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

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

Ab Initio Investigation of Charge Trapping Across the Crystalline- Si -Amorphous- Si O2 Interface

Accurate microscopic description of the charge-trapping process from semiconductor to defects in the dielectric-oxide layer is of paramount importance for understanding many microelectronic devices such as complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors, as well as electrochemical reactions. Unfortunately, most current microscopic descriptions of such processes are based on empirical models with parameters fitted to experimental device performance results or simplified approximations like the Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) method. Some critical questions are still unanswered, including: What controls the charge-hopping rate, the coupling strength between the defect level to semiconductor level, or the energy difference? How does the hopping rate decay with defect-semiconductor distance? What is the fluctuation of the defect level, especially in amorphous dielectrics? Many of these questions can be answered by ab initio calculations. However, to date, there are few ab initio studies for this problem mainly due to technical challenges from atomic-structure construction to large-system calculations. Here, using the latest advances in calculation methods and codes, we study the carrier-trapping problem using density-functional theory (DFT) based on the Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) exchange correlation functional. The valence bond random-switching method is used to construct the crystalline-Si-amorphous-SiO2 (c-Si/a-SiO2) interfacial atomic structure, and the HSE yields a band offset that agrees well with experiments. The hopping rate is calculated with the Marcus theory, and the hopping-rate dependences on the gate potential and defect distances are revealed, as well as the range of fluctuation results from amorphous structural variation. We also analyze the result with the simple WKB model and find a major difference in the description of the coupling constant decay with the defect-semiconductor distance. Our results provide the ab initio simulation insights for this important carrier-trapping process for device operation

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

Insulators for 2D nanoelectronics: the gap to bridge

Nanoelectronic devices based on 2D materials are far from delivering their full theoretical performance potential due to the lack of scalable insulators. Amorphous oxides that work well in silicon technology have ill-defined interfaces with 2D materials and numerous defects, while 2D hexagonal boron nitride does not meet required dielectric specifications. The list of suitable alternative insulators is currently very limited. Thus, a radically different mindset with respect to suitable insulators for 2D technologies may be required. We review possible solution scenarios like the creation of clean interfaces, production of native oxides from 2D semiconductors and more intensive studies on crystalline insulators

Insulators for 2D nanoelectronics: the gap to bridge

Nanoelectronic devices based on 2D materials are far from delivering their full theoretical performance potential due to the lack of scalable insulators. Amorphous oxides that work well in silicon technology have ill-defined interfaces with 2D materials and numerous defects, while 2D hexagonal boron nitride does not meet required dielectric specifications. The list of suitable alternative insulators is currently very limited. Thus, a radically different mindset with respect to suitable insulators for 2D technologies may be required. We review possible solution scenarios like the creation of clean interfaces, production of native oxides from 2D semiconductors and more intensive studies on crystalline insulators

Miniaturized Transistors, Volume II

In this book, we aim to address the ever-advancing progress in microelectronic device scaling. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) devices continue to endure miniaturization, irrespective of the seeming physical limitations, helped by advancing fabrication techniques. We observe that miniaturization does not always refer to the latest technology node for digital transistors. Rather, by applying novel materials and device geometries, a significant reduction in the size of microelectronic devices for a broad set of applications can be achieved. The achievements made in the scaling of devices for applications beyond digital logic (e.g., high power, optoelectronics, and sensors) are taking the forefront in microelectronic miniaturization. Furthermore, all these achievements are assisted by improvements in the simulation and modeling of the involved materials and device structures. In particular, process and device technology computer-aided design (TCAD) has become indispensable in the design cycle of novel devices and technologies. It is our sincere hope that the results provided in this Special Issue prove useful to scientists and engineers who find themselves at the forefront of this rapidly evolving and broadening field. Now, more than ever, it is essential to look for solutions to find the next disrupting technologies which will allow for transistor miniaturization well beyond silicon’s physical limits and the current state-of-the-art. This requires a broad attack, including studies of novel and innovative designs as well as emerging materials which are becoming more application-specific than ever before

Electrical Characterisation of III-V Nanowire MOSFETs

The ever increasing demand for faster and more energy-efficient electricalcomputation and communication presents severe challenges for the semiconductor industry and particularly for the metal-oxidesemiconductorfield-effect transistor (MOSFET), which is the workhorse of modern electronics. III-V materials exhibit higher carrier mobilities than the most commonly used MOSFET material Si so that the realisation of III-V MOSFETs can enable higher operation speeds and lower drive voltages than that which is possible in Si electronics. A lowering of the transistor drive voltage can be further facilitated by employing gate-all-around nanowire geometries or novel operation principles. However, III-V materials bring about their own challenges related to material quality and to the quality of the gate oxide on top of a III-V MOSFET channel.This thesis presents detailed electrical characterisations of two types of (vertical) III-V nanowire transistors: MOSFETs based on conventional thermionic emission; and Tunnel FETs, which utilise quantum-mechanical tunnelling instead to control the device current and reach inverse subthreshold slopes below the thermal limit of 60 mV/decade. Transistor characterisations span over fourteen orders of magnitude in frequency/time constants and temperatures from 11 K to 370 K.The first part of the thesis focusses on the characterisation of electrically active material defects (‘traps’) related to the gate stack. Low-frequency noise measurements yielded border trap densities of 10^18 to 10^20 cm^-3 eV^-1 and hysteresis measurements yielded effective trap densities – projected to theoxide/semiconductor interface – of 2x10^12 to 3x10^13 cm^-2 eV^-1. Random telegraph noise measurements revealed that individual oxide traps can locally shift the channel energy bands by a few millielectronvolts and that such defects can be located at energies from inside the semiconductor band gap all the way into the conduction band.Small-signal radio frequency (RF) measurements revealed that parts of the wide oxide trap distribution can still interact with carriers in the MOSFET channel at gigahertz frequencies. This causes frequency hystereses in the small-signal transconductance and capacitances and can decrease the RF gains by a few decibels. A comprehensive small-signal model was developed, which takes into account these dispersions, and the model was applied to guide improvements of the physical structure of vertical RF MOSFETs. This resulted in values for the cutoff frequency fT and the maximum oscillation frequency fmax of about 150 GHz in vertical III-V nanowire MOSFETs.Bias temperature instability measurements and the integration of (lateral) III-V nanowire MOSFETs in a back end of line process were carried out as complements to the main focus of this thesis. The results of this thesis provide a broad perspective of the properties of gate oxide traps and of the RF performance of III-V nanowire transistors and can act as guidelines for further improvement and finally the integration of III-V nanowire MOSFETs in circuits