Transistor Degradations in Very Large-Scale-Integrated CMOS Technologies

The historical evolution of hot carrier degradation mechanisms and their physical models are reviewed and an energy-driven hot carrier aging model is verified that can reproduce 62-nm-gate-long hot carrier degradation of transistors through consistent aging-parameter extractions for circuit simulation. A long-term hot carrier-resistant circuit design can be realized via optimal driver strength controls. The central role of the V GS ratio is emphasized during practical case studies on CMOS inverter chains and a dynamic random access memory (DRAM) word-line circuit. Negative bias temperature instability (NBTI) mechanisms are also reviewed and implemented in a hydrogen reaction-diffusion (R-D) framework. The R-D simulation reproduces time-dependent NBTI degradations interpreted into interface trap generation, Δ N it with a proper power-law dependency on time. The experimental evidence of pre-existing hydrogen-induced Si–H bond breakage is also proven by the quantifying R-D simulation. From this analysis, a low-pressure end-of-line (EOL) anneal can reduce the saturation level of NBTI degradation, which is believed to be caused by the outward diffusion of hydrogen from the gate regions and therefore prevents further breakage of Si–H bonds in the silicon-oxide interfaces

Caractérisation, mécanismes et applications mémoire des transistors avancés sur SOI

Ce travail présente les principaux résultats obtenus avec une large gamme de dispositifs SOI avancés, candidats très prometteurs pour les futurs générations de transistors MOSFETs. Leurs propriétés électriques ont été analysées par des mesures systématiques, agrémentées par des modèles analytiques et/ou des simulations numériques. Nous avons également proposé une utilisation originale de dispositifs FinFETs fabriqués sur ONO enterré en fonctionnalisant le ONO à des fins d'application mémoire non volatile, volatile et unifiées. Après une introduction sur l'état de l'art des dispositifs avancés en technologie SOI, le deuxième chapitre a été consacré à la caractérisation détaillée des propriétés de dispositifs SOI planaires ultra- mince (épaisseur en dessous de 7 nm) et multi-grille. Nous avons montré l excellent contrôle électrostatique par la grille dans les transistors très courts ainsi que des effets intéressants de transport et de couplage. Une approche similaire a été utilisée pour étudier et comparer des dispositifs FinFETs à double grille et triple grille. Nous avons démontré que la configuration FinFET double grille améliore le couplage avec la grille arrière, phénomène important pour des applications à tension de seuil multiple. Nous avons proposé des modèles originaux expliquant l'effet de couplage 3D et le comportement de la mobilité dans des TFTs nanocristallin ZnO. Nos résultats ont souligné les similitudes et les différences entre les transistors SOI et à base de ZnO. Des mesures à basse température et de nouvelles méthodes d'extraction ont permis d'établir que la mobilité dans le ZnO et la qualité de l'interface ZnO/SiO2 sont remarquables. Cet état de fait ouvre des perspectives intéressantes pour l'utilisation de ce type de matériaux aux applications innovantes de l'électronique flexible. Dans le troisième chapitre, nous nous sommes concentrés sur le comportement de la mobilité dans les dispositifs SOI planaires et FinFET en effectuant des mesures de magnétorésistance à basse température. Nous avons mis en évidence expérimentalement un comportement de mobilité inhabituel (multi-branche) obtenu lorsque deux ou plusieurs canaux coexistent et interagissent. Un autre résultat original concerne l existence et l interprétation de la magnétorésistance géométrique dans les FinFETs.L'utilisation de FinFETs fabriqués sur ONO enterré en tant que mémoire non volatile flash a été proposée dans le quatrième chapitre. Deux mécanismes d'injection de charge ont été étudiés systématiquement. En plus de la démonstration de la pertinence de ce type mémoire en termes de performances (rétention, marge de détection), nous avons mis en évidence un comportement inattendu : l amélioration de la marge de détection pour des dispositifs à canaux courts. Notre concept innovant de FinFlash sur ONO enterré présente plusieurs avantages: (i) opération double-bit et (ii) séparation de la grille de stockage et de l'interface de lecture augmentant la fiabilité et autorisant une miniaturisation plus poussée que des Finflash conventionnels avec grille ONO.Dans le dernier chapitre, nous avons exploré le concept de mémoire unifiée, en combinant les opérations non volatiles et 1T-DRAM par le biais des FinFETs sur ONO enterré. Comme escompté pour les mémoires dites unifiées, le courant transitoire en mode 1T-DRAM dépend des charges non volatiles stockées dans le ONO. D'autre part, nous avons montré que les charges piégées dans le nitrure ne sont pas perturbées par les opérations de programmation et lecture de la 1T-DRAM. Les performances de cette mémoire unifiée multi-bits sont prometteuses et pourront être considérablement améliorées par optimisation technologique de ce dispositif.The evolution of electronic systems and portable devices requires innovation in both circuit design and transistor architecture. During last fifty years, the main issue in MOS transistor has been the gate length scaling down. The reduction of power consumption together with the co-integration of different functions is a more recent avenue. In bulk-Si planar technology, device shrinking seems to arrive at the end due to the multiplication of parasitic effects. The relay has been taken by novel SOI-like device architectures. In this perspective, this manuscript presents the main achievements of our work obtained with a variety of advanced fully depleted SOI MOSFETs, which are very promising candidates for next generation MOSFETs. Their electrical properties have been analyzed by systematic measurements and clarified by analytical models and/or simulations. Ultimately, appropriate applications have been proposed based on their beneficial features.In the first chapter, we briefly addressed the short-channel effects and the diverse technologies to improve device performance. The second chapter was dedicated to the detailed characterization and interesting properties of SOI devices. We have demonstrated excellent gate control and high performance in ultra-thin FD SOI MOSFET. The SCEs are efficiently suppressed by decreasing the body thickness below 7 nm. We have investigated the transport and electrostatic properties as well as the coupling mechanisms. The strong impact of body thickness and temperature range has been outlined. A similar approach was used to investigate and compare vertical double-gate and triple-gate FinFETs. DG FinFETs show enhanced coupling to back-gate bias which is applicable and suitable for dynamic threshold voltage tuning. We have proposed original models explaining the 3D coupling effect in FinFETs and the mobility behavior in ZnO TFTs. Our results pointed on the similarities and differences in SOI and ZnO transistors. According to our low-temperature measurements and new promoted extraction methods, the mobility in ZnO and the quality of ZnO/SiO2 interface are respectable, enabling innovating applications in flexible, transparent and power electronics. In the third chapter, we focused on the mobility behavior in planar SOI and FinFET devices by performing low-temperature magnetoresistance measurements. Unusual mobility curve with multi-branch aspect were obtained when two or more channels coexist and interplay. Another original result in the existence of the geometrical magnetoresistance in triple-gate and even double-gate FinFETs.The operation of a flash memory in FinFETs with ONO buried layer was explored in the forth chapter. Two charge injection mechanisms were proposed and systematically investigated. We have discussed the role of device geometry and temperature. Our novel ONO FinFlash concept has several distinct advantages: double-bit operation, separation of storage medium and reading interface, reliability and scalability. In the final chapter, we explored the avenue of unified memory, by combining nonvolatile and 1T-DRAM operations in a single transistor. The key result is that the transient current, relevant for 1T-DRAM operation, depends on the nonvolatile charges stored in the nitride buried layer. On the other hand, the trapped charges are not disturbed by the 1T-DRAM operation. Our experimental data offers the proof-of-concept for such advanced memory. The performance of the unified/multi-bit memory is already decent but will greatly improve in the coming years by processing dedicated devices.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Cross-Layer Resiliency Modeling and Optimization: A Device to Circuit Approach

The never ending demand for higher performance and lower power consumption pushes the VLSI industry to further scale the technology down. However, further downscaling of technology at nano-scale leads to major challenges. Reduced reliability is one of them, arising from multiple sources e.g. runtime variations, process variation, and transient errors. The objective of this thesis is to tackle unreliability with a cross layer approach from device up to circuit level

Multiple-Independent-Gate Field-Effect Transistors for High Computational Density and Low Power Consumption

Transistors are the fundamental elements in Integrated Circuits (IC). The development of transistors significantly improves the circuit performance. Numerous technology innovations have been adopted to maintain the continuous scaling down of transistors. With all these innovations and efforts, the transistor size is approaching the natural limitations of materials in the near future. The circuits are expected to compute in a more efficient way. From this perspective, new device concepts are desirable to exploit additional functionality. On the other hand, with the continuously increased device density on the chips, reducing the power consumption has become a key concern in IC design. To overcome the limitations of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology in computing efficiency and power reduction, this thesis introduces the multiple- independent-gate Field-Effect Transistors (FETs) with silicon nanowires and FinFET structures. The device not only has the capability of polarity control, but also provides dual-threshold- voltage and steep-subthreshold-slope operations for power reduction in circuit design. By independently modulating the Schottky junctions between metallic source/drain and semiconductor channel, the dual-threshold-voltage characteristics with controllable polarity are achieved in a single device. This property is demonstrated in both experiments and simulations. Thanks to the compact implementation of logic functions, circuit-level benchmarking shows promising performance with a configurable dual-threshold-voltage physical design, which is suitable for low-power applications. This thesis also experimentally demonstrates the steep-subthreshold-slope operation in the multiple-independent-gate FETs. Based on a positive feedback induced by weak impact ionization, the measured characteristics of the device achieve a steep subthreshold slope of 6 mV/dec over 5 decades of current. High Ion/Ioff ratio and low leakage current are also simultaneously obtained with a good reliability. Based on a physical analysis of the device operation, feasible improvements are suggested to further enhance the performance. A physics-based surface potential and drain current model is also derived for the polarity-controllable Silicon Nanowire FETs (SiNWFETs). By solving the carrier transport at Schottky junctions and in the channel, the core model captures the operation with independent gate control. It can serve as the core framework for developing a complete compact model by integrating advanced physical effects. To summarize, multiple-independent-gate SiNWFETs and FinFETs are extensively studied in terms of fabrication, modeling, and simulation. The proposed device concept expands the family of polarity-controllable FETs. In addition to the enhanced logic functionality, the polarity-controllable SiNWFETs and FinFETs with the dual-threshold-voltage and steep-subthreshold-slope operation can be promising candidates for future IC design towards low-power applications

Defect Induced Aging and Breakdown in High-k Dielectrics

abstract: High-k dielectrics have been employed in the metal-oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) since 45 nm technology node. In this MOSFET industry, Moore’s law projects the feature size of MOSFET scales half within every 18 months. Such scaling down theory has not only led to the physical limit of manufacturing but also raised the reliability issues in MOSFETs. After the incorporation of HfO2 based high-k dielectrics, the stacked oxides based gate insulator is facing rather challenging reliability issues due to the vulnerable HfO2 layer, ultra-thin interfacial SiO2 layer, and even messy interface between SiO2 and HfO2. Bias temperature instabilities (BTI), hot channel electrons injections (HCI), stress-induced leakage current (SILC), and time dependent dielectric breakdown (TDDB) are the four most prominent reliability challenges impacting the lifetime of the chips under use. In order to fully understand the origins that could potentially challenge the reliability of the MOSFETs the defects induced aging and breakdown of the high-k dielectrics have been profoundly investigated here. BTI aging has been investigated to be related to charging effects from the bulk oxide traps and generations of Si-H bonds related interface traps. CVS and RVS induced dielectric breakdown studies have been performed and investigated. The breakdown process is regarded to be related to oxygen vacancies generations triggered by hot hole injections from anode. Post breakdown conduction study in the RRAM devices have shown irreversible characteristics of the dielectrics, although the resistance could be switched into high resistance state.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Strain-Engineered MOSFETs

This book brings together new developments in the area of strain-engineered MOSFETs using high-mibility substrates such as SIGe, strained-Si, germanium-on-insulator and III-V semiconductors into a single text which will cover the materials aspects, principles, and design of advanced devices, their fabrication and applications. The book presents a full TCAD methodology for strain-engineering in Si CMOS technology involving data flow from process simulation to systematic process variability simulation and generation of SPICE process compact models for manufacturing for yield optimization

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

Reliability and Aging Analysis on SRAMs Within Microprocessor Systems

The majority of transistors in a modern microprocessor are used to implement static random access memories (SRAM). Therefore, it is important to analyze the reliability of SRAM blocks. During the SRAM design, it is important to build in design margins to achieve an adequate lifetime. The two main wearout mechanisms that increase a transistor’s threshold voltage are bias temperature instability (BTI) and hot carrier injections (HCI). BTI and HCI can degrade transistors’ driving strength and further weaken circuit performance. In a microprocessor, first-level (L1) caches are frequently accessed, which make it especially vulnerable to BTI and HCI. In this chapter, the cache lifetimes due to BTI and HCI are studied for different cache configurations, namely, cache size, associativity, cache line size, and replacement algorithm. To give a case study, the failure probability (reliability) and the hit rate (performance) of the L1 cache in a LEON3 microprocessor are analyzed, while the microprocessor is running a set of benchmarks. Essential insights can be provided from our results to give better performance-reliability tradeoffs for cache designers

Miniaturized Transistors

What is the future of CMOS? Sustaining increased transistor densities along the path of Moore's Law has become increasingly challenging with limited power budgets, interconnect bandwidths, and fabrication capabilities. In the last decade alone, transistors have undergone significant design makeovers; from planar transistors of ten years ago, technological advancements have accelerated to today's FinFETs, which hardly resemble their bulky ancestors. FinFETs could potentially take us to the 5-nm node, but what comes after it? From gate-all-around devices to single electron transistors and two-dimensional semiconductors, a torrent of research is being carried out in order to design the next transistor generation, engineer the optimal materials, improve the fabrication technology, and properly model future devices. We invite insight from investigators and scientists in the field to showcase their work in this Special Issue with research papers, short communications, and review articles that focus on trends in micro- and nanotechnology from fundamental research to applications