面向14纳米及以下工艺的亚皮秒精度信号片上测量关键技术研究

Signal on nano-scale CMOS chip cannot be measured directly. Aiming at this problem, a novel on-chip measure circuit with sub-picosecond sampling resolution is studied in this project, which combine the real-time sampling method and the equivalent time sampling method to address the impact of control signal and measured signal jitter on the equivalent time sampling circuit. Phase interpolation method and delay-line method are mixed in this study to achieve the generation and transmission of the multi-channel control signals with sub-picosecond resolution. The new sampling circuit can achieve sub-picosecond measurement resolution. It can quickly measure the sub-picosecond resolution waveforms of the nano-scale on-chip signals which are undetectable previously, and it also provides a powerful observation tools for the nano-scale process research. Our research provides a new and effective measure method for nano-scale on-chip high temporal resolution monitoring, which will be very helpful for the development and mature application of new semiconductor technology new process. The solid preliminary study foundation and interdisciplinary advantage of the research team is the guarantee to carry out and accomplish this project successfully.

针对现有的纳米尺度CMOS工艺芯片内信号无法直接测量的问题，本项目拟研究一种新的亚皮秒采样间隔的片上检测电路，通过融合实时采样法和等效时间采样法，研究解决等效时间采样电路中控制信号和被测信号的抖动会对采样电路测量精度产生影响的问题。本研究拟采用相位内插和延时线混合的方法，实现多通道的亚皮秒分辨率控制信号的产生与传输。新的采样电路可实现亚皮秒级的测量精度，可以快速实测到以往的电学测量无法检测到的纳米尺度芯片内信号的亚皮秒分辨率波形，为纳米尺度工艺研究提供一个强有力的观测工具。本研究为纳米尺度高时间分辨率片上检测提供了一种全新、高效的检测方法，将对半导体新工艺的开发与成熟应用起到重要的推动作用。研究团队坚实的前期研究基础和多学科交叉的优势是本课题顺利开展和完成的保障。

高精度对时序参数的物理测量是一个重大的挑战，因为光在0.1皮秒的时间内传输距离仅有30微米。在本项目中，我们提出一种片上皮秒（ps）精度的时序测量系统，通过该系统首次实现对触发器的建立时间和保持时间等时序参数的直接片上测量。本研究论文发表在IET Electronics Letters。. 通过工艺偏差片上检测技术的研究和工艺偏差相关特性的分析，本课题提出一种全新的物理不可克隆散列函数的概念。物理不可克隆散列函数可以根据任意长度的输入激励生成固定长度的输出响应，从而利用有限的资源开销生成无穷多的激励-响应对，使其在实际应用中的安全性得到极大的提高。同时还具有无法复制、难以实现逆向破解等特性，使其在信息安全应用中具备了很强的竞争力。. 基于充放电的电容测量（Charge-based Capacitance Measurement，CBCM）是目前对片上寄生电容进行测量的最精确而有效的方法。基于CBCM方法本课题提出了两种改进型的测量方法。一种是自微分（Self-Differential，SD）CBCM方法，用于单个微分电容，如MOSFET栅电容的精确测量。这种方法有两个优点，一是采用了一种新提出的自微分的测试步骤来消除测量过程中的系统误差，二是可以工作于超高频率（500MHz以上），从而大大减小了随机误差。因此相比于之前的CBCM方法，该方法能提高数十倍的测量精度。另一种是多通道（Multi-Channel，MC）CBCM，用于MOSFET各部分寄生电容的精确提取分离。成功分离提取MOSFET栅源电容、栅漏电容、栅对衬底电容、源对衬底电容、漏对衬底电容等寄生电容，并且可以测量MOSFET各种工作区域的寄生电容，从截止区到放大区到饱和区。测量精度达到亚飞法（小于10-15F）级别，这也是首次有研究工作能以这样的精度做这么广泛的片上电容测量工作。两种CBCM方法都以阵列的形式在GSMC0.18μm工艺上实现，通过对多个不同待测器件的批量测量，我们的测量方法的可靠性可以得到验证。本研究论文发表在IEEE Electron Device Letters。