Aging prediction methodology for digital circuits

Dissertação de mest., Engenharia Eléctrica e Electrónica (Tecnologias de Informação e Telecomunicações), Instituto Superior de Engenharia, Univ. do Algarve, 2012Com a constante miniaturização da tecnologia de circuitos integrados CMOS, diversos problemas de fiabilidade e performance estão a tornar-se críticos à medida que a escala continua a ser reduzida. Efeitos a longo prazo, como o NBTI, TDDB, HCI, MS, etc, degradam os parâmetros físicos dos transístores CMOS e com consequências nas propriedades eléctricas dos semicondutores. O fenómeno NBTI é considerado o efeito dominante no processo de degradação por envelhecimento dos CMOS e influencia a operação dos transístores PMOS. Os efeitos degradantes do NBTI são manifestados na degradação da corrente de dreno, nas capacidades, na transcondutância e na tensão limiar de condução (Vth) dos transístores PMOS, mas pode ser representada simplesmente como um incremento no |Vth| ao longo do tempo. Esta degradação é chamada de envelhecimento e estes efeitos cumulativos têm um grande impacto na performance do circuito, especialmente se ocorrerem outras variações paramétricas, como as variações de processo, tensão de alimentação e temperatura. O trabalho apresentado nesta dissertação tem por objectivo desenvolver uma metodologia para prever a degradação na performance dos circuitos digitais CMOS na presença de efeitos de envelhecimento por NBTI. Uma biblioteca genérica SPICE de CMOS foi também definida de forma a usar vários modelos preditivos de tecnologias (PTM). A previsão do envelhecimento é baseada em cálculos das probabilidades dos transístores PMOS terem uma polarização negativa em VGS, na modelação das correspondentes variações em Vth para cada transístor e nas simulações SPICE para medir a degradação na performance. A automatização da metodologia é materializada numa nova ferramenta de software chamada AgingCalc, desenvolvida no âmbito desta tese de mestrado. A metodologia de previsão de envelhecimento proposta é demonstrada através de simulações em circuitos de referência em tecnologias de 130nm a 16nm, usando modelos PTM