Compact modelling of multi-gate MOSFETs for analog design

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, οδήγησε στην ανάγκη για μείωση του μήκους της πύλης του τρανζίστορ MOS. Η σμίκρυνση τωνδιαστάσεων των συμβατικών τρανζίστορ τεχνολογίας CMOS αναμένεται να γίνεται ολοένα και πιο δύσκολη εξαιτίας της επίπτωσης των φαινομένων μικρού καναλιού, τα οποία διαδραματίζουν όλο και σημαντικότερο ρόλο στην απόδοση της διάταξης. Τα MOSFET πολλαπλών πυλών (multi-gate MOSFET) παρουσιάζονται να είναι οι πιο ελπιδοφόρες διατάξεις που παρέχουν την δυνατότητα επέκτασης της τεχνολογίας σε διαστάσεις νάνο-κλίμακας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι λόγο του καλύτερου ηλεκτροστατικού ελέγχου του καναλιού τα φαινόμενα μικρού μήκους καναλιού καταστέλλονται. Βασικός στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής είναι η ανάπτυξη συμπαγών μοντέλων στα οποία θα περιέχονται εξισώσεις για το ρεύμα απαγωγού και τις διαχωρητικότητες των τρανζίστορ πολλαπλών πυλών και πιο συγκεκριμένα ενός τρανζίστορ FinFET που υπό ορισμένες συνθήκες μπορεί να αντιμετωπιστεί ως ένα τρανζίστορ διπλής πύλης (double-gate MOSFET). Τα μοντέλα αυτά θα πρέπει να μπορούν να περιγράφουν την συμπεριφορά των διατάξεων αυτών σε όλες τις περιοχές λειτουργίας. Δηλαδή από την ασθενή έως και την ισχυρή αναστροφή, κάτω και πάνω από την τάση κατωφλίου, καθώς και από γραμμική περιοχή έως την περιοχή κορεσμού. Ο τρόπο που τα περιγράφουν θα πρέπει να είναι τέτοιος ώστε να παραμένει υπολογιστικά αποδοτικό και αξιόπιστο κατά την προσομοίωση κυκλωμάτων. Επίσης να καλύπτει όλα τα φαινόμενα που προκύπτουν από την υποκλιμάκωση των δομών αυτών και τις διαφορετικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή. Τέλος θα πρέπει να διατηρεί την απλότητα και την ακρίβεια του. Τέλος, τα μοντέλα αυτά θα πρέπει να είναι κατάλληλα δομημένα έτσι ώστε να μπορούν να εισαχθούν στα σύγχρονα περιβάλλοντα προσομοίωσης, επιτρέποντας τον σχεδιασμό CMOS κυκλωμάτων νάνο-κλίμακας. Στα συμπαγή μοντέλα, που βασίζονται στον υπολογισμό των φορτίων που εμφανίζονται στην διάταξη (charge based compact models), ρόλο κλειδί αποτελεί η σχέση που συνδέει τα φορτία που εμφανίζονται στην διάταξη με το δυναμικό που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες αυτής. Αποτελεί λοιπόν κομβικό σημείο η όσο το δυνατόν πληρέστερη μοντελοποίηση της. Στην παρούσα διατριβή γίνεται μελέτη της συγκεκριμένης σχέσης, κάποιων απλοποιημένων μορφών αυτής και του σφάλματος που εισάγεται στο μοντέλο από τις απλουστευμένες μορφές της. Συνεχίζοντας, στην παρούσα διατριβή μελετάται η εξάρτηση της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των νάνο-τρανζίστορ ως προς τη φυσική σχεδίαση (layout) της διάταξης. Πέρα από τις εξαρτήσεις της διάταξης από τα μεγέθη μήκος, πλάτος (και ύψος διαύλου σε FinFET τρανζίστορ), και αριθμός δακτυλίων (fingers) υπάρχει και σημαντική εξάρτηση ως προς τις αποστάσεις από μονωτικές περιοχές, την ύπαρξη dummy (ψεύδο-τρανζίστορ) κλπ. καθώς και η ανάπτυξη κατάλληλων υποκυκλωμάτων τα οποία θα αντιπροσωπεύσουν στις στατιστικές διακυμάνσεις – τόσο σε επίπεδο τεχνολογίας (process) όσο και σε επίπεδο ταιριάσματος στοιχείο-προς-στοιχείο (device-to-device matching) – συναρτήσει των γεωμετρικών δεδομένων (layout). Τέλος, περιγράφεται και η συμπεριφορά του θορύβου των τρανζίστορ, ιδίως όσων αφορά στο θερμικό θόρυβο. Τελικό αποτέλεσμα της όλης μεταπτυχιακής αυτής διατριβής είναι η παράθεση ενός Verilog-Α κώδικα για την προσομοίωση κυκλωμάτων νάνο-τρανζίστορ πολλαπλών πυλών. Οι παράμετροι του μοντέλου προσαρμόστηκαν σε δεδομένα τύπου TCAD καθώς και σε εργαστηριακές μετρήσεις.