Ανάλυση – πρόβλεψη της μεταβλητότητας τρανζίστορ FinFET νανοκλίμακας:
Creators: name: Καρατσόρη, Θεανώ Αντωνίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Ημιαγωγοί
Νανοηλεκτρονική
Μεταβλητότητα
Transistor
FinFET
TCAD

description: Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε το φαινόμενο της μεταβλητότητας που εισάγεται λόγω της διαδικασίας κατασκευής σε διατάξεις FinFET νανοκλίμακας και συγκεκριμένα σε διατάξεις με ονομαστικές τιμές γεωμετρίας μήκους 24 nm, πλάτους 12 nm, ύψους 20 nm και πάχους οξειδίου 1 nm. Εξάλλου, οι διακυμάνσεις που υπεισέρχονται λόγω διαδικασίας κατασκευής στην CMOS τεχνολογία αποτελούσαν πάντα έναν κρίσιμο παράγοντα στην κατασκευή των ημιαγωγικών διατάξεων. Το φαινόμενο γίνεται εντονότερο σε δομές νανοδιαστάσεων και έτσι παρόλο που τα FinFET χωρις προσμίξεις στο κανάλι αναγνωρίζονται ως οι πλέον κατάλληλες διατάξεις για περαιτέρω μείωση των διαστάσεων εξαιτίας της καλής συμπεριφοράς τους στα φαινόμενα επίδρασης μικρού καναλιού αλλά και στις διακυμάνσεις λόγω των τυχαίων προσμίξεων, ωστόσο εμφανίζουν μεταβλητότητες και μάλιστα, με διαφορετικό τρόπο σε σχέση με τα συμβατικά MOSFET συμπαγούς υποστρώματος. Στην εργασία αυτή προτάθηκε μία σχετικά εύκολη μέθοδος για τον υπολογισμό της μεταβλητότητας. Ως πηγές μεταβλητότητας θεωρήθηκαν οι γεωμετρικές παράμεροι της διάταξης, δηλαδή το μήκος του καναλιού, το πλάτος του fin και το πάχος του οξειδίου, αλλά και το έργο εξόδου του μετάλλου της πύλης. Χρησιμοποιώντας τις αναλυτικές εκφράσεις που προβλέπει το συμπαγές μοντέλο ρεύματος για τις ηλεκτρικές παραμέτρους εξόδου των FinFET και εφαρμόζοντας την θεωρία μετάδοσης σφαλμάτων, υπολογίστηκε η μεταβλητότητα στην τάση κατωφλίου, στο ρεύμα της διάταξης, στο ρεύμα οδήγησης καθώς και στον συντελεστή κλίσης κάτω από την τάση κατωφλίου. Η μέθοδος επιβεβαιώθηκε μέσα από TCAD προσομοιώσεις. Με ανάλυση της μεταβλητότητας στις επιμέρους συνιστώσες από τις οποίες αποτελείται και την θεώρηση ότι κάθε φορά διατηρείται μία πηγή μεταβλητότητας, υπολογίστηκε η συνεισφορά της κάθε πηγής μεταβλητότητας στην συνολική τόσο με χρήση των αναλυτικών εκφράσεων του μοντέλου ρεύματος όσο και μέσω των προσομοιωσεων. Συγκρίνοντας το μοντέλο με τις προσομοιώσεις, τα αποτελέσματα ήταν γενικά, σε πολύ καλή συμφωνία για την συνολική μεταβλητότητα, ενώ για τις μεταβλητότητες στις επιμέρους συνιστώσες παρατηρήθηκε μια νομοτέλεια. Έτσι, μετά την επαλήθευση της διαδικασίας, πραγματοποιήθηκε η αντιστροφή του προβλήματος, κατά την οποία υπολογίστηκαν οι μεταβλητότητες των παραμέτρων «εισοδου», δηλαδή αυτών που αρχικά θεωρήθηκαν ως πηγές. Τέλος, συνδυάζοντας την εξαγωγή παραμέτρων μέσω του μοντέλου ρεύματος, την στατιστική ανάλυση και την εξαγωγή παραμέτρων μέσα από πειραματικά δεδομένα, η διαδικασία εφαρμόστηκε σε πραγματικές διατάξεις FinFET. Συνοπτικά, η επαλήθευση της μεθόδου την καθιστά κατάλληλη για την εξαγωγή της μεταβλητότητας οποιασδήποτε ηλεκτρικής παραμέτρου των FinFET αλλά και του υπολογισμού των πηγών μεταβλητότητας εκμεταλλευόμενοι ηλεκτρικές μετρήσεις πραγματικών διατάξεων.
description: The present study concerns the process technology variations in scaled FinFETs with geometry characteristics: fin length 24 nm, fin width 12 nm, fin height 20 nm and oxide thickness 1 nm. Process variations in CMOS technology has always been a critical aspect of semiconductor fabrication. This phenomenon gets intensified in modern transistor technologies and even though FinFETs are recognized as a promising candidate for further scaling of the devices due to their immunity to short-channel effects (SCEs) and to random dopant fluctuations, they exhibit variations that in addition follow a different behavior in comparison with the conventional bulk MOSFETs. The aim of this study is to propose a relatively easy and quick method for the calculation of variability. As sources of variability were considered the geometrical parameters of the device, these are the channel gate length, the fin width, the gate oxide thickness and except of them the metal gate work function. Using both the analytical expressions that the compact drain current model suggests for the electrical output parameters of the FinFETs and the error propagation formula, the variability of threshold voltage, roll-off voltage, on-current, subthreshold swing and overdrive current were calculated. The method was verified by TCAD simulations. By variability decomposition to its components and taking into account the fact that only a variability source exists at a time, the contribution of every variability source was estimated by the analytical expressions of the model and by TCAD simulations as well. The method was evaluated by comparing the results extracted from the model to the simulation data. Generally, it was proven that there is good agreement between the two, while regarding the total variability and behavior of the components a similar trend was observed. Thus, after the verification of the method, the problem was reversed, in order to calculate the “input” parameters variability that were initially considered as sources. Finally, combining the parameter extraction through the current model, the statistical analysis and the simulation data exploitation, the procedure was applied on experimental FinFET samples data as well. To summarize, the validation success establishes this method as proper for the extraction of any FinFET electrical parameter variability and furthermore for the calculation of the variability sources using electrical measurements of experimental devices.