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

Challenges and solutions for large-scale integration of emerging technologies

Title from PDF of title page viewed June 15, 2021Dissertation advisor: Mostafizur RahmanVitaIncludes bibliographical references (pages 67-88)Thesis (Ph.D.)--School of Computing and Engineering and Department of Physics and Astronomy. University of Missouri--Kansas City, 2021The semiconductor revolution so far has been primarily driven by the ability to shrink devices and interconnects proportionally (Moore's law) while achieving incremental benefits. In sub-10nm nodes, device scaling reaches its fundamental limits, and the interconnect bottleneck is dominating power and performance. As the traditional way of CMOS scaling comes to an end, it is essential to find an alternative to continue this progress. However, an alternative technology for general-purpose computing remains elusive; currently pursued research directions face adoption challenges in all aspects from materials, devices to architecture, thermal management, integration, and manufacturing. Crosstalk Computing, a novel emerging computing technique, addresses some of the challenges and proposes a new paradigm for circuit design, scaling, and security. However, like other emerging technologies, Crosstalk Computing also faces challenges like designing large-scale circuits using existing CAD tools, scalability, evaluation and benchmarking of large-scale designs, experimentation through commercial foundry processes to compete/co-exist with CMOS for digital logic implementations. This dissertation addresses these issues by providing a methodology for circuit synthesis customizing the existing EDA tool flow, evaluating and benchmarking against state-of-the-art CMOS for large-scale circuits designed at 7nm from MCNC benchmark suits. This research also presents a study on Crosstalk technology's scalability aspects and shows how the circuits' properties evolve from 180nm to 7nm technology nodes. Some significant results are for primitive Crosstalk gate, designed in 180nm, 65nm, 32nm, and 7nm technology nodes, the average reduction in power is 42.5%, and an average improvement in performance is 34.5% comparing to CMOS for all mentioned nodes. For benchmarking large-scale circuits designed at 7nm, there are 48%, 57%, and 10% improvements against CMOS designs in terms of density, power, and performance, respectively. An experimental demonstration of a proof-of-concept prototype chip for Crosstalk Computing at TSMC 65nm technology is also presented in this dissertation, showing the Crosstalk gates can be realized using the existing manufacturing process. Additionally, the dissertation also provides a fine-grained thermal management approach for emerging technologies like transistor-level 3-D integration (Monolithic 3-D, Skybridge, SN3D), which holds the most promise beyond 2-D CMOS technology. However, such 3-D architectures within small form factors increase hotspots and demand careful consideration of thermal management at all integration levels. This research proposes a new direction for fine-grained thermal management approach for transistor-level 3-D integrated circuits through the insertion of architected heat extraction features that can be part of circuit design, and an integrated methodology for thermal evaluation of 3-D circuits combining different simulation outcomes at advanced nodes, which can be integrated to traditional CAD flow. The results show that the proposed heat extraction features effectively reduce the temperature from a heated location. Thus, the dissertation provides a new perspective to overcome the challenges faced by emerging technologies where the device, circuit, connectivity, heat management, and manufacturing are addressed in an integrated manner.Introduction and motivation -- Cross talk computing overview -- Logic simplification approach for Crosstalk circuit design -- Crostalk computing scalability study: from 180 nm to 7 nm -- Designing large*scale circuits in Crosstalk at 7 nm -- Comparison and benchmarking -- Experimental demonstration of Crosstalk computing -- Thermal management challenges and mitigation techniques for transistor-level- 3D integratio

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

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

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

Charge-based compact model of gate-all-around floating gate nanowire with variable oxide thickness for flash memory cell

Due to high gate electrostatic control and introduction of punch and plug process technology, the gate-all-around (GAA) transistor is very promising in, and apparently has been utilized for, flash memory applications. However, GAA Floating Gate (GAA-FG) memory cell still requires high programming voltage that may be susceptible to cell-to-cell interference. Scaling down the tunnel oxide can reduce the Program/Erase (P/E) voltage but degrades the data retention capability. By using Technology-Computer-Aided-Design (TCAD) tools, the concept of tunnel barrier engineering using Variable Oxide Thickness (VARIOT) of low-k/high-k stack is utilized in compensating the trade-off between P/E operation and retention characteristics. Four high-k dielectrics (Si3N4, Al2O3, HfO2 and ZrO2) that are commonly used in semiconductor process technology are examined with SiO2 as its low-k dielectric. It is found that by using SiO2/Al2O3 as the tunnel layer, both the P/E and retention characteristics of GAA-FG can be compensated. About 30% improvement in memory window than conventional SiO2 is obtained and only 1% of charge-loss is predicted after 10 years of applying gate stress of -3.6V. Compact model of GAA-FG is initiated by developing a continuous explicit core model of GAA transistor (GAA Nanowire MOSFET (GAANWFET) and Juntionless Nanowire Transitor (JNT)). The validity of the theory and compact model is identified based on sophisticated numerical TCAD simulator for under 10% maximum error of surface potential. It is revealed that with the inclusion of partial-depletion conduction, the accuracy of the core model for GAANWFET is improved by more than 50% in the subthreshold region with doping-geometry ratio can be as high as about 0.86. As for JNT, despite the model being accurate for doping-geometry ratio upto 0.6, it is also independent of fitting parameters that may vary under different terminal biases or doping-geometry cases. The compact model of GAA-FG is completed by incorperating Charge Balance Model (CBM) into GAA transistor core model where good agreement is obtained with TCAD simulation and published experimental work. The CBM gives better accuracy than the conventional capacitive coupling approach under subthreshold region with approximately 10% error of floating gate potential. Therefore, the proposed compact model can be used to assist experimental work in extracting experimental data

Nanoscale Nonvolatile Memory Circuit Design using Emerging Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory

Title from PDF of title page, viewed August 25, 2017Thesis advisor: Masud H ChowdhuryVitaIncludes bibliographical references (pages 67-71)Thesis (M.S.)--School of Computing and Engineering. University of Missouri--Kansas City, 2016The spin transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM) is suitable for embedded and second level cache memories in the mobile CPUs. STT-MRAM is a highly potential nonvolatile memory (NVM) technology. There has been a growing demand to improve the efficiency and reliability of the NVM circuits and architectures. we present a modified STT MRAM cell design, where each cell is comprised of one magnetic tunneling junction (MTJ) device and a regular access transistor. We provide analysis of device, circuit and memory architecture level issues of STT-MRAM. The Modified 1M1T STT-MRAM bit cell circuit offers simpler and more area- and power- efficient design compared to the existing STT-MRAM cell design. Some device-circuit co-design issues are investigated to demonstrate ways to reduce delay in MRAM circuits based on MTJ. An 8x8 conventional MRAM array is implemented using the existing 2M2T cell and the Modified 1M1T cell to perform a comparative analysis at the architecture level. The non-volatile nature of the proposed STT-MRAM is verified through SPICE simulation. The circuit implementations and simulations are performed for 45nm technology node. As the transistor scales down it is prone to subthreshold leakage, gate-dielectric leakage, Short channel effect and drain induced barrier lowering. Now alternative of Access transistor is needed. We are using FinFET as access transistor in the STT-MRAM bit cell. FinFET based bit cell is designed to get an advantage of scaling down. Analysis is done and proven that the power consumption, standalone leakage current is less when compared to NMOS based STT-MRAM bit cell. Also determined FinFET based bit cell produces less access time to access the logic value from MTJ. Now, Industry is looking to have computational and storage capability together and that can be achieved through STT-MRAM. Addition to that there is a possibility to reduce power consumption and leakage more. So replacing FinFET technology with Carbon Nano Tube Field Effect Transistor (CNTFET) is required. As the conventional STT-MRAM requires certain current to reverse the magnetization of MTJ and one CNTFET alone cannot produce sufficient current required to store the logic value into MTJ. So new Bit cell is proposed using 3 CNTFET and 1 MTJ, this bit cell is capable of storing 3 logic values at a time that is capable of doing computation and act as AND gate. Also it utilizes less power to be in active region. Sensing of any memory system is one of the main challenge in industry to get better performance with less resources. Conventional Sense Amplifier (SA) used to sense the value from SRAM, DRAM memory system is also used to sense the STT-MRAM memory. But use of conventional SA is prone to some error. Modified Sense Amplifier is designed to overcome the error produced from the conventional SA. It is compared with all the existing SA to get the performance details of the modified SA.Introduction -- Planar NMOS based STT-MRAM bit cell analysis and circuit designing -- Performance improvement using FINFET based STT-MRAM circuit design -- Logic-in-memory using CNT-FET based STT-MRAM bit cell and optimization -- Error free sense amplifier design for STT-MRAM nonvolatile memor

Oxygen-insertion Technology for CMOS Performance Enhancement

Until 2003, the semiconductor industry followed Dennard scaling rules to improve complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistor performance. However, performance gains with further reductions in transistor gate length are limited by physical effects that do not scale commensurately with device dimensions: short-channel effects (SCE) due to gate-leakage-limited gate-oxide thickness scaling, channel mobility degradation due to enhanced vertical electric fields, increased parasitic resistances due to reductions in source/drain (S/D) contact area, and increased variability in transistor performance due to random dopant fluctuation (RDF) effects and gate work function variations (WFV). These emerging scaling issues, together with increased process complexity and cost, pose severe challenges to maintaining the exponential scaling of transistor dimensions. This dissertation discusses the benefits of oxygen-insertion (OI) technology, a CMOS performance booster, for overcoming these challenges. The benefit of OI technology to mitigate the increase in sheet resistance ($R_{sh}$) with decreasing junction depth ($X_J$) for ultra-shallow-junctions (USJs) relevant for deep-sub-micron planar CMOS transistors is assessed through the fabrication of $R_{sh}$ test structures, electrical characterization, and technology computer-aided design (TCAD) simulations. Experimental and secondary ion mass spectroscopy (SIMS) analyses indicate that OI technology can facilitate low-resistivity USJ formation by reducing $R_{sh}$ and $X_J$ due to retarded transient-enhanced-diffusion (TED) effects and enhanced dopant retention during post-implantation thermal annealing. It is also shown that a low-temperature-oxide (LTO) capping can increase $R_{sh}$ unfavorably due to lower dopant activation levels, which can be alleviated by OI technology. This dissertation extends the evaluation of OI technology to advanced FinFET technology, targeting 7/8-nm low power technology node. A bulk-Si FinFET design comprising a super-steep retrograde (SSR) fin channel doping profile achievable with OI technology is studied by three-dimensional (3-D) TCAD simulations. As compared with the conventional bulk-Si (control) FinFET design with a heavily-doped fin channel doping profile, SSR FinFETs can achieve higher $I_{on}/I_{off}$ ratios and reduce the sensitivity of device performance to variations due to the lightly doped fin channel. As compared with the SOI FinFET design, SSR FinFETs can achieve similarly low $V_{DD,min}$ for 6T-SRAM cell yield estimation. Both SSR and SOI design can provide for as much as 100 mV reduction in $V_{DD,min}$ compared with the control FinFET design. Overall, the SSR FinFET design that can be achieved with OI technology is demonstrated to be a cheaper alternative to the SOI FinFET technology for extending CMOS scaling beyond the 10-nm node. Finally, this dissertation investigates the benefits of OI technology for reducing the Schottky barrier height ($\Phi_{Bp}$) of a Pt/Ti/p-type Si metal-semiconductor (M/S) contact, which can be expected to help reduce the specific contact resistivity for a p-type silicon contact. Electrical measurements of back-to-back Schottky diodes, SIMS, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) show that the reduction in $\Phi_{Bp}$ is associated with enhanced Ti 2p and Si 2p core energy level shifts. OI technology is shown to favor low-$\Phi_{Bp}$ Pt monosilicide formation during forming gas anneal (FGA) by suppressing the grain boundary diffusion of Pt atoms into the crystalline Si substrate

5nm 이하 3D Transistors의 Self-Heating 및 전열특성분석 연구

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2021.8. 신형철.In this thesis, Self-Heating Effect (SHE) is investigated using TCAD simulations in various Sub-10-nm node Field Effect Transistor (FET). As the node decreases, logic devices have evolved into 3D MOSFET structures from Fin-FET to Nanosheet-FET. In the case of 3D MOSFET, there are thermal reliability issues due to the following reasons: ⅰ) The power density of the channel is high, ⅱ) The channel structure surrounded by SiO2, ⅲ) The overall low thermal conductivity characteristics due to scaling down. Many papers introduce the analysis and prediction of temperature rise by SHE in the device, but there are no papers presenting the content of mitigation of temperature rise. Therefore, we have studied the methods of decreasing the maximum lattice temperature (TL,max) such as shallow trench isolation (STI) composition engineering in Fin-FET, thermal analysis according to DC/AC/duty cycle in nanowire-FET, and active region ( e.g., gate metal thickness, channel width, channel number etc..) optimization in nanosheet-FET. In addition, lifetime affected by hot carrier injection (HCI) / bias-temperature instability (BTI) is also analyzed according to various thermal relaxation methods presented.이 논문에서는 다양한 Sub-10nm 노드 전계 효과 트랜지스터 (FET)에서 TCAD 시뮬레이션을 사용하여 자체 발열 효과 (SHE)를 조사합니다. 노드가 감소함에 따라 논리 장치는 Fin-FET에서 Nanosheet-FET로 3D MOSFET 구조로 진화했습니다. 3D MOSFET의 경우 ⅰ) 채널의 전력 밀도가 높음, ⅱ) SiO2로 둘러싸인 채널 구조, ⅲ) 축소로 인해 전체적으로 낮은 열전도 특성 등 다음과 같은 이유로 열 신뢰성 문제가 있습니다. 한편, 많은 논문이 device에서 SHE에 의한 온도 상승의 분석 및 예측을 소개하지만 온도 상승 완화의 내용을 제시하는 논문은 거의 없습니다. 따라서 Fin-FET의 STI (Shallow Trench Isolation) 구성 공학, nanowire-FET의 DC / AC / 듀티 사이클에 따른 열 분석, nanosheet-FET에서 소자의 중요영역(예: 게이트 금속 두께, 채널 폭, 채널 번호 등)의 최적화를 통해서 최대 격자 온도 (TL,max)를 낮추는 방법등을 연구했습니다. 또한 더 나아가서 HCI (Hot Carrier Injection) / BTI (Bias-Temperature Instability)의 영향을 받는 수명도 제시된 다양한 열 완화 방법에 따라 분석하여 소자의 제작에 있어 열적 특성과 수명을 좋게 만드는 지표를 제시합니다 .Chapter 1 Introduction 1 1.1. Development of Semconductor structure 1 1.2. Self-Heating Effect issues in semiconductor devices 3 Chapter 2 Thermal-Aware Shallow Trench Isolation Design Optimization for Minimizing Ioff in Various Sub-10-nm 3-D Transistor 7 2.1. Introduction 7 2.2. Device Structure and Simulation Condition 7 2.3. Results and Discussion 12 2.4. Summary 27 Chapter 3 Analysis of Self Heating Effect in DC/AC Mode in Multi-channel GAA-Field Effect Transistor 32 3.1. Introduction 32 3.2. Multi-Channel Nanowire FET and Back End Of Line 33 3.3. Work Flow and Calibration Process 35 3.4. More Detailed Thermal Simulation of Nanowire-FET 37 3.5. Performance Analysis by Number of Channels 38 3.6. DC Characteristic of SHE in Nanowire-FETs 40 3.7. AC Characteristics of SHE in Nanowire-FETs 43 3.8. Summary 51 Chapter 4 Self-Heating and Electrothermal Properties of Advanced Sub-5-nm node Nanoplate FET 56 4.1. Introduction 56 4.2. Device Structure and Simulation Condition 57 4.3. Thermal characteristics by channel number and width 62 4.4. Thermal characteristics by inter layer-metal thickness (TM) 64 4.5. Life Time Prediction 65 4.6. Summary 67 Chapter 5 Study on Self Heating Effect and life time in Vertical-channel Field Effect Transistor 72 5.1. Introduction 72 5.2. Device Structure and Simulation Condition 72 5.3. Temperature and RTH according to channel width(TW) 76 5.4. Thermal properties according to air spacers and air gap 77 5.5. Ion boosting according to Channel numbers 81 5.6. Temperature imbalance of multi-channel VFETs 82 5.7. Mitigation of the channel temperature imbalance 86 5.8. Life time depending on various analysis conditions 88 5.9. Summary 89 Chapter 6 Conclusions 93 Appendix A. A Simple and Accurate Modeling Method of Channel Thermal Noise Using BSIM4 Noise Models 95 A.1. Introduction 95 A.2. Overall Schematic of the RF MOSFET Model 97 A.3. Verification of the DC Characteristics of the RF MOSFET Model 98 A.4. Verification of the MOSFET Model with Measured Y-parameters 100 A.5. Verification of the MOSFET Model with Measured Noise Parameters 101 A.6. Thermal Noise Extraction and Modeling (TNOIMOD = 0) 103 A.7. Verification of the Enhanced Model with Noise Parameters 112 A.8. Holistic Model (TNOIMOD = 1) 114 A.9. Evaluation the validity of the model for drain bias 115 A.10. Conclusion 117 Abstract in Korean 122박