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

Silicon Nanodevices

This book is a collection of scientific articles which brings research in Si nanodevices, device processing, and materials. The content is oriented to optoelectronics with a core in electronics and photonics. The issue of current technology developments in the nanodevices towards 3D integration and an emerging of the electronics and photonics as an ultimate goal in nanotechnology in the future is presented. The book contains a few review articles to update the knowledge in Si-based devices and followed by processing of advanced nano-scale transistors. Furthermore, material growth and manufacturing of several types of devices are presented. The subjects are carefully chosen to critically cover the scientific issues for scientists and doctoral students

GeSn semiconductor for micro-nanoelectronic applications

Within the last few years the steady electronic evolution lead the semiconductor world to study innovative device architectures and new materials able to replace Si platforms. In this scenario Ge1-xSnx alloy attracts the interest of the scientific community due to its ability to tune the material bandgap as a function of Sn content and its extreme compatibility with Si processing. Although the enhanced optical properties of Ge1-xSnx are evident, the augmented electrical properties such as the higher electron and holes mobility are also beneficial for metal oxide semiconductor. Therefore the alloy is expected to be a potential solution to integrate both electrical and optical devices. On one hand, several theoretical and experimental works depict the Ge1-xSnx alloy as a novel and fascinating solution to replace Si; on the other hand the material novelty forces us to enhance the knowledge of its fundamental physical and chemical properties, re-adapting the processing steps necessary to develop electronic and optical devices. In this dissertation a comprehensive study on Ge1-xSnx has been undertaken and discussed analysing a wide range of topics. The first chapter provides a detailed theoretical study on the electronic properties of the GeSn performed using first principle methods; subsequently the data obtained have been inserted into a TCAD software in order to create and calibrate a library used to simulate electrical devices. It is important to note, that at the beginning of this PhD GeSn was not an available material in the Synopsys device software, and thus it had to be defined from scratch As a next point, since the ever decreasing device size push toward the definition of Ohmic contacts, different stanogermanide films have been thoroughly analysed using various metals (Ni, Pt and Ti) annealed with two distinct methodologies (Rapid Thermal Annealing and Laser Thermal Annealing). Subsequently, considering the material limitation such as the limited thermal budget and the Sn segregation, an exhaustive study on the material doping has been firstly discussed theoretically and after experimentally characterized using both classical ion implantation and layer deposition techniques. The different building blocks of Field Effect Transistors have been investigated and tuned individually with the aim to develop FET devices with bottom up approach. Then, Field Effect Transistor devices using GeSn NWs grown by a VLS methodology with Sn composition ranging from (0.03-0.09 at.%) have been developed and extensively characterized with the state of the art present in literature. Finally the analysis of highly selective etch recipes lead to the development of sub-nm device configuration such as Gate-All-Around (GAA) structure obtained using classical top down lithography approach. The innovative structure was electrically characterized highlighting the possibility to obtain decananometer device architecture with this innovative alloy. Lastly thesis summary and final outlooks were reported with the aim to outline the thesis contribution and the future material investigations

Feature Papers in Electronic Materials Section

This book entitled "Feature Papers in Electronic Materials Section" is a collection of selected papers recently published on the journal Materials, focusing on the latest advances in electronic materials and devices in different fields (e.g., power- and high-frequency electronics, optoelectronic devices, detectors, etc.). In the first part of the book, many articles are dedicated to wide band gap semiconductors (e.g., SiC, GaN, Ga2O3, diamond), focusing on the current relevant materials and devices technology issues. The second part of the book is a miscellaneous of other electronics materials for various applications, including two-dimensional materials for optoelectronic and high-frequency devices. Finally, some recent advances in materials and flexible sensors for bioelectronics and medical applications are presented at the end of the book

プレーナーガタオヨビフィンフェットガタエスラムニオケルチジョウホウシャセンキインシングルイベントアップセットニカンスルジッケンテキケンキュウ

T. Kato et al., "Muon-Induced Single-Event Upsets in 20-nm SRAMs: Comparative Characterization With Neutrons and Alpha Particles," in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 68, no. 7, pp. 1436-1444, July 2021, doi: 10.1109/TNS.2021.3082559

Indium-Gallium-Zinc Oxide Thin-Film Transistors for Active-Matrix Flat-Panel Displays

Amorphous oxide semiconductors (AOSs) including amorphous InGaZnO (a-IGZO) areexpected to be used as the thin-film semiconducting materials for TFTs in the next-generation ultra-high definition (UHD) active-matrix flat-panel displays (AM-FPDs). a-IGZO TFTs satisfy almost all the requirements for organic light-emitting-diode displays (OLEDs), large and fast liquid crystal displays (LCDs) as well as three-dimensional (3D) displays, which cannot be satisfied using conventional amorphous silicon (a-Si) or polysilicon (poly-Si) TFTs. In particular, a-IGZO TFTs satisfy two significant requirements of the backplane technology: high field-effect mobility and large-area uniformity.In this work, a robust process for fabrication of bottom-gate and top-gate a-IGZO TFTs is presented. An analytical drain current model for a-IGZO TFTs is proposed and its validation is demonstrated through experimental results. The instability mechanisms in a-IGZO TFTs under high current stress is investigated through low-frequency noise measurements. For the first time, the effect of engineered glass surface on the performance and reliability of bottom-gate a-IGZO TFTs is reported. The effect of source and drain metal contacts on electrical properties of a-IGZO TFTs including their effective channel lengths is studied. In particular, a-IGZO TFTs with Molybdenum versus Titanium source and drain electrodes are investigated. Finally, the potential of aluminum substrates for use in flexible display applications is demonstrated by fabrication of high performance a-IGZO TFTs on aluminum substrates and investigation of their stability under high current electrical stress as well as tensile and compressive strain