Prosessimonitorilohko komponenttiparametrien mittaamiseen IC-prosessissa

Abstract

Tässä diplomityössä perehdytään IC-valmistusprosessista aiheutuviin prosessivaihteluihin ja toteutetaan prosessimonitorilohko prosessivariaatioiden havainnointiin. Tavoitteena oli saada prosessimonitorilohko mittaamaan komponenttiparametrien muutoksia prosessivariaation suhteen. Tutkittavia parametreja olivat PMOS- ja NMOS-transistorien saturaatiovirta, kynnysjännite ja transkonduktanssi sekä polyvastuksen resistanssi ja sormi- ja hilakondensaattorien kapasitanssi.

Työssä tutustutaan IC-valmistusprosessissa aiheutuvien prosessivaihteluiden syntyyn ja niiden vaikutuksiin MOSFET-transistorien ominaisuuksiin, polyvastuksen resistanssiin ja kondensaattorin kapasitanssiin. Lisäksi tutkitaan näiden havaitsemisen mahdollistavia rengasoskillaattorirakenteita.

Työssä suunniteltiin ja toteutettiin prosessimonitorilohko, joka sisältää useita eri parametreille herkistettyjä rengasoskillaattoreita. Prosessimonitorilohkon tuottaman tuloksen korrelaatiota monitoroitaviin parametreihin varmennettiin Monte Carlo -analyysin avulla. Korrelaatiosimulointi suoritettiin sekä piirikaavion että piirikuvion perusteella. Työlle asetettu korrelointitavoite saavutettiin.

This Master’s Thesis work is a study of IC (Integrated Circuit) process and process variation sources. Also, this work concentrates on the design and implementation of On-Chip Process Monitor for measuring process variations. The goal of this work was to design an On-Chip Process Monitor, the outputs of which correlate with device parameters such as saturation current, threshold voltage and transconductance of PMOS and NMOS transistors. In addition, correlation with the resistance of polyresistors and the capacitance of finger and gate capacitors were targeted.

This work presents how the process variation affects the parameters of MOSFET-transistors, polyresistor’s resistance, and capacitor’s capacitance. The use of ring oscillator is one method to sense process variation. Therefore, the basic functionality of the ring oscillator structures is studied in this work.

The designed On-Chip Process Monitor has several ring oscillator circuits for monitoring measured device parameters. The implemented ring oscillators are based on structures, which are presented in this work. The On-Chip Process Monitor’s correlation with the monitored parameters were verified by the results of statistical Monte Carlo analysis. The Monte Carlo simulations were run for both the schematic and the extracted layout. The defined goal of this work was achieved.