論文の概要: Characterization and Modeling of Self-Heating in Nanometer Bulk-CMOS at Cryogenic Temperatures

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2106.07982v1
• Date: Tue, 15 Jun 2021 08:58:54 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-26 15:30:01.379349
• Title: Characterization and Modeling of Self-Heating in Nanometer Bulk-CMOS at Cryogenic Temperatures
• Title（参考訳）: 極低温におけるナノメータバルクCMOSの自己加熱特性とモデル化
• Authors: P. A. 't Hart (1 and 2) and M. Babaie (1) and A. Vladimirescu (1 and 2 and 3 and 4) and F. Sebastiano (1 and 2) ((1) QuTech Delft University of Technology The Netherlands, (2) Department of Quantum and Computer Engineering Delft University of Technology The Netherlands, (3) ISEP Paris France, (4) UC Berkeley Berkeley CA USA)
• Abstract要約: この研究は、周囲温度300Kから4.2Kまでの40nmバルクCMOS技術の自己加熱研究を示す。 流路内の温度上昇とシリコン基板周辺の温度上昇を測定するためにカスタムテストチップが設計・製造された。 この研究で示された結果とモデリングは、完全な自己加熱型IC設計フローに寄与する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: This work presents a self-heating study of a 40-nm bulk-CMOS technology in the ambient temperature range from 300 K down to 4.2 K. A custom test chip was designed and fabricated for measuring both the temperature rise in the MOSFET channel and in the surrounding silicon substrate, using the gate resistance and silicon diodes as sensors, respectively. Since self-heating depends on factors such as device geometry and power density, the test structure characterized in this work was specifically designed to resemble actual devices used in cryogenic qubit control ICs. Severe self-heating was observed at deep-cryogenic ambient temperatures, resulting in a channel temperature rise exceeding 50 K and having an impact detectable at a distance of up to 30 um from the device. By extracting the thermal resistance from measured data at different temperatures, it was shown that a simple model is able to accurately predict channel temperatures over the full ambient temperature range from deep-cryogenic to room temperature. The results and modeling presented in this work contribute towards the full self-heating-aware IC design-flow required for the reliable design and operation of cryo-CMOS circuits.
• Abstract（参考訳）: 本研究は,40nmバルクcmos技術による周囲温度300kから4.2kの範囲での自己加熱実験である。mosfetチャネルの温度上昇と周辺シリコン基板の温度上昇をそれぞれゲート抵抗とシリコンダイオードをセンサとして測定するためのカスタムテストチップを設計・作製した。 自己加熱はデバイス形状や電力密度などの要因に依存するため、この研究で特徴付けられる試験構造は、極低温量子ビット制御ICで使用される実際のデバイスに特によく似ている。 極低温環境下では過酷な自己加熱が観察され, チャネル温度は50k以上上昇し, 装置から最大30m離れた地点で衝撃が検出された。 異なる温度で測定したデータから熱抵抗を抽出した結果, 深冷媒から室温までの全環境温度範囲において, 簡易なモデルによりチャネル温度を正確に予測できることがわかった。 本研究の結果とモデリングは,低温CMOS回路の信頼性設計と動作に必要な自己加熱型IC設計フローに寄与する。

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