Reliability and Data Analysis of Wearout Mechanisms for Circuits

The objective of this research is to develop methodologies for the failure analysis of circuits, as well as investigate the factors for accelerating testing for front-end-of-line time-dependent dielectric breakdown (FEOL TDDB). The separation of wearout mechanisms for circuits will be investigated, and the identification of failure modes for the failure samples will be analyzed. SRAMs and ring oscillators will be used to study the failure modes. The systematic and random errors for online monitoring of SRAMS will also be examined. Furthermore, the testing plans for acceleration testing will also be explored for ring oscillators. Error reduction through sampling will also be used to find the best testing conditions for accelerated testing. This work provides a way for engineers to better understand aging monitoring of circuits, and to design better testing to collect failure data.Ph.D

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

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

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

Phase Noise Analyses and Measurements in the Hybrid Memristor-CMOS Phase-Locked Loop Design and Devices Beyond Bulk CMOS

Phase-locked loop (PLLs) has been widely used in analog or mixed-signal integrated circuits. Since there is an increasing market for low noise and high speed devices, PLLs are being employed in communications. In this dissertation, we investigated phase noise, tuning range, jitter, and power performances in different architectures of PLL designs. More energy efficient devices such as memristor, graphene, transition metal di-chalcogenide (TMDC) materials and their respective transistors are introduced in the design phase-locked loop. Subsequently, we modeled phase noise of a CMOS phase-locked loop from the superposition of noises from its building blocks which comprises of a voltage-controlled oscillator, loop filter, frequency divider, phase-frequency detector, and the auxiliary input reference clock. Similarly, a linear time-invariant model that has additive noise sources in frequency domain is used to analyze the phase noise. The modeled phase noise results are further compared with the corresponding phase-locked loop designs in different n-well CMOS processes. With the scaling of CMOS technology and the increase of the electrical field, the problem of short channel effects (SCE) has become dominant, which causes decay in subthreshold slope (SS) and positive and negative shifts in the threshold voltages of nMOS and pMOS transistors, respectively. Various devices are proposed to continue extending Moore\u27s law and the roadmap in semiconductor industry. We employed tunnel field effect transistor owing to its better performance in terms of SS, leakage current, power consumption etc. Applying an appropriate bias voltage to the gate-source region of TFET causes the valence band to align with the conduction band and injecting the charge carriers. Similarly, under reverse bias, the two bands are misaligned and there is no injection of carriers. We implemented graphene TFET and MoS2 in PLL design and the results show improvements in phase noise, jitter, tuning range, and frequency of operation. In addition, the power consumption is greatly reduced due to the low supply voltage of tunnel field effect transistor

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

The Journal of Microelectronic Research 2005

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