Nano-scale TG-FinFET: Simulation and Analysis

Transistor has been designed and fabricated in the same way since its invention more than four decades ago enabling exponential shrinking in the channel length. However, hitting fundamental limits imposed the need for introducing disruptive technology to take over. FinFET - 3-D transistor - has been emerged as the first successor to MOSFET to continue the technology scaling roadmap. In this thesis, scaling of nano-meter FinFET has been investigated on both the device and circuit levels. The studies, primarily, consider FinFET in its tri-gate (TG) structure. On the device level, first, the main TCAD models used in simulating electron transport are benchmarked against the most accurate results on the semi-classical level using Monte Carlo techniques. Different models and modifications are investigated in a trial to extend one of the conventional models to the nano-scale simulations. Second, a numerical study for scaling TG-FinFET according to the most recent International Technology Roadmap of Semiconductors is carried out by means of quantum corrected 3-D Monte Carlo simulations in the ballistic and quasi-ballistic regimes, to assess its ultimate performance and scaling behavior for the next generations. Ballisticity ratio (BR) is extracted and discussed over different channel lengths. The electron velocity along the channel is analyzed showing the physical significance of the off-equilibrium transport with scaling the channel length. On the circuit level, first, the impact of FinFET scaling on basic circuit blocks is investigated based on the PTM models. 256-bit (6T) SRAM is evaluated for channel lengths of 20nm down to 7nm showing the scaling trends of basic performance metrics. In addition, the impact of VT variations on the delay, power, and stability is reported considering die-to-die variations. Second, we move to another peer-technology which is 28nm FD-SOI as a comparative study, keeping the SRAM cell as the test block, more advanced study is carried out considering the cell‘s stability and the evolution from dynamic to static metrics

Leakage Power Reduction for Deeply-Scaled FinFET Circuits Operating in Multiple Voltage Regimes Using Fine-Grained Gate- Length Biasing Technique

Abstract-With the aggressive downscaling of the process technologies and importance of battery-powered systems, reducing leakage power consumption has become one of the most crucial design challenges for IC designers. This paper presents a devicecircuit cross-layer framework to utilize fine-grained gate-length biased FinFETs for circuit leakage power reduction in the near-and super-threshold operation regimes. The impacts of Gate-Length Biasing (GLB) on circuit speed and leakage power are first studied using one of the most advanced technology nodes -a 7nm FinFET technology. Then multiple standard cell libraries using different leakage reduction techniques, such as GLB and Dual-VT, are built in multiple operating regimes at this technology node. It is demonstrated that, compared to Dual-VT, GLB is a more suitable technique for the advanced 7nm FinFET technology due to its capability of delivering a finer-grained trade-off between the leakage power and circuit speed, not to mention the lower manufacturing cost. The circuit synthesis results of a variety of ISCAS benchmark circuits using the presented GLB 7nm FinFET cell libraries show up to 70% leakage improvement with zero degradation in circuit speed in the near-and super-threshold regimes, respectively, compared to the standard 7nm FinFET cell library

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

A hierarchical optimization engine for nanoelectronic systems using emerging device and interconnect technologies

A fast and efficient hierarchical optimization engine was developed to benchmark and optimize various emerging device and interconnect technologies and system-level innovations at the early design stage. As the semiconductor industry approaches sub-20nm technology nodes, both devices and interconnects are facing severe physical challenges. Many novel device and interconnect concepts and system integration techniques are proposed in the past decade to reinforce or even replace the conventional Si CMOS technology and Cu interconnects. To efficiently benchmark and optimize these emerging technologies, a validated system-level design methodology is developed based on the compact models from all hierarchies, starting from the bottom material-level, to the device- and interconnect-level, and to the top system-level models. Multiple design parameters across all hierarchies are co-optimized simultaneously to maximize the overall chip throughput instead of just the intrinsic delay or energy dissipation of the device or interconnect itself. This optimization is performed under various constraints such as the power dissipation, maximum temperature, die size area, power delivery noise, and yield. For the device benchmarking, novel graphen PN junction devices and InAs nanowire FETs are investigated for both high-performance and low-power applications. For the interconnect benchmarking, a novel local interconnect structure and hybrid Al-Cu interconnect architecture are proposed, and emerging multi-layer graphene interconnects are also investigated, and compared with the conventional Cu interconnects. For the system-level analyses, the benefits of the systems implemented with 3D integration and heterogeneous integration are analyzed. In addition, the impact of the power delivery noise and process variation for both devices and interconnects are quantified on the overall chip throughput.Ph.D

Near-Threshold Computing: Past, Present, and Future.

Transistor threshold voltages have stagnated in recent years, deviating from constant-voltage scaling theory and directly limiting supply voltage scaling. To overcome the resulting energy and power dissipation barriers, energy efficiency can be improved through aggressive voltage scaling, and there has been increased interest in operating at near-threshold computing (NTC) supply voltages. In this region sizable energy gains are achieved with moderate performance loss, some of which can be regained through parallelism. This thesis first provides a methodical definition of how near to threshold is "near threshold" and continues with an in-depth examination of NTC across past, present, and future CMOS technologies. By systematically defining near-threshold, the trends and tradeoffs are analyzed, lending insight in how best to design and optimize near-threshold systems. NTC works best for technologies that feature good circuit delay scalability, therefore technologies without strong short-channel effects. Early planar technologies (prior to 90nm or so) featured good circuit scalability (8x energy gains), but lacked area in which to add cores for parallelization. Recent planar nodes (32nm – 20nm) feature more area for cores but suffer from poor delay scalability, and so are not well-suited for NTC (4x energy gains). The switch to FinFET CMOS technology allows for a return to strong voltage scalability (8x gain), reversing trends seen in planar technologies, while dark silicon has created an opportunity to add cores for parallelization. Improved FinFET voltage scalability even allows for latency reduction of a single task, as long as the task is sufficiently parallelizable (< 10% serial code). Finally, we will look at a technique for fast voltage boosting, called Shortstop, in which a core's operating voltage is raised in 10s of cycles. Shortstop can be used to quickly respond to single-threaded performance demands of a near-threshold system by leveraging the innate parasitic inductance of a dedicated dirty supply rail, further improving energy efficiency. The technique is demonstrated in a wirebond implementation and is able to boost a core up to 1.8x faster than a header-based approach, while reducing supply droop by 2-7x. An improved flip-chip architecture is also proposed.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113600/1/npfet_1.pd

Neuro-memristive Circuits for Edge Computing: A review

The volume, veracity, variability, and velocity of data produced from the ever-increasing network of sensors connected to Internet pose challenges for power management, scalability, and sustainability of cloud computing infrastructure. Increasing the data processing capability of edge computing devices at lower power requirements can reduce several overheads for cloud computing solutions. This paper provides the review of neuromorphic CMOS-memristive architectures that can be integrated into edge computing devices. We discuss why the neuromorphic architectures are useful for edge devices and show the advantages, drawbacks and open problems in the field of neuro-memristive circuits for edge computing

Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von CMOS-Schaltungen ist derzeit eines der größten Herausforderungen beim Chip- und Schaltungsentwurf. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung erhöht jede neue Generation der Halbleitertechnologie die elektrischen Felder innerhalb der Transistoren. Dieses stärkere elektrische Feld stimuliert die Degradationsphänomene (Alterung der Transistoren, Selbsterhitzung, Rauschen, usw.), was zu einer immer stärkeren Degradation (Verschlechterung) der Transistoren führt. Daher erleiden die Transistoren in jeder neuen Technologiegeneration immer stärkere Verschlechterungen ihrer elektrischen Parameter. Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Schaltung zu wahren, wird es daher unerlässlich, die Auswirkungen der geschwächten Transistoren auf die Schaltung präzise zu bestimmen. Die beiden wichtigsten Auswirkungen der Verschlechterungen sind ein verlangsamtes Schalten, sowie eine erhöhte Leistungsaufnahme der Schaltung. Bleiben diese Auswirkungen unberücksichtigt, kann die verlangsamte Schaltgeschwindigkeit zu Timing-Verletzungen führen (d.h. die Schaltung kann die Berechnung nicht rechtzeitig vor Beginn der nächsten Operation abschließen) und die Funktionalität der Schaltung beeinträchtigen (fehlerhafte Ausgabe, verfälschte Daten, usw.). Um diesen Verschlechterungen der Transistorparameter im Laufe der Zeit Rechnung zu tragen, werden Sicherheitstoleranzen eingeführt. So wird beispielsweise die Taktperiode der Schaltung künstlich verlängert, um ein langsameres Schaltverhalten zu tolerieren und somit Fehler zu vermeiden. Dies geht jedoch auf Kosten der Performanz, da eine längere Taktperiode eine niedrigere Taktfrequenz bedeutet. Die Ermittlung der richtigen Sicherheitstoleranz ist entscheidend. Wird die Sicherheitstoleranz zu klein bestimmt, führt dies in der Schaltung zu Fehlern, eine zu große Toleranz führt zu unnötigen Performanzseinbußen. Derzeit verlässt sich die Industrie bei der Zuverlässigkeitsbestimmung auf den schlimmstmöglichen Fall (maximal gealterter Schaltkreis, maximale Betriebstemperatur bei minimaler Spannung, ungünstigste Fertigung, etc.). Diese Annahme des schlimmsten Falls garantiert, dass der Chip (oder integrierte Schaltung) unter allen auftretenden Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt. Darüber hinaus ermöglicht die Betrachtung des schlimmsten Falles viele Vereinfachungen. Zum Beispiel muss die eigentliche Betriebstemperatur nicht bestimmt werden, sondern es kann einfach die schlimmstmögliche (sehr hohe) Betriebstemperatur angenommen werden. Leider lässt sich diese etablierte Praxis der Berücksichtigung des schlimmsten Falls (experimentell oder simulationsbasiert) nicht mehr aufrechterhalten. Diese Berücksichtigung bedingt solch harsche Betriebsbedingungen (maximale Temperatur, etc.) und Anforderungen (z.B. 25 Jahre Betrieb), dass die Transistoren unter den immer stärkeren elektrischen Felder enorme Verschlechterungen erleiden. Denn durch die Kombination an hoher Temperatur, Spannung und den steigenden elektrischen Feldern bei jeder Generation, nehmen die Degradationphänomene stetig zu. Das bedeutet, dass die unter dem schlimmsten Fall bestimmte Sicherheitstoleranz enorm pessimistisch ist und somit deutlich zu hoch ausfällt. Dieses Maß an Pessimismus führt zu erheblichen Performanzseinbußen, die unnötig und demnach vermeidbar sind. Während beispielsweise militärische Schaltungen 25 Jahre lang unter harschen Bedingungen arbeiten müssen, wird Unterhaltungselektronik bei niedrigeren Temperaturen betrieben und muss ihre Funktionalität nur für die Dauer der zweijährigen Garantie aufrechterhalten. Für letzteres können die Sicherheitstoleranzen also deutlich kleiner ausfallen, um die Performanz deutlich zu erhöhen, die zuvor im Namen der Zuverlässigkeit aufgegeben wurde. Diese Arbeit zielt darauf ab, maßgeschneiderte Sicherheitstoleranzen für die einzelnen Anwendungsszenarien einer Schaltung bereitzustellen. Für fordernde Umgebungen wie Weltraumanwendungen (wo eine Reparatur unmöglich ist) ist weiterhin der schlimmstmögliche Fall relevant. In den meisten Anwendungen, herrschen weniger harsche Betriebssbedingungen (z.B. sorgen Kühlsysteme für niedrigere Temperaturen). Hier können Sicherheitstoleranzen maßgeschneidert und anwendungsspezifisch bestimmt werden, sodass Verschlechterungen exakt toleriert werden können und somit die Zuverlässigkeit zu minimalen Kosten (Performanz, etc.) gewahrt wird. Leider sind die derzeitigen Standardentwurfswerkzeuge für diese anwendungsspezifische Bestimmung der Sicherheitstoleranz nicht gut gerüstet. Diese Arbeit zielt darauf ab, Standardentwurfswerkzeuge in die Lage zu versetzen, diesen Bedarf an Zuverlässigkeitsbestimmungen für beliebige Schaltungen unter beliebigen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck stellen wir unsere Forschungsbeiträge als vier Schritte auf dem Weg zu anwendungsspezifischen Sicherheitstoleranzen vor: Schritt 1 verbessert die Modellierung der Degradationsphänomene (Transistor-Alterung, -Selbsterhitzung, -Rauschen, etc.). Das Ziel von Schritt 1 ist es, ein umfassendes, einheitliches Modell für die Degradationsphänomene zu erstellen. Durch die Verwendung von materialwissenschaftlichen Defektmodellierungen werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Degradationsphänomena modelliert, um ihre Wechselwirkungen zu berücksichtigen (z.B. Phänomen A kann Phänomen B beschleunigen) und ein einheitliches Modell für die simultane Modellierung verschiedener Phänomene zu erzeugen. Weiterhin werden die jüngst entdeckten Phänomene ebenfalls modelliert und berücksichtigt. In Summe, erlaubt dies eine genaue Degradationsmodellierung von Transistoren unter gleichzeitiger Berücksichtigung aller essenziellen Phänomene. Schritt 2 beschleunigt diese Degradationsmodelle von mehreren Minuten pro Transistor (Modelle der Physiker zielen auf Genauigkeit statt Performanz) auf wenige Millisekunden pro Transistor. Die Forschungsbeiträge dieser Dissertation beschleunigen die Modelle um ein Vielfaches, indem sie zuerst die Berechnungen so weit wie möglich vereinfachen (z.B. sind nur die Spitzenwerte der Degradation erforderlich und nicht alle Werte über einem zeitlichen Verlauf) und anschließend die Parallelität heutiger Computerhardware nutzen. Beide Ansätze erhöhen die Auswertungsgeschwindigkeit, ohne die Genauigkeit der Berechnung zu beeinflussen. In Schritt 3 werden diese beschleunigte Degradationsmodelle in die Standardwerkzeuge integriert. Die Standardwerkzeuge berücksichtigen derzeit nur die bestmöglichen, typischen und schlechtestmöglichen Standardzellen (digital) oder Transistoren (analog). Diese drei Typen von Zellen/Transistoren werden von der Foundry (Halbleiterhersteller) aufwendig experimentell bestimmt. Da nur diese drei Typen bestimmt werden, nehmen die Werkzeuge keine Zuverlässigkeitsbestimmung für eine spezifische Anwendung (Temperatur, Spannung, Aktivität) vor. Simulationen mit Degradationsmodellen ermöglichen eine Bestimmung für spezifische Anwendungen, jedoch muss diese Fähigkeit erst integriert werden. Diese Integration ist eines der Beiträge dieser Dissertation. Schritt 4 beschleunigt die Standardwerkzeuge. Digitale Schaltungsentwürfe, die nicht auf Standardzellen basieren, sowie komplexe analoge Schaltungen können derzeit nicht mit analogen Schaltungssimulatoren ausgewertet werden. Ihre Performanz reicht für solch umfangreiche Simulationen nicht aus. Diese Dissertation stellt Techniken vor, um diese Werkzeuge zu beschleunigen und somit diese umfangreichen Schaltungen simulieren zu können. Diese Forschungsbeiträge, die sich jeweils über mehrere Veröffentlichungen erstrecken, ermöglichen es Standardwerkzeugen, die Sicherheitstoleranz für kundenspezifische Anwendungsszenarien zu bestimmen. Für eine gegebene Schaltungslebensdauer, Temperatur, Spannung und Aktivität (Schaltverhalten durch Software-Applikationen) können die Auswirkungen der Transistordegradation ausgewertet werden und somit die erforderliche (weder unter- noch überschätzte) Sicherheitstoleranz bestimmt werden. Diese anwendungsspezifische Sicherheitstoleranz, garantiert die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Schaltung für genau diese Anwendung bei minimalen Performanzeinbußen

Towards Reliability- & Variability-aware Design-Technology Co-optimization in Advanced Nodes: Defect Characterization, Industry-friendly Modelling and ML-assisted Prediction

Reliability- & variability-aware Design Technology co-optimization (RV-DTCO) becomes indispensable with advanced nodes. However, four key issues hinder its practical adoption: the lack of characterization technique that offer both accuracy and efficiency, the lack of defect model with long-term prediction capability, the lack of compact model compatible with most EDA platforms, and the low efficiency in circuit-level prediction to support frequent iterations during co-optimization. Demonstrating with 7nm technology, this work tackles these issues by developing an efficient characterization method for separating defects, introducing a comprehensive test-data-verified defect-centric physical-based model & an industry-friendly OMI-based compact model, and proposing a machine learning-assisted approach to accelerate circuit-level prediction. With these achievements, a RV-DTCO flow is established and demonstrated on 3nm GAA technology to bridge the material level to the circuit level. The work paves ways in boosting adoption of RV-DTCO in both circuit design & process development for ultimate nodes. Index Terms— Design Technology co-optimization (DTCO), FinFET, reliability, variability, Discharging-based multi-pulse technique (DMP), OMI, ST-GN

Subsurface optical microscopy of semiconductor integrated circuits

Thesis (Ph.D.)--Boston UniversityThe semiconductor industry continues to scale integrated circuits (ICs) in accordance with Moore's Law, and is currently developing the processing infrastructure at the 14nm technology node and smaller. In the wake of such rapid progress, a number of challenges have arisen for the optical failure analysis methods to meet the requirements of the advancing process technology. Most notably, complex circuits with shrinking critical dimensions will demand higher resolution signal localization currently beyond the capability of the existing optical techniques. This dissertation aims to develop novel optical systems to address the challenges of non-destructive circuit diagnostics at the 14nm technology node and beyond. Backside imaging through the silicon substrate has become an industry standard due to the dense multi-level metal wiring and the packaging requirements. The solid immersion lens is a plano-convex lens placed on the planar silicon substrate to enhance the subsurface focusing and collection of light in back-side imaging of ICs. The silicon and gallium-arsenide aplanatic solid immersion lenses (aSILs) were investigated in detail for the subsurface laser-scanning, voltage modulation, photon emission and dark-field IC imaging applications. Wave-front sensing and shaping techniques were developed to evaluate and mitigate optical aberrations originating from practical issues. Furthermore, the method of pupil function tailoring was explored for sub-diffraction spatial resolution. Super-resolving annular phase and amplitude pupil masks were developed and experimentally implemented. A record-breaking light confinement of 0.02 λ2 0(λ 0 refers to the free-space wavelength) was demonstrated using the vortex beams. The beam invasiveness is a critical issue in the optical circuit probing as the localized heat due to the absorption of the focused beams may unwittingly interfere with the circuit operation in the course of a measurement. A dual-phase interferometry assisted circuit probing was developed to enhance the signal extraction sensitivity by as much as an order of magnitude. Thus, the power requirement of the probe beam is significantly reduced to avert the consequences of the beam invasiveness. The optical systems and methods developed in this dissertation were successfully demonstrated using a number of modern ICs including devices of 14nm, 22nm, 28nm and 32nm technology nodes