Nanoscale CMOS Circuits and Physical Design

This book integrates nanotechnology, device manufacturability, advanced circuit design, and related physical implementation to form a set of advanced semiconductor technologies. It explores new developments in devices and processes, provides design considerations, focuses on the interaction between technology and design, and describes the impact of manufacturability design and volatility. Important topics include nano-CMOS process scaling issues and their impact on design; sub-wavelength lithography; physics and theory of operational problems and solutions; manufacturability design and volatility. This book is suitable for integrated circuit designers and professionals in this field. Preface to the original book Preface to the original book Chapter 1 The issues and implications of nanometer CMOS scaling 1 1?1 Design methods in the nanometer CMOS era 1 1?2 Innovations necessary to ensure continued performance improvements 3 1?3 Challenges of sub-100nm scaling and an overview of sub-wavelength lithography 5 1?3?1 Challenges of back-end processes (metallization) 5 1?3?2 Challenges of front-end processes (transistors) 10 1?4 Process control and reliability 13 1?5 Lithography issues and mask data explosion 14 1?6 New types of circuit and physical design engineers 15 1?7 Modeling challenges 16 1?8 The need to change design methods 17 1?9 Summary 19 References 19 Chapter 2 CMOS devices and process technology 22 2?1 Equipment requirements for front-end processes 22 2?1?1 Technical background 22 2?1?2 Gate dielectric scaling 24 2?1?3 Strain engineering 28 2?1?4 Rapid thermal processing technology 30 2?2 Device issues related to front-end processes in CMOS size scaling 36 2?2?1 Challenges of CMOS Scaling 36 2?2?2 Quantum Effect Model 38 2?2?3 Polysilicon Gate Depletion Effect 40 2?2?4 Metal Gate Electrode 42 2?2?5 Gate Direct Tunneling Leakage Current 43 2?2?6 Parasitic Capacitance 45 2?2?7 Reliability Issues of Concern 48 2?3 Back-end Interconnect Technology 50 2?3?1 Interconnect Scaling 51 2?3?2 Copper Interconnect Technology 52 2?3?3 Challenges of Low-k Dielectrics 54 2?3?4 Future Global Interconnect Technology 55 References 56 Chapter 3 Theory and Practice of Subwavelength Lithography 63 3?1 Introduction and Overview of Imaging Theory 63 3?2 Challenges for the 100nm Node 65 3?2?1 k Factor at the 1100nm Node 65 3?2?2 Important Process Variations 67 3?2?3 Impact of Low-k Imaging on Process Sensitivity 70 3?2?4 Impact of Low-k Imaging and Depth of Focus 71 3?2?5 Low-k imaging and exposure tolerance 71 3?2?6 Low-k imaging and its impact on mask error enhancement factors 72 3?2?7 Low-k imaging and its sensitivity to aberrations 73 3?2?8 Low-k imaging and the relationship between CD variation and stripe width 74 3?2?9 Low-k imaging and corner radius 76 3?3 Resolution enhancement techniques: physics 78 3?3?1 Specialized illumination patterns 79 3?3?2 Optical proximity correction (OPC) 80 3?3?3 Sub-resolution auxiliary patterns 86 3?3?4 Alternating phase-shift masks 88 3?4 The impact of physical design style on RET and OPC complexity 91 3?4?1 Specialized illumination conditions 92 3?4?2 Two-dimensional layouts 94 3?4?3 Alternating phase-shift masks 98 3?4?4 Mask costs 101 3?5 Development prospects: future lithography 103 3?5?1 The Road to Development: 157nm Lithography 103 3?5?2 Further Evolution: Immersion Lithography 104 3?5?3 The Big Breakthrough: EUV Lithography 106 3?5?4 Particle Beam Lithography 107 3?5?5 Direct Write Electron Beam Equipment 108 References 111 Chapter 4 Mixed-Signal Circuit Design 115 4?1 Introduction 115 4?2 Design Considerations 115 4?3 Device Modeling 116 4?4 Passive Devices 122 4?5 Design Methodology 125 4?5?1 Process Test Benchmark Circuits 126 4?5?2 Thin Oxide Device Design 126 4?5?3 Thick Oxide Device Design 127 4?6 Low Voltage Technology 129 4?6?1 Current Mirror 129 4?6?2 Input Stage 131 4?6?3 Output Stage 132 4?6?4 Bandgap Benchmark 132 4?7 Design Process 133 4?8 Electrostatic Discharge Protection 135 4?8?1 Considerations for Multiple Power Supplies 136 4?9 Noise Isolation 137 4?9?1 Guard Ring Structure 137 4?9?2 Isolated NMOS Devices 139 4?9?3 Epitaxial Materials and Bulk Silicon 139 4?10 Decoupling 140 4?11 Main Power Lines 144 4?12 Integration Issues 144 4?12?1 Impact of Chip Corners 145 4?12?2 Impact of Adjacent Circuits 145 4?13 Summary 145 References 146 Chapter 5 Electrostatic Discharge Protection Design 149 5?1 Introduction 149 5?2 ESD Standards and Models 149 5?3 ESD Protection Design 150 5?3?1 ESD Protection Schemes 150 5?3?2 ESD Protection Device Turn-On Uniformity 152 5?3?3 ESD Injection and Metal Silicide Barriers 153 5?3?4 ESD Protection Guidelines 154 5?4 Low Capacitance ESD Protection Design for High-Speed ​​I/O 154 5?4?1 ESD Protection for High-Speed ​​I/O or Analog Pins 154 5?4?2 Low Capacitance ESD Protection Design 156 5?4?3 Input Capacitance Calculation 159 5?4?4 ESD Robustness 160 5?4?5 Turn-On Verification 161 5?5 ESD Protection Design for Mixed-Voltage I/O 165 5?5?1 Mixed-Voltage I/O Interface 165 5?5?2 ESD Issues for Mixed-Voltage I/O Interface 165 5?5?3 ESD Protection Devices for Mixed-Voltage I/O Interface 167 5?5?4 ESD Protection Circuit Design for Mixed-Voltage I/O Interface 170 5?5?5 ESD Robustness 172 5?5?6 Turn-On Verification 173 5?6 SCR Devices for ESD Protection 174 5?6?1 Turn-On Mechanism of SCR Devices 175 5?6?2 On-Chip ESD Protection Devices Based on SCRs 176 5?6?3 SCR Latch Engineering 183 5?7 Summary 185 References 186 Chapter 6 Input/Output Design 193 6?1 Introduction 193 6?2 I/O Standards 194 6?3 Signal Transmission 195 6?3?1 Single-Ended Buffers 195 6?3?2 Differential Buffers 196 6?4 ESD Protection 199 6?5 I/O Switching Noise 200 6?6 Matching 203 6?7 Impedance Matching 206 6?8 Preamplification 206 6?9 Equalization 208 6?10 Summary 209 References 210 Chapter 7 DRAM 212 7?1 Introduction 212 7?2 DRAM Basics 212 7?3 Capacitor Scaling 215 7?4 Array Transistor Scaling 217 7?5 Scaling of Sense Amplifiers 220 7?6 Summary 223 References 223 Chapter 8 Signal Integrity Issues for On-Chip Interconnects 225 8?1 Introduction 225 8?1?1 Quality Factor of Interconnects 227 8?2 Interconnect Parameter Extraction 228 8?2?1 Equivalent Circuit Representation of Interconnects 229 8?2?2 RC Extraction 232 8?2?3 Inductance Extraction 235 8?3 Signal Integrity Analysis 239 8?3?1 Interconnect Driver Model 239 8?3?2 RC Interconnect Analysis 241 8?3?3 RLC Interconnect Analysis 244 8?3?4 Timing Analysis Considering Noise Coupling Effects 247 8?4 Signal Integrity Design Techniques 249 8?4?1 Physical Design Techniques 250 8?4?2 Circuit Techniques 254 8?5 Summary 258 References 259 Chapter 9 Ultra-Low Power Circuit Design 263 9?1 Introduction 263 9?2 Low power technology in the design stage 264 9?2?1 Low power technology in the system-level and structure-level design stage 264 9?2?2 Low power technology in the circuit-level design stage 265 9?2?3 Memory technology in the design stage 269 9?3 Low power technology in the operation stage 274 9?3?1 System-level and structure-level low power technology in the operation stage 274 9?3?2 Circuit-level low power technology for the operation stage 277 9?3?3 Memory low power technology for the operation stage 279 9?4 Technological innovation in low power design 283 9?4?1 Novel device technology 283 9?4?2 Assembly technology innovation 284 9?5 Future prospects for ultra-low power design 285 9?5?1 Subthreshold circuit operation 285 9?5?2 Fault-tolerant design 286 9?5?3 Asynchronous design and synchronous design 286 9?5?4 Gate-induced leakage suppression method 286 References 287 Chapter 10 Design for Manufacturability 294 10?1 Introduction 294 10?2 Comparison of Optimal and Suboptimal Layouts 295 10?3 Global Routing DFM 300 10?4 Analog Circuit DFM 301 10?5 I303 10?6 Summary 304 References 304 Chapter 11 Designing for Volatility 305 11?1 Impact of Volatility on Future Designs 305 11?1?1 Parameter Volatility in Circuit Design 305 11?1?2 Impact on Circuit Performance 307 11?2 Strategies to Mitigate the Impact of Volatility 309 11?2?1 Clock Distribution Strategies to Minimize Skew 309 11?2?2 SRAM Technology for Volatility 312 11?2?3 Analog Circuit Strategies for Coping with Volatility 321 11?2?4 Digital Circuit Strategies for Coping with Volatility 329 11?3 Modeling Methods for Nanoscale CMOS Process Corners 335 11?3?1 The Need for Statistical Models 335 11?3?2 Use of Statistical Models 336 11?4 New Features of the BSIM4 Model 340 11?4?1 Halo/packet Injection 340 11?4?2 Gate-Induced Drain Leakage and Gate-Direct Tunneling 341 11?4?3 Modeling Challenges 342 11?4?4 Issues Related to Modeling 343 11?4?5 Model Summary 343 11?5 Summary 343 References 343