Variabilidade em FinFETs

Abstract

Circuitos integrados VLSI (Very Large Scale Integration) usando nanotecnologia demandam novos materiais, estruturas, metodologias de projeto e ferramentas de CAD para lidar com os problemas decorrentes do processo de fabricação, tais como variabilidade. Alguns tipos de concepção são mais ou menos robustos às variações de processo ou ambientais, quer sistemáticas ou aleatórias. Esta pesquisa avalia os tipos de projeto de circuitos integrados e os aspectos que podem ajudar a melhorar a capacidade de fabricação e desempenho nas futuras gerações de dispositivos. Neste contexto, é fundamental avaliar como será o comportamento da tecnologia FinFET em tecnologias além de 20nm. A tecnologia FinFET é candidata a substituir a tecnologia CMOS planar no processo de fabricação. Obter informações preditivas sobre o comportamento desta tecnologia no projeto de células é importante tanto para projetistas como para desenvolvedores de ferramentas de EDA. Esta tese explora tipos de projeto de células básicas com tecnologia FinFET. São objetivos principais a caracterização do desempenho temporal e potência, tanto dinâmica como estática, assim como a identificação dos principais parâmetros geométricos em tecnologias FinFET cuja variabilidade afete as características elétricas e a avaliação da robustez destas células aos efeitos de variabilidade de processo. A primeira contribuição deste trabalho é a exploração de tipos de projeto possíveis com a tecnologia FinFET, tais como o projeto com FinFET de 4 terminais nos estilos Short-Gate, Independent-Gate e Low-Power. Estas células foram caracterizadas e modeladas de forma a serem inseridas em um fluxo de síntese regular e comparadas com células em tecnologia bulk CMOS. A segunda contribuição deste trabalho é a identificação das principais fontes de variabilidade e a tendência de comportamento em tecnologias FinFET sub-20nm. Até o momento da elaboração deste documento, a pesquisa de estado-da-arte aponta que este foi o primeiro trabalho a investigar em nível elétrico o impacto da variabilidade em parâmetros geométricos e elétricos na potência dinâmica e estática de dispositivos FinFET sub-20nm. Finalmente, a terceira contribuição deste trabalho é quantificar a influência das flutuações da função trabalho do metal de gate em FinFETs nas tecnologias sub-20nm, traçando um panorama preditivo dos efeitos da variabilidade em tecnologias sub-20nm.

Integrated circuits VLSI (Very Large Scale Integration) using nanotechnology require new materials, structures, design methodologies and CAD tools to address the problems caused by the manufacturing process, such as variability. Some design types are more or less robust to process variations or environmental either systematic or random. This research evaluates the types and aspects of integrated circuit designs that can help to improve manufacturing capacity and performance in future generations. In this context, it is essential to assess what will be the behavior of FinFET technology technologies beyond 20nm. The FinFET technology is a candidate to replace the planar CMOS technology in the manufacturing process. To obtain predictive information about the behavior of this technology in cell design is important for both designers and developers of EDA tools. This work explores basic types of cell design with FinFET technology. Main objectives are to characterize timing and power, both dynamic and static, as well as the identification of the main geometrical parameters in FinFET technologies whose variability affects the electrical characteristics and evaluate the robustness of these cells to process variability effects. The first contribution of this work is the exploration of possible project types with FinFET technology, such as FinFET design with 4 terminals in styles Short-Gate, Independent-Gate and Low-Power. These cells were characterized and modeled in order to be inserted into one regular synthesis flow and compared with cells in bulk CMOS technology. The second contribution of this work is to identify the main sources of variability and the pattern of behavior in FinFET technology sub-20nm. By the time of this writing, the state of the art research shows that this is the first study to investigate in electrical level the variability impact of electrical and geometrical parameters in the dynamic and static power of FinFET devices sub-20nm. The third contribution of this work is to quantify the influence of metal gate workfunction fluctuations of FinFETs in sub-20nm technologies, tracing a predictive picture of the effects of variability in sub-20nm technologies.