Comparing the impact of power supply voltage on CMOS-and FinFET-based SRAMs in the presence of resistive defects

CMOS technology scaling has reached its limit at the 22 nm technology node due to several factors including Process Variations (PV), increased leakage current, Random Dopant Fluctuation (RDF), and mainly the Short-Channel Effect (SCE). In order to continue the miniaturization process via technology down-scaling while preserving system reliability and performance, Fin Field-Effect Transistors (FinFETs) arise as an alternative to CMOS transistors. In parallel, Static Random-Access Memories (SRAMs) increasingly occupy great part of Systems-on-Chips’ (SoCs) silicon area, making their reliability an important issue. SRAMs are designed to reach densities at the limit of the manufacturing process, making this component susceptible to manufacturing defects, including the resistive ones. Such defects may cause dynamic faults during the circuits’ lifetime, an important cause of test escape. Thus, the identification of the proper faulty behavior taking different operating conditions into account is considered crucial to guarantee the development of more suitable test methodologies. In this context, a comparison between the behavior of a 22 nm CMOS-based and a 20 nm FinFET-based SRAM in the presence of resistive defects is carried out considering different power supply voltages. In more detail, the behavior of defective cells operating under different power supply voltages has been investigated performing SPICE simulations. Results show that the power supply voltage plays an important role in the faulty behavior of both CMOS- and FinFET-based SRAM cells in the presence of resistive defects but demonstrate to be more expressive when considering the FinFET-based memories. Studying different operating temperatures, the results show an expressively higher occurrence of dynamic faults in FinFET-based SRAMs when compared to CMOS technology

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

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

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

Design, Modeling and Analysis of Non-classical Field Effect Transistors

Transistor scaling following per Moore\u27s Law slows down its pace when entering into nanometer regime where short channel effects (SCEs), including threshold voltage fluctuation, increased leakage current and mobility degradation, become pronounced in the traditional planar silicon MOSFET. In addition, as the demand of diversified functionalities rises, conventional silicon technologies cannot satisfy all non-digital applications requirements because of restrictions that stem from the fundamental material properties. Therefore, novel device materials and structures are desirable to fuel further evolution of semiconductor technologies. In this dissertation, I have proposed innovative device structures and addressed design considerations of those non-classical field effect transistors for digital, analog/RF and power applications with projected benefits. Considering device process difficulties and the dramatic fabrication cost, application-oriented device design and optimization are performed through device physics analysis and TCAD modeling methodology to develop design guidelines utilizing transistor\u27s improved characteristics toward application-specific circuit performance enhancement. Results support proposed device design methodologies that will allow development of novel transistors capable of overcoming limitation of planar nanoscale MOSFETs. In this work, both silicon and III-V compound devices are designed, optimized and characterized for digital and non-digital applications through calibrated 2-D and 3-D TCAD simulation. For digital functionalities, silicon and InGaAs MOSFETs have been investigated. Optimized 3-D silicon-on-insulator (SOI) and body-on-insulator (BOI) FinFETs are simulated to demonstrate their impact on the performance of volatile memory SRAM module with consideration of self-heating effects. Comprehensive simulation results suggest that the current drivability degradation due to increased device temperature is modest for both devices and corresponding digital circuits. However, SOI FinFET is recommended for the design of low voltage operation digital modules because of its faster AC response and better SCEs management than the BOI structure. The FinFET concept is also applied to the non-volatile memory cell at 22 nm technology node for low voltage operation with suppressed SCEs. In addition to the silicon technology, our TCAD estimation based on upper projections show that the InGaAs FinFET, with superior mobility and improved interface conditions, achieve tremendous drive current boost and aggressively suppressed SCEs and thereby a strong contender for low-power high-performance applications over the silicon counterpart. For non-digital functionalities, multi-fin FETs and GaN HEMT have been studied. Mixed-mode simulations along with developed optimization guidelines establish the realistic application potential of underlap design of silicon multi-Fin FETs for analog/RF operation. The device with underlap design shows compromised current drivability but improve analog intrinsic gain and high frequency performance. To investigate the potential of the novel N-polar GaN material, for the first time, I have provided calibrated TCAD modeling of E-mode N-polar GaN single-channel HEMT. In this work, I have also proposed a novel E-mode dual-channel hybrid MIS-HEMT showing greatly enhanced current carrying capability. The impact of GaN layer scaling has been investigated through extensive TCAD simulations and demonstrated techniques for device optimization

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

Design of SRAM Cell using Modified Lector and Dual Threshold Method Based on FINFET

FinFET (Fin Field Effect Transistor) is a new technology that satisfies the demand for a superior storage system by improving transistor circuit design (SS). CMOS devices experience a wide range of issues due to the gate's diminishing ability to control the channel. Increased total production costs are a few of these disadvantages. But this store needs to dissipate less power, have a quick access time, and a low leakage current. The increased power dissipation and leakage current of traditional CMOS-based SRAM (Static RAM) architectures cause a sharp decline in performance. The nanoscale gadget called FinFET is being introduced for use in SRAM fabrication due to its 3D gate architecture. The adoption of FinFET has helped boost overall performance in terms of efficiency, power, and footprint. And because it is immune to SCEs, FinFET has become the transistor of choice. In this study, we have examined a number of FinFET-based SRAM cells and compared them with CMOS technology. We have also suggested a novel 14T SRAM design that uses the Dual Threshold Method and Modified Lector Approach with FinFET, and it is implemented for the 1bit, 4bit, and 8bit

Sub-10nm Transistors for Low Power Computing: Tunnel FETs and Negative Capacitance FETs

One of the major roadblocks in the continued scaling of standard CMOS technology is its alarmingly high leakage power consumption. Although circuit and system level methods can be employed to reduce power, the fundamental limit in the overall energy efficiency of a system is still rooted in the MOSFET operating principle: an injection of thermally distributed carriers, which does not allow subthreshold swing (SS) lower than 60mV/dec at room temperature. Recently, a new class of steep-slope devices like Tunnel FETs (TFETs) and Negative-Capacitance FETs (NCFETs) have garnered intense interest due to their ability to surpass the 60mV/dec limit on SS at room temperature. The focus of this research is on the simulation and design of TFETs and NCFETs for ultra-low power logic and memory applications. Using full band quantum mechanical model within the Non-Equilibrium Greens Function (NEGF) formalism, source-underlapping has been proposed as an effective technique to lower the SS in GaSb-InAs TFETs. Band-tail states, associated with heavy source doping, are shown to significantly degrade the SS in TFETs from their ideal value. To solve this problem, undoped source GaSb-InAs TFET in an i-i-n configuration is proposed. A detailed circuit-to-system level evaluation is performed to investigate the circuit level metrics of the proposed devices. To demonstrate their potential in a memory application, a 4T gain cell (GC) is proposed, which utilizes the low-leakage and enhanced drain capacitance of TFETs to realize a robust and long retention time GC embedded-DRAMs. The device/circuit/system level evaluation of proposed TFETs demonstrates their potential for low power digital applications. The second part of the thesis focuses on the design space exploration of hysteresis-free Negative Capacitance FETs (NCFETs). A cross-architecture analysis using HfZrOx ferroelectric (FE-HZO) integrated on bulk MOSFET, fully-depleted SOI-FETs, and sub-10nm FinFETs shows that FDSOI and FinFET configurations greatly benefit the NCFET performance due to their undoped body and improved gate-control which enables better capacitance matching with the ferroelectric. A low voltage NC-FinFET operating down to 0.25V is predicted using ultra-thin 3nm FE-HZO. Next, we propose one-transistor ferroelectric NOR type (Fe-NOR) non-volatile memory based on HfZrOx ferroelectric FETs (FeFETs). The enhanced drain-channel coupling in ultrashort channel FeFETs is utilized to dynamically modulate memory window of storage cells thereby resulting in simple erase-, program-and read-operations. The simulation analysis predicts sub-1V program/erase voltages in the proposed Fe-NOR memory array and therefore presents a significantly lower power alternative to conventional FeRAM and NOR flash memories

Charge Trap Transistors (CTT): Turning Logic Transistors into Embedded Non-Volatile Memory for Advanced High-k/Metal Gate CMOS Technologies

While need for embedded non-volatile memory (eNVM) in modern computing systems continues to grow rapidly, the options have been limited due to integration and scaling challenges as well as operational voltage incompatibilities. Introduced in this work is a unique multi-time programmable memory (MTPM) solution for advanced high-k/metal-gate (HKMG) CMOS technologies which turns as-fabricated standard logic transistors into eNVM elements, without the need for any process adders or additional masks. These logic transistors, when employed as eNVM elements, are dubbed “Charge Trap Transistors” (CTTs). The fundamental device physics, principles of operation, and technological breakthroughs required for employing logic transistors as eNVM are presented. Implementation of CTT eNVM in 32 nm, 22 nm, 14 nm, and 7 nm production technologies has been realized and demonstrated in this work. The emerging memory technology landscape and the space that the CTT technology occupies therein are examined.The motivation behind this work is to develop an eNVM technology that is completely process/mask-free, multi-time programmable, operable at low/logic-compatible voltages, scalable, and secure. The CTT technology satisfies all of the aforementioned criteria. CTTs offer a data retention lifetime of > 10 years at 125 �C and an operation temperature range of -55�-125� C. Hardware results demonstrate an endurance of > 10^4 program/erase cycles which is more than adequate for most embedded applications. Hardware security enhancement, on-chip reconfigurable encryption, firmware, BIOS, chip ID, redundancy, repair at wafer and module test and in the field, performance tailoring, and chip configuration are a few of the applications of CTT eNVM. Moreover, the CTT array in its native (unprogrammed) state measures very well as an entropy source for potential PUF (Physically Unclonable Function) applications such as identification, authentication, anti-counterfeiting, secure boot, and cryptographic IP. In addition to the numerous digital applications, CTTs can also be utilized as an analog memory for applications like neuromorphic computing for machine learning (ML) and artificial intelligence (AI)