Accelerating Electromigration Aging: Fast Failure Detection for Nanometer ICs

For practical testing and detection of electromigration (EM) induced failures in dual damascene copper interconnects, one critical issue is creating stressing conditions to induce the chip to fail exclusively under EM in a very short period of time so that EM sign-off and validation can be carried out efficiently. Existing acceleration techniques, which rely on increasing temperature and current densities beyond the known limits, also accelerate other reliability effects making it very difficult, if not impossible, to test EM in isolation. In this article, we propose novel EM wear-out acceleration techniques to address the aforementioned issue. First we show that multi-segment interconnects with reservoir and sink structures can be exploited to significantly speedup the EM wear-out process. Based on this observation, we propose three strategies to accelerate EM induced failure: reservoir-enhanced acceleration, sink-enhanced acceleration, and a hybrid method that combines both reservoir and sink structures. We then propose several configurable interconnect structures that exploit atomic reservoirs and sinks for accelerated EM testing. Such configurable interconnect structures are very flexible and can be used to achieve significant lifetime reductions at the cost of some routing resources. Using the proposed technique, EM testing can be carried out at nominal current densities, and at a much lower temperature compared to traditional testing methods. This is the most significant contribution of this work since, to our knowledge, this is the only method that allows EM testing to be performed in a controlled environment without the risk of invoking other reliability effects that are also accelerated by elevated temperature and current density. Simulation results show that, using the proposed method, we can reduce the EM lifetime of a chip from 10 years down to a few hours 10^5X acceleration under the 150C temperature limit, which is sufficient for practical EM testing of typical nanometer CMOS ICs

Accelerated Aging in Devices and Circuits

abstract: The aging mechanism in devices is prone to uncertainties due to dynamic stress conditions. In AMS circuits these can lead to momentary fluctuations in circuit voltage that may be missed by a compact model and hence cause unpredictable failure. Firstly, multiple aging effects in the devices may have underlying correlations. The generation of new traps during TDDB may significantly accelerate BTI, since these traps are close to the dielectric-Si interface in scaled technology. Secondly, the prevalent reliability analysis lacks a direct validation of the lifetime of devices and circuits. The aging mechanism of BTI causes gradual degradation of the device leading to threshold voltage shift and increasing the failure rate. In the 28nm HKMG technology, contribution of BTI to NMOS degradation has become significant at high temperature as compared to Channel Hot Carrier (CHC). This requires revising the End of Lifetime (EOL) calculation based on contribution from induvial aging effects especially in feedback loops. Conventionally, aging in devices is extrapolated from a short-term measurement, but this practice results in unreliable prediction of EOL caused by variability in initial parameters and stress conditions. To mitigate the extrapolation issues and improve predictability, this work aims at providing a new approach to test the device to EOL in a fast and controllable manner. The contributions of this thesis include: (1) based on stochastic trapping/de-trapping mechanism, new compact BTI models are developed and verified with 14nm FinFET and 28nm HKMG data. Moreover, these models are implemented into circuit simulation, illustrating a significant increase in failure rate due to accelerated BTI, (2) developing a model to predict accelerated aging under special conditions like feedback loops and stacked inverters, (3) introducing a feedback loop based test methodology called Adaptive Accelerated Aging (AAA) that can generate accurate aging data till EOL, (4) presenting simulation and experimental data for the models and providing test setup for multiple stress conditions, including those for achieving EOL in 1 hour device as well as ring oscillator (RO) circuit for validation of the proposed methodology, and (5) scaling these models for finding a guard band for VLSI design circuits that can provide realistic aging impact.Dissertation/ThesisMasters Thesis Electrical Engineering 201

Monitor-Based In-Field Wearout Mitigation for CMOS RF Integrated Circuits

abstract: Performance failure due to aging is an increasing concern for RF circuits. While most aging studies are focused on the concept of mean-time-to-failure, for analog circuits, aging results in continuous degradation in performance before it causes catastrophic failures. In this regard, the lifetime of RF/analog circuits, which is defined as the point where at least one specification fails, is not just determined by aging at the device level, but also by the slack in the specifications, process variations, and the stress conditions on the devices. In this dissertation, firstly, a methodology for analyzing the performance degradation of RF circuits caused by aging mechanisms in MOSFET devices at design-time (pre-silicon) is presented. An algorithm to determine reliability hotspots in the circuit is proposed and design-time optimization methods to enhance the lifetime by making the most likely to fail circuit components more reliable is performed. RF circuits are used as test cases to demonstrate that the lifetime can be enhanced using the proposed design-time technique with low area and no performance impact. Secondly, in-field monitoring and recovering technique for the performance of aged RF circuits is discussed. The proposed in-field technique is based on two phases: During the design time, degradation profiles of the aged circuit are obtained through simulations. From these profiles, hotspot identification of aged RF circuits are conducted and the circuit variable that is easy to measure but highly correlated to the performance of the primary circuit is determined for a monitoring purpose. After deployment, an on-chip DC monitor is periodically activated and its results are used to monitor, and if necessary, recover the circuit performances degraded by aging mechanisms. It is also necessary to co-design the monitoring and recovery mechanism along with the primary circuit for minimal performance impact. A low noise amplifier (LNA) and LC-tank oscillators are fabricated for case studies to demonstrate that the lifetime can be enhanced using the proposed monitoring and recovery techniques in the field. Experimental results with fabricated LNA/oscillator chips show the performance degradation from the accelerated stress conditions and this loss can be recovered by the proposed mitigation scheme.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Degradation modeling and degradation-aware control of power electronic systems

The power electronics market is valued at $23.25 billion in 2019 and is projected to reach$ 36.64 billion by 2027. Power electronic systems (PES) have been extensively used in a wide range of critical applications, including automotive, renewable energy, industrial variable-frequency drive, etc. Thus, the PESs\u27 reliability and robustness are immensely important for the smooth operation of mission-critical applications. Power semiconductor switches are one of the most vulnerable components in the PES. The vulnerability of these switches impacts the reliability and robustness of the PES. Thus, switch-health monitoring and prognosis are critical for avoiding unexpected shutdowns and preventing catastrophic failures. The importance of the prognosis study increases dramatically with the growing popularity of the next-generation power semiconductor switches, wide bandgap switches. These switches show immense promise in the high-power high-frequency operations due to their higher breakdown voltage and lower switch loss. But their wide adaptation is limited by the inadequate reliability study. A thorough prognosis study comprising switch degradation modeling, remaining useful life (RUL) estimation, and degradation-aware controller development, is important to enhance the PESs\u27 robustness, especially with wide bandgap switches. In this dissertation, three studies are conducted to achieve these objectives- 1) Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) degradation modeling and RUL estimation, 2) cascode Gallium Nitride (GaN) Field-Effect Transistor (FET) degradation modeling and RUL estimation, and 3) Degradation-aware controller design for a PES, solid-state transformer (SST). The first two studies have addressed the significant variation in RUL estimation and proposed degradation identification methods for IGBT and cascode GaN FET. In the third study, a system-level integration of the switch degradation model is implemented in the SST. The insight into the switch\u27s degradation pattern from the first two studies is integrated into developing a degradation-aware controller for the SST. State-of-the-art controllers do not consider the switch degradation that results in premature system failure. The proposed low-complexity degradation-aware and adaptive SST controller ensures optimal degradation-aware power transfer and robust operation over the lifetime

Very-Large-Scale-Integration Circuit Techniques in Internet-of-Things Applications

Heading towards the era of Internet-of-things (IoT) means both opportunity and challenge for the circuit-design community. In a system where billions of devices are equipped with the ability to sense, compute, communicate with each other and perform tasks in a coordinated manner, security and power management are among the most critical challenges. Physically unclonable function (PUF) emerges as an important security primitive in hardware-security applications; it provides an object-specific physical identifier hidden within the intrinsic device variations, which is hard to expose and reproduce by adversaries. Yet, designing a compact PUF robust to noise, temperature and voltage remains a challenge. This thesis presents a novel PUF design approach based on a pair of ultra-compact analog circuits whose output is proportional to absolute temperature. The proposed approach is demonstrated through two works: (1) an ultra-compact and robust PUF based on voltage-compensated proportional-to-absolute-temperature voltage generators that occupies 8.3× less area than the previous work with the similar robustness and twice the robustness of the previously most compact PUF design and (2) a technique to transform a 6T-SRAM array into a robust analog PUF with minimal overhead. In this work, similar circuit topology is used to transform a preexisting on-chip SRAM into a PUF, which further reduces the area in (1) with no robustness penalty. In this thesis, we also explore techniques for power management circuit design. Energy harvesting is an essential functionality in an IoT sensor node, where battery replacement is cost-prohibitive or impractical. Yet, existing energy-harvesting power management units (EH PMU) suffer from efficiency loss in the two-step voltage conversion: harvester-to-battery and battery-to-load. We propose an EH PMU architecture with hybrid energy storage, where a capacitor is introduced in addition to the battery to serve as an intermediate energy buffer to minimize the battery involvement in the system energy flow. Test-case measurements show as much as a 2.2× improvement in the end-to-end energy efficiency. In contrast, with the drastically reduced power consumption of IoT nodes that operates in the sub-threshold regime, adaptive dynamic voltage scaling (DVS) for supply-voltage margin removal, fully on-chip integration and high power conversion efficiency (PCE) are required in PMU designs. We present a PMU–load co-design based on a fully integrated switched-capacitor DC-DC converter (SC-DC) and hybrid error/replica-based regulation for a fully digital PMU control. The PMU is integrated with a neural spike processor (NSP) that achieves a record-low power consumption of 0.61 µW for 96 channels. A tunable replica circuit is added to assist the error regulation and prevent loss of regulation. With automatic energy-robustness co-optimization, the PMU can set the SC-DC’s optimal conversion ratio and switching frequency. The PMU achieves a PCE of 77.7% (72.2%) at VIN = 0.6 V (1 V) and at the NSP’s margin-free operating point

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

Cross-Layer Approaches for an Aging-Aware Design of Nanoscale Microprocessors

Thanks to aggressive scaling of transistor dimensions, computers have revolutionized our life. However, the increasing unreliability of devices fabricated in nanoscale technologies emerged as a major threat for the future success of computers. In particular, accelerated transistor aging is of great importance, as it reduces the lifetime of digital systems. This thesis addresses this challenge by proposing new methods to model, analyze and mitigate aging at microarchitecture-level and above