиной вариаций пороговых
тапряжений транзисторов. NBTI-эффект сказывается на работоспособности
лементов памяти и смешанных аналого-цифровых схем, в которых ухудшаются
оответственно такие параметры как помехоустойчивость при записи/чтении, время
становки и удержания, полоса пропускания и т.д. Следовательно, учитывать
лияние NBTI на ранних стадиях разработки и анализа интегральных схем
еобходимо для того, чтобы иметь возможность повысить процент выхода годных и
беспечить нужное функционирование будущего кристалла ИС в течение всего срока
службы.
Сегодня все больше внимаїшя уделяется задачам - создания моделей и алгоритмов для учета влияния указанных факторов. В настоящее время в новых версиях промышленных САПР появились средства анализа влияния эффектов деградации на надежность схемы. Однако на сегодняшний день большинство существующих методов предназначено для оценки влияния NBTI-эффекта на пороговое напряжение и быстродействие схем на схемотехническом уровне. При этом современные цифровые схемы состоят из миллионов узлов, и их моделирование на транзисторном уровне может занимать от нескольких дней до нескольких месяцев, а появление новых параметров, которые необходимо учитывать при анализе СБИС, еще более увеличивает объем необходимых расчетов. Известно, что деградация
порогового напряжения зависит от логики работы схемы. Для ее оценки необходик анализ всех возможных входных наборов, что на схемотехническом уровне невозможно из-за чрезмерных временных затрат. Переход на логический уровеш анализа позволит получить оценку «сверху» влияния NBTI-эффекта ш работоспособность схемы, при этом существенно сократит время проектирования надежных ИС. Разработка методов логико-временного анализа быстродействия с учетом эффектов деградации порогового напряжения является в настоящее время задачей, нерешенной на теоретическом и программном уровнях.
Цель работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов логико-временного анализа цифровых КМОП СБИС с учетом эффектов деградации порогового напряжения транзисторов во времени.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи.
-
Разработка методов повышения точности логического анализа для расчета времени нахождения транзистора в стрессовом состоянии.
-
Разработка параметрической модели для анализа эффектов деградации порогового напряжения транзистора во времени на логическом уровне.
-
Разработка методов анализа деградации задержек библиотечных элементов с учетом NBTI-эффекта.
-
Апробация предложенных методов с помощью численных экспериментов.
Методика проведения исследования разработанных моделей, методов и алгоритмов включает использование аппарата теории графов, математического анализа, теории вероятности, теории электрических цепей и дискретной математики.
Научная новизна результатов, представленных в данной диссертационной работе, заключается в следующем.
-
Разработан метод для расчета времени нахождения транзисторов в стрессовом состоянии, обеспечив ающий повышение точности анализа деградации порогового напряжения на логическом уровне за счет распространения длительности проводящего состояния с учетом корреляций сигналов и детального анализа стрессовых путей на транзисторном уровне.
-
Выведены формульные соотношения для анализа деградации порогового напряжения на логическом уровне с учетом формы входных сигналов, отличающиеся от известных в литературе моделей логического уровня анализом переходных процессов и обеспечивающие соответствие с точным схемотехническим анализом.
-
Предложен метод оценки деградации задержки библиотечных элементов вследствие NBTI-эффекта на основе анализа последовательно-параллельной структуры вентиля, учитывающий взаимное влияние транзисторов на общую деградацию задержки, что обеспечивает сведение многомерной задачи анализа
зависимости задержек от пороговых напряжений транзисторов к независимому моделированию деградации отдельно взятых транзисторов.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
1. Методы анализа длительности стрессовых состояний транзисторов,
обеспечивающие анализ корреляций сигналов и стрессовых путей. . Модель изменения порогового напряжения в результате влияния эффектов
деградации на логическом уровне. . Метод оценки деградации задержки библиотечных элементов вследствие NBTI-
эффекта на основе анализа последовательно-параллельной структуры вентиля. . Маршрут статического временного анализа с учетом эффектов деградации
цифровых КМОП-схем.
Практическая значимость работы.
Результаты работы могут найти применение при проектировании широкого
ласса КМОП СБИС на этапах характеризации библиотек стандартных цифровых
ентилей блоков и статического временного анализа.
Разработанные методы и алгоритмы могут быть использованы в качестве
ополнения к существующим маршрутам проектирования с использованием пакетов PrimeTime компании Synopsys, СТЕ Encounter компании Cadence для повышения надежности проектирования цифровых КМОП СБИС с учетом эффектов деградации
ранзисторов.
Работа является составной частью исследований, проводимых в ИППМ РАН по темам «Разработка и исследование методов и моделей для САПР субмикронных СБИС (с проектной нормой 0,1 микрон и ниже)» (шифр «Вега-Ст-2009»), «Разработка методов анализа и оптимизации сложно-функциональных блоков нанометровых КМОП СБИС» (шифр «Вега-Г-2012»), а также в рамках федеральной целевой программы «Развитие электрошюй компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы по теме «Разработка и развитие инновационных методов проектирования библиотечных элементов и сложно-функциональных блоков цифровых и аналого-цифровых СБИС на базе перспективных технологий субмикронного и глубоко субмикронного уровня» (шифр 2007-1.2-ЭКБ-010).
Достоверность результатов, представленных в работе, подтверждается теоретическими выкладками, многочисленными результатами экспериментальной проверки предложенных методов с использованием разработанного на их основе программного обеспечения и успешным промышленным внедрением.
Реализация и внедрение результатов работы.
На основе полученных в диссертационной работе результатов разработан и апробирован маршрут статического временного анализа с учетом эффектов деградации. Проведен ряд численньгх экспериментов. Разработаніще методы и
алгоритмы внедрены на предприятиях ОАО "Ангстрем", ИППМ РАН и включены в учебный процесс МИЭТ для лабораторного практикума.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались па следующих конференциях:
1. XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и
аспирантов «Микроэлектроника и информатика», Москва, Зеленоград, 2007.
2. I Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные
проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем», Москва, Зеленоград, 2007.
3. XIV Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов
«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2008.
-
Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School (MB-JASS), Moscow, 2008.
-
Ill Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем», Москва, 2008.
-
I Окружная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, Москва, Зеленоград, 2009.
-
Международная научно-практическая конференция «Современные
информационные и электронные технологии 2009», Одесса, СИЭТ-2009.
-
II Окружная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, Москва, Зеленоград, 2010.
-
XVII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и
аспирантов «Микроэлектроника и информатика», Москва, Зеленоград, 2010.
10. IV Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки
перспективных микроэлектронных систем», Москва, 2010.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в виде четырнадцати научных трудов, в числе которых семь статей в ведущих рецензируемых научных журналах и сборниках, включенішіх Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации в список изданий, рекомендуемых для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук.
Струсттра и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы из 120 наименований. Основной текст занимает 148 страниц машинописного текста.
