Circuit Stability Under Process Variability and Electro-Thermal-Mechanical Coupling

Among the physical limitations which challenge progress in nanoelectronics for aggressively scaled More Moore, Beyond CMOS and advanced More-than-Moore applications, process variability and the interactions between and with electrical, thermal and mechanical effects are getting more and more critical. Effects from various sources of process variations, both systematic and stochastic, influence each other and lead to variations of the electrical, thermal and mechanical behavior of devices, interconnects and circuits. Correlations are of key importance because they drastically affect the percentage of products which meet the specifications. Whereas the comprehensive experimental investigation of these effects is largely impossible, modelling and simulation (TCAD) offers the unique possibility to predefine process variations and trace their effects on subsequent process steps and on devices and circuits fabricated, just by changing the corresponding input data. This important requirement for and capability of simulation is among others highlighted in the International Technology Roadmap for Semiconductors ITRS. A project partner has also demonstrated how correlations can be simulated.

Within SUPERTHEME, the most important weaknesses which limit the use of current TCAD software to study the influence of both systematic and stochastic process variability and its interaction with electro-thermal-mechanical effects will be removed, and the study of correlations will be enabled. The project will efficiently combine the use of commercially available software and leading-edge background results of the consortium with the implementation of the key missing elements and links. It will bridge the current critical gap between variability simulation on process and device/interconnect level, and include the treatment of correlations. The capabilities of the software system will be demonstrated both on advanced analog circuits and on aggressively scaled transistors.

Unter den physikalischen Begrenzungen, welche die weitere Entwicklung in der Nanoelektronik in Frage stellen, gewinnen Prozessschwankungen und die Wechselwirkungen zwischen elektrischen, thermischen und mechanischen Effekten immer mehr an Bedeutung. Auswirkungen von verschiedenen Quellen systematischer und stochastischer Prozessschwankungen beeinflussen sich teilweise gegenseitig und führen zu Schwankungen des elektrischen, thermischen und mechanischen Verhaltens von Bauelementen, Leiterbahnen und Schaltungen. Korrelationen beeinflussen den Anteil der gefertigten Produkte stark, die innerhalb der Spezifikationen liegen, und sind daher von großer Bedeutung. Während die umfassende Untersuchung dieser Effekte mittels Experimenten weitgehend unmöglich ist, eröffnet die Simulation („Technology Computer Aided Design“ TCAD) die einzigartige Möglichkeit, definierte Prozessschwankungen zu betrachten und ihre Auswirkungen auf die folgenden Prozessschritte und die gefertigten Bauelemente und Schaltungen zu untersuchen, indem in der Simulation die entsprechenden Eingabedaten geändert werden. Diese wichtige Anforderung an und Möglichkeit der Simulation wird unter anderem in der „International Technology Roadmap for Semiconductors“ betont, dem weltweit wichtigsten Strategiepapier für Forschung auf dem Gebiet der Nanoelektronik. Einer der Partner im SUPERTHEME Projekt hat bereits demonstriert, wie Korrelationen simuliert werden können.

Im Projekt SUPERTHEME sollen die wichtigsten bisher fehlenden Komponenten implementiert werden, um die Nutzung von TCAD-Simulatoren zur Untersuchung der Auswirkungen von systematischen und stochastischen Prozessschwankungen sowie ihrer Wechselwirkungen mit elektro-thermo-mechanischen Effekten zu ermöglichen. Unter anderem wird die Untersuchung von Korrelationen ermöglicht werden. Im Projekt wird in effizienter Weise die Nutzung verfügbarer kommerzieller Simulatoren sowie fortschrittlicher vorhandener Simulationsprogramme der Partner mit der Implementierung der bisher fehlenden Komponenten und Schnittstellen kombiniert. SUPERTHEME wird die gegenwärtige kritische Lücke zwischen der Simulation von Schwankungen auf der Prozessebene einerseits und der Ebene der Bauelemente und Leiterbahnen andererseits überbrücken. Die durch das Simulationssystem eröffneten Möglichkeiten werden anhand von Anwendungen für fortschrittliche analoge Schaltungen sowie aggressiv skalierte Transistoren demonstriert werden.