Adaptation of the Berkeley Short -channel IGFET Model Code Base for Atomistic BTI/RTN Simulation

Abstract

Στις σύγχρονες CMOS τεχνολογίες παρατηρούνται μη επιθυμητά φαινόμενα μεταβλητότητας κατά τη λειτουργία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Τα τελευταία χρόνια, σημαντική έρευνα επικεντρώνεται σε φαινόμενα που επηρεάζουν την αξιόπιστη λειτουργία ενός κυκλώματος. Δύο τέτοιοι μηχανισμοί με επίδραση στην τιμή της τάσης κατωφλίου ενός FET τρανζιστορ είναι οι μηχανισμοί Bias Temperature Instability (BTI) και Random Telegraph Noise (RTN). Αξιόπιστες προσομοιώσεις των μηχανισμών αυτών είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη των κατάλληλων μεθόδων αντιμετώπισης τους.

Ένα πρόσφατο θεωρητικό μοντέλο των BTI/RTN μηχανισμών είναι το atomistic model, το οποίο έχει υλοποιηθεί έως τώρα μόνο σε εμπορικά λογισμικά προσομοίωσης. Στην παρούσα εργασία το μοντέλο αυτό ενσωματώνεται σε μια open source έκδοση του περιβάλλοντος προσομοίωσης SPICE. Το προκύπτον εργαλείο είναι αποδοτικότερο σε σχέση με αντίστοιχες προηγούμενες προσεγγίσεις, τόσο σε επίπεδο υλοποίησης όσο και σε επίπεδο χρήστη. Η ορθότητα του εργαλείου επαληθεύεται σε σύγκριση με ήδη δημοσιευμένα αποτελέσματα.

The aggresive downscaling of CMOS technology intensifies both time-zero and time-dependent device variability. During the last years, extensive research on degradation effects has demonstrated their importance for the reliability of downscaled devices. Two mechanisms with an increasingly adverse impact on threshold voltage Vth variations are Bias Temperature Instability (BTI) and Random Telegraph Noise (RTN). Accurate and user-friendly simulation frameworks are crucial for the development of appropriate mitigation techniques.

During the last years, an atomistic model that incorporates the transient nature of BTI/RTN mechanisms has been presented. However, this approach is only implemented on top of commercial tools that feature reduced flexibility and increased CPU times. The current thesis proposes the adaptation of the BSIM source code, in order to include the atomistic BTI/RTN model. Using an open source SPICE distribution as a concept vehicle, we developed a SPICE simulator that seamlessly integrates BTI and RTN in transient simulations. The resulting implementation is far more elegant than previous attempts, both from the point of the developer (a single code base) and that of the end-user (no wrapper scripts; only four parameters added to the modelcard). The correctness of the implementation presented herein will be verified against already published results.