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

Statistical circuit simulations - from ‘atomistic’ compact models to statistical standard cell characterisation

This thesis describes the development and application of statistical circuit simulation methodologies to analyse digital circuits subject to intrinsic parameter fluctuations. The specific nature of intrinsic parameter fluctuations are discussed, and we explain the crucial importance to the semiconductor industry of developing design tools which accurately account for their effects. Current work in the area is reviewed, and three important factors are made clear: any statistical circuit simulation methodology must be based on physically correct, predictive models of device variability; the statistical compact models describing device operation must be characterised for accurate transient analysis of circuits; analysis must be carried out on realistic circuit components. Improving on previous efforts in the field, we posit a statistical circuit simulation methodology which accounts for all three of these factors. The established 3-D Glasgow atomistic simulator is employed to predict electrical characteristics for devices aimed at digital circuit applications, with gate lengths from 35 nm to 13 nm. Using these electrical characteristics, extraction of BSIM4 compact models is carried out and their accuracy in performing transient analysis using SPICE is validated against well characterised mixed-mode TCAD simulation results for 35 nm devices. Static d.c. simulations are performed to test the methodology, and a useful analytic model to predict hard logic fault limitations on CMOS supply voltage scaling is derived as part of this work. Using our toolset, the effect of statistical variability introduced by random discrete dopants on the dynamic behaviour of inverters is studied in detail. As devices scaled, dynamic noise margin variation of an inverter is increased and higher output load or input slew rate improves the noise margins and its variation. Intrinsic delay variation based on CV/I delay metric is also compared using ION and IEFF definitions where the best estimate is obtained when considering ION and input transition time variations. Critical delay distribution of a path is also investigated where it is shown non-Gaussian. Finally, the impact of the cell input slew rate definition on the accuracy of the inverter cell timing characterisation in NLDM format is investigated

Experimental Characterization of Random Telegraph Noise and Hot Carrier Aging of Nano-scale MOSFETs

One of the emerging challenges in the scaling of MOSFETs is the reliability of ultra-thin gate dielectrics. Various sources can cause device aging, such as hot carrier aging (HCA), negative bias temperature instability (NBTI), positive bias temperature instability (PBTI), and time dependent device breakdown (TDDB). Among them, hot carrier aging (HCA) has attracted much attention recently, because it is limiting the device lifetime. As the channel length of MOSFETs becomes smaller, the lateral electrical field increases and charge carriers become sufficiently energetic (“hot”) to cause damage to the device when they travel through the space charge region near the drain. Unlike aging that causes device parameters, such as threshold voltage, to drift in one direction, nano-scale devices also suffer from Random Telegraph Noise (RTN), where the current can fluctuate under fixed biases. RTN is caused by capturing/emitting charge carriers from/to the conduction channel. As the device sizes are reduced to the nano-meters, a single trap can cause substantial fluctuation in the current and threshold voltage. Although early works on HCA and RTN have improved the understanding, many issues remain unresolved and the aim of this project is to address these issues. The project is broadly divided into three parts: (i) an investigation on the HCA kinetics and how to predict HCA-induced device lifetime, (ii) a study of the interaction between HCA and RTN, and (iii) developing a new technique for directly measuring the RTN-induced jitter in the threshold voltage. To predict the device lifetime, a reliable aging kinetics is indispensable. Although early works show that HCA follows a power law, there are uncertainties in the extraction of the time exponent, making the prediction doubtful. A systematic experimental investigation was carried out in Chapter 4 and both the stress conditions and measurement parameters were carefully selected. It was found that the forward saturation current, commonly used in early work for monitoring HCA, leads to an overestimation of time exponents, because part of the damaged region is screened off by the space charges near the drain. Another source of errors comes from the inclusion of as-grown defects in the aging kinetics, which is not caused by aging. This leads to an underestimation of the time exponent. After correcting these errors, a reliable HCA kinetics is established and its predictive capability is demonstrated. There is confusion on how HCA and RTN interact and this is researched into in Chapter 5. The results show that for a device of average RTN, HCA only has a modest impact on RTN. RTN can either increase or decrease after HCA, depending on whether the local current under the RTN traps is rising or reducing. For a device of abnormally high RTN, RTN reduces substantially after HCA and the mechanism for this reduction is explored. The RTN-induced threshold voltage jitter, ∆Vth, is difficult to measure, as it is typically small and highly dynamic. Early works estimate this ∆Vth from the change in drain current and the accuracy of this estimation is not known. Chapter 6 focuses on developing a new ‘Trigger-When-Charged’ technique for directly measuring the RTN-induced ∆Vth. It will be shown that early works overestimate ∆Vth by a factor of two and the origin of this overestimation is investigated. This thesis consists of seven chapters. Chapter 1 introduces the project and its objectives. A literature review is given in Chapter 2. Chapter 3 covers the test facilities, measurement techniques, and devices used in this project. The main experimental results and analysis are given in Chapters 4-6, as described above. Finally, Chapter 7 concludes the project and discusses future works

Nano-intrinsic security primitives for internet of everything

With the advent of Internet-enabled electronic devices and mobile computer systems, maintaining data security is one of the most important challenges in modern civilization. The innovation of physically unclonable functions (PUFs) shows great potential for enabling low-cost low-power authentication, anti-counterfeiting and beyond on the semiconductor chips. This is because secrets in a PUF are hidden in the randomness of the physical properties of desirably identical devices, making it extremely difficult, if not impossible, to extract them. Hence, the basic idea of PUF is to take advantage of inevitable non-idealities in the physical domain to create a system that can provide an innovative way to secure device identities, sensitive information, and their communications. While the physical variation exists everywhere, various materials, systems, and technologies have been considered as the source of unpredictable physical device variation in large scales for generating security primitives. The purpose of this project is to develop emerging solid-state memory-based security primitives and examine their robustness as well as feasibility. Firstly, the author gives an extensive overview of PUFs. The rationality, classification, and application of PUF are discussed. To objectively compare the quality of PUFs, the author formulates important PUF properties and evaluation metrics. By reviewing previously proposed constructions ranging from conventional standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) components to emerging non-volatile memories, the quality of different PUFs classes are discussed and summarized. Through a comparative analysis, emerging non-volatile redox-based resistor memories (ReRAMs) have shown the potential as promising candidates for the next generation of low-cost, low-power, compact in size, and secure PUF. Next, the author presents novel approaches to build a PUF by utilizing concatenated two layers of ReRAM crossbar arrays. Upon concatenate two layers, the nonlinear structure is introduced, and this results in the improved uniformity and the avalanche characteristic of the proposed PUF. A group of cell readout method is employed, and it supports a massive pool of challenge-response pairs of the nonlinear ReRAM-based PUF. The non-linear PUF construction is experimentally assessed using the evaluation metrics, and the quality of randomness is verified using predictive analysis. Last but not least, random telegraph noise (RTN) is studied as a source of entropy for a true random number generation (TRNG). RTN is usually considered a disadvantageous feature in the conventional CMOS designs. However, in combination with appropriate readout scheme, RTN in ReRAM can be used as a novel technique to generate quality random numbers. The proposed differential readout-based design can maintain the quality of output by reducing the effect of the undesired noise from the whole system, while the controlling difficulty of the conventional readout method can be significantly reduced. This is advantageous as the differential readout circuit can embrace the resistance variation features of ReRAMs without extensive pre-calibration. The study in this thesis has the potential to enable the development of cost-efficient and lightweight security primitives that can be integrated into modern computer mobile systems and devices for providing a high level of security

Design and development of an ultra-low-cost electro - resistive band based myo activated prosthetic upper limb

In developing countries, many amputees have no access to the prosthesis. This is due to the challenges of the environment they are living in and to the prohibitive costs of available prostheses. To reduce this gap, a new concept design for an extremely low cost but highly functional upper limb prosthesis is presented. This goal is attained using a low-cost embedded platform (Arduino) and a wearable stretch-sensor adapted from Electro resistive bands (ERBs). In the proposed design, a sensor based on ERB is used to detect residual muscle contraction which detects the volumetric shifts of contraction instead of electromyography signals. The signals received via this sensor is then processed via an Arduino micro-controller to drive a single DC servo motor. The DC servo motor is directly geared onto a claw-style two-fingered prosthesis which is printed in-house from PLA plastic using a standard 3-D printer. The amount of closure of the prosthesis is fed-back to the user via a second ERB sensor directly connected to the claw in the form of haptic feedback. To make the design easier to maintain, the gears and mechanical parts are made so simple that can be crafted even from recovered materials. The entire design of prosthesis is presented in this thesis. The overall cost for the proposed prosthesis is estimated to be AUD 29. The proposed design can be easily scaled up to accommodate more complex designs such as having multiple individual fingers or wrist rotation