3.3. Характеризация библиотек транзисторов, логических элементов и простых функциональных блоков

Вариации параметров полупроводниковых приборов имеют макроскопические и микроскопические составляющие. Макроскопические составляющие связаны с однородностью обработки пластин. Корреляционная длина вариаций – единицы и десятки миллиметров. Микроскопические составляющие связаны со статистической неоднородностью распределения зарядов и атомов в структуре полупроводниковых приборов. Величины микроскопических неоднородностей в первую очередь зависят от размеров структурных областей. Простейшая формула для оценки неоднородностей параметров элементов имеет вид:

, (3.1)

где – дисперсия параметров элементов, имеющих размер W∙L и расположенных на расстоянии P; A_P и S_P – эмпирические коэффициенты.

Производственные участки дают значения коэффициентов A_P и S_P для максимальных токов и пороговых напряжений МОП - транзисторов для каждой партии изделий. Развитие технологии сопровождается снижением макроскопических составляющих и увеличением микроскопических. Для нанометровых технологий микроскопические составляющие вариаций параметров могут превышать макроскопические.

Классическая задача характеризации – это определение параметров моделей транзисторов для типовых (ожидаемых) значений основных выходных параметров (максимальных токов и пороговых напряжений), а также для крайних отклонений в пределах допустимых норм. Эта задача сохраняется и для нанометровых транзисторов, усложняются лишь модели, описывающие их поведение. Однако появляются и новые задачи, которые не требовались для микронных и субмикронных технологий.

Электронная компенсация отклонений в кластере включает динамическую коррекцию напряжения питания, смещения потенциалов изолирующих «карманов», частоты синхронизации. Коррекция выполняется под управлением встроенных средств контроля задержек, утечек и температуры. Модели полупроводниковых приборов должны адекватно описывать их поведение при любых возможных комбинациях режимов работы. Многопараметрическая оптимизация библиотечных элементов потребует больших объемов информации и ресурсов для подготовки. Первая дополнительная задача – это подготовка требований к моделям транзисторов и маршруту характеризации параметров в соответствии с требованиями методологии проектирования нанометровых микросхем.

Разработка топологии нанометровых микросхем ведется в соответствии с правилами DFY – проектирования для повышения выхода годных. В частности, критические блоки и цепи разрабатываются по минимальным проектным нормам, а остальные – по оптимальным. Не существует единых критериев оптимизации, так как они определяются числом элементов в микросхеме и возможностями резервирования. Вторая дополнительная задача характеризации – определение оптимальных проектных норм, обеспечивающих требуемый выход годных для заданной степени интеграции изделий.

Разработка электрических схем ведется в соответствии с правилами DFM – проектирования для возможностей производства. Кластерная структура схемы и электронная компенсация макроскопических вариаций параметров требуют определения корреляционной длины этих параметров. В маршруте проектирования требуется минимальное значение корреляционной длины основных выходных параметров транзисторов: максимальных токов, порогового напряжения, токов утечки, задержки инвертора. Определение допустимых размеров кластера – третья дополнительная задача характеризации.

Четвертая задача – определение значений некомпенсируемых вариаций параметров. Величины некомпенсированных вариаций зависят от возможностей средств электронной компенсации, а также от соотношений размеров кластеров и корреляционной длины основных параметров полупроводниковых приборов. Пока не разработаны методики расчета и прогнозирования некомпенсируемых вариаций. Для их определения требуются измерения тестовых кристаллов.

Основная проблема состоит в отсутствии единой методической базы для этапа характеризации параметров нанометровых транзисторов и логических элементов. Эта задача является первоочередной. Характеризация параметров по универсальной методике – легкоавтоматизируемая рутинная задача.

Следующая цель – создание средств САПР для автоматического расчета параметров базовых элементов на основе результатов измерений типовых тестовых структур по установленным методикам. Очевидно, что установленная цель – это идиллия, нарушаемая опережающим развитием технологии. Однако общее направление развития схемотехники на повышение уровня описания унифицированных решений остается неизменным на протяжении всей истории развития интегральной электроники.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

• совместная унификация схемотехнических и технологических решений является основой методологии проектирования микросхем, обеспечивающей высокую производительность труда разработчиков;

• переход к нанометровым размерам элементов микросхем сопровождается нарушением основных принципов унификации. Многообразие физических структур и технологических маршрутов требует создания полной иерархической базы данных по проектам для каждого производственного участка. Производительность проектных работ значительно снижается;

• новая система унификации схемотехнических решений должна опираться на общие характеристики нанометровых КМОП - структур без связи с конкретным технологическим маршрутом. Унифицированные решения должны охватывать верхние уровни схемотехнического проектирования – системный и функциональный;

• сформулированы общие черты новой схемотехники нанометровых микросхем: сетевая архитектура с одинаковыми размерами модулей; электронная коррекция параметров элементов внутри каждого модуля; асинхронная связь между модулями; возможность масштабирования размеров сети изменением числа модулей; взаимозаменяемость модулей для резервирования;

• свойства нанометровых транзисторных структур требуют новых видов синтеза электронных схем и их верификации. Для этого необходима новая методика характеризации параметров транзисторов и логических элементов, учитывающая статистический характер их распределения;

• необходимо установить единые требования к составу характеризуемых параметров и методикам их определения. На основе этих требований возможно создание средств САПР, значительно повышающих производительность труда.