Transient Simulation of Random Telegraph Noise in Ring Oscillators by Using Verilog-AMS

近年の急速なMOSFETの微細化にともない,様々 な信頼性問題が顕在化してきている. トランジスタの 特性ばらつきはとりわけ重大な問題であり,高信頼性 が求められる集積回路において深刻な影響を及ぼす. 特性ばらつきは, 大きく静的な特性ばらつきと動的 な特性変動に分けられる [1]. 静的な特性ばらつきは, 製品の製造時にトランジスタの特性が決まり, チャネ ル部分に不純物をドーピングする際に不純物の数が ばらつく RDF (Random Dopant Fluctuation)など がその要因として挙げられる. 一方で, 動的な特性変 動の一つであるランダムテレグラフノイズ (Random Telegraph Noise: RTN)もスケーリングにともなう 問題として顕著になっている. RTNはMOSFETのゲートに電圧が印加されたと きに,ドレイン電流値が一時的に変動する現象である [2, 3, 4]. RTNの影響はこれまでに, CMOSイメー ジセンサ [5], フラッシュメモリ [6], SRAM[7]といっ た集積回路において深刻な影響を及ぼすことが報告 されている. RTNの影響はゲート面積に反比例する ことが知られているため,ナノメートルプロセスでの 設計ではRTNの影響を正確に予測する手法が必要と なる [8]. RTNはゲート酸化膜に生じた欠陥によるし きい値電圧変動としてモデル化されている [9]. RTN シミュレーションについてはすでに文献 [10], [11]な どで行われているが, これらはいずれも単一の欠陥 のみを取り扱っている. 本稿では, 回路レベルにおける RTN シミュレー ション手法を提案する. 実際のMOSFETには複数 の欠陥がゲート酸化膜に存在するため,複数の欠陥に 対応したモデルを構築した [12]. このモデルは, RTN によるキャリアの捕獲 ·放出による電流値変動がしき い値電圧の変動値によるものと扱っているため, 電圧 源として振る舞う. この電圧源をMOSFETのゲー トに接続することでRTNを擬似的に引き起こすこと ができる. 本稿ではリングオシレータを対象に, RTN による発振周波数の時間的な変動のシミュレーショ ンを行った. 本手法を用いることで, 測定では観測で きないような微小時間におけるRTNや,あるいは長 時間にわたる RTNの影響を検証することが可能に なる. 本稿の構成は以下の通りである. 2節でRTNの物 理的モデルと回路シミュレーションに用いるRTN発 生用のモジュールの動作について説明する. 3節にて シミュレーション結果を示し, 4節で結論とする.