A survey of carbon nanotube interconnects for energy efficient integrated circuits

This article is a review of the state-of-art carbon nanotube interconnects for Silicon application with respect to the recent literature. Amongst all the research on carbon nanotube interconnects, those discussed here cover 1) challenges with current copper interconnects, 2) process & growth of carbon nanotube interconnects compatible with back-end-of-line integration, and 3) modeling and simulation for circuit-level benchmarking and performance prediction. The focus is on the evolution of carbon nanotube interconnects from the process, theoretical modeling, and experimental characterization to on-chip interconnect applications. We provide an overview of the current advancements on carbon nanotube interconnects and also regarding the prospects for designing energy efficient integrated circuits. Each selected category is presented in an accessible manner aiming to serve as a survey and informative cornerstone on carbon nanotube interconnects relevant to students and scientists belonging to a range of fields from physics, processing to circuit design

Characterization of self-heating effects and assessment of its impact on reliability in finfet technology

The systematically growing power (heat) dissipation in CMOS transistors with each successive technology node is reaching levels which could impact its reliable operation. The emergence of technologies such as bulk/SOI FinFETs has dramatically confined the heat in the device channel due to its vertical geometry and it is expected to further exacerbate with gate-all-around transistors. This work studies heat generation in the channel of semiconductor devices and measures its dissipation by means of wafer level characterization and predictive thermal simulation. The experimental work is based on several existing device thermometry techniques to which additional layout improvements are made in state of the art bulk FinFET and SOI FinFET 14nm technology nodes. The sensors produce excellent matching results which are confirmed through TCAD thermal simulation, differences between sensor types are quantified and error bars on measurements are established. The lateral heat transport measurements determine that heat from the source is mostly dissipated at a distance of 1µm and 1.5µm in bulk FinFET and SOI FinFET, respectively. Heat additivity is successfully confirmed to prove and highlight the fact that the whole system needs to be considered when performing thermal analysis. Furthermore, an investigation is devoted to study self-heating with different layout densities by varying the number of fins and fingers per active region (RX). Fin thermal resistance is measured at different ambient temperatures to show its variation of up to 70% between -40°C to 175°C. Therefore, the Si fin has a more dominant effect in heat transport and its varying thermal conductivity should be taken into account. The effect of ambient temperature on self-heating measurement is confirmed by supplying heat through thermal chuck and adjacent heater devices themselves. Motivation for this work is the continuous evolution of the transistor geometry and use of exotic materials, which in the recent technology nodes made heat removal more challenging. This poses reliability and performance concerns. Therefore, this work studies the impact of self-heating on reliability testing at DC conditions as well as realistic CMOS logic operating (AC) conditions. Front-end-of-line (FEOL) reliability mechanisms, such as hot carrier injection (HCI) and non-uniform time dependent dielectric breakdown (TDDB), are studied to show that self-heating effects can impact measurement results and recommendations are given on how to mitigate them. By performing an HCI stress at moderate bias conditions, this dissertation shows that the laborious techniques of heat subtraction are no longer necessary. Self-heating is also studied at more realistic device switching conditions by utilizing ring oscillators with several densities and stage counts to show that self-heating is considerably lower compared to constant voltage stress conditions and degradation is not distinguishable

Charge Trap Transistors (CTT): Turning Logic Transistors into Embedded Non-Volatile Memory for Advanced High-k/Metal Gate CMOS Technologies

While need for embedded non-volatile memory (eNVM) in modern computing systems continues to grow rapidly, the options have been limited due to integration and scaling challenges as well as operational voltage incompatibilities. Introduced in this work is a unique multi-time programmable memory (MTPM) solution for advanced high-k/metal-gate (HKMG) CMOS technologies which turns as-fabricated standard logic transistors into eNVM elements, without the need for any process adders or additional masks. These logic transistors, when employed as eNVM elements, are dubbed “Charge Trap Transistors” (CTTs). The fundamental device physics, principles of operation, and technological breakthroughs required for employing logic transistors as eNVM are presented. Implementation of CTT eNVM in 32 nm, 22 nm, 14 nm, and 7 nm production technologies has been realized and demonstrated in this work. The emerging memory technology landscape and the space that the CTT technology occupies therein are examined.The motivation behind this work is to develop an eNVM technology that is completely process/mask-free, multi-time programmable, operable at low/logic-compatible voltages, scalable, and secure. The CTT technology satisfies all of the aforementioned criteria. CTTs offer a data retention lifetime of > 10 years at 125 �C and an operation temperature range of -55�-125� C. Hardware results demonstrate an endurance of > 10^4 program/erase cycles which is more than adequate for most embedded applications. Hardware security enhancement, on-chip reconfigurable encryption, firmware, BIOS, chip ID, redundancy, repair at wafer and module test and in the field, performance tailoring, and chip configuration are a few of the applications of CTT eNVM. Moreover, the CTT array in its native (unprogrammed) state measures very well as an entropy source for potential PUF (Physically Unclonable Function) applications such as identification, authentication, anti-counterfeiting, secure boot, and cryptographic IP. In addition to the numerous digital applications, CTTs can also be utilized as an analog memory for applications like neuromorphic computing for machine learning (ML) and artificial intelligence (AI)

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

Towards Energy-Efficient and Reliable Computing: From Highly-Scaled CMOS Devices to Resistive Memories

The continuous increase in transistor density based on Moore\u27s Law has led us to highly scaled Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technologies. These transistor-based process technologies offer improved density as well as a reduction in nominal supply voltage. An analysis regarding different aspects of 45nm and 15nm technologies, such as power consumption and cell area to compare these two technologies is proposed on an IEEE 754 Single Precision Floating-Point Unit implementation. Based on the results, using the 15nm technology offers 4-times less energy and 3-fold smaller footprint. New challenges also arise, such as relative proportion of leakage power in standby mode that can be addressed by post-CMOS technologies. Spin-Transfer Torque Random Access Memory (STT-MRAM) has been explored as a post-CMOS technology for embedded and data storage applications seeking non-volatility, near-zero standby energy, and high density. Towards attaining these objectives for practical implementations, various techniques to mitigate the specific reliability challenges associated with STT-MRAM elements are surveyed, classified, and assessed herein. Cost and suitability metrics assessed include the area of nanomagmetic and CMOS components per bit, access time and complexity, Sense Margin (SM), and energy or power consumption costs versus resiliency benefits. In an attempt to further improve the Process Variation (PV) immunity of the Sense Amplifiers (SAs), a new SA has been introduced called Adaptive Sense Amplifier (ASA). ASA can benefit from low Bit Error Rate (BER) and low Energy Delay Product (EDP) by combining the properties of two of the commonly used SAs, Pre-Charge Sense Amplifier (PCSA) and Separated Pre-Charge Sense Amplifier (SPCSA). ASA can operate in either PCSA or SPCSA mode based on the requirements of the circuit such as energy efficiency or reliability. Then, ASA is utilized to propose a novel approach to actually leverage the PV in Non-Volatile Memory (NVM) arrays using Self-Organized Sub-bank (SOS) design. SOS engages the preferred SA alternative based on the intrinsic as-built behavior of the resistive sensing timing margin to reduce the latency and power consumption while maintaining acceptable access time

Degradation in FPGAs: Monitoring, Modeling and Mitigation

This dissertation targets the transistor aging degradation as well as the associated thermal challenges in FPGAs (since there is an exponential relation between aging and chip temperature). The main objectives are to perform experimentation, analysis and device-level model abstraction for modeling the degradation in FPGAs, then to monitor the FPGA to keep track of aging rates and ultimately to propose an aging-aware FPGA design flow to mitigate the aging

Reliability Investigations of MOSFETs using RF Small Signal Characterization

Modern technology needs and advancements have introduced various new concepts such as Internet-of-Things, electric automotive, and Artificial intelligence. This implies an increased activity in the electronics domain of analog and high frequency. Silicon devices have emerged as a cost-effective solution for such diverse applications. As these silicon devices are pushed towards higher performance, there is a continuous need to improve fabrication, power efficiency, variability, and reliability. Often, a direct trade-off of higher performance is observed in the reliability of semiconductor devices. The acceleration-based methodologies used for reliability assessment are the adequate time-saving solution for the lifetime's extrapolation but come with uncertainty in accuracy. Thus, the efforts to improve the accuracy of reliability characterization methodologies run in parallel. This study highlights two goals that can be achieved by incorporating high-frequency characterization into the reliability characteristics. The first one is assessing high-frequency performance throughout the device's lifetime to facilitate an accurate description of device/circuit functionality for high-frequency applications. Secondly, to explore the potential of high-frequency characterization as the means of scanning reliability effects within devices. S-parameters served as the high-frequency device's response and mapped onto a small-signal model to analyze different components of a fully depleted silicon-on-insulator MOSFET. The studied devices are subjected to two important DC stress patterns, i.e., Bias temperature instability stress and hot carrier stress. The hot carrier stress, which inherently suffers from the self-heating effect, resulted in the transistor's geometry-dependent magnitudes of hot carrier degradation. It is shown that the incorporation of the thermal resistance model is mandatory for the investigation of hot carrier degradation. The property of direct translation of small-signal parameter degradation to DC parameter degradation is used to develop a new S-parameter based bias temperature instability characterization methodology. The changes in gate-related small-signal capacitances after hot carrier stress reveals a distinct signature due to local change of flat-band voltage. The measured effects of gate-related small-signal capacitances post-stress are validated through transient physics-based simulations in Sentaurus TCAD.:Abstract Symbols Acronyms 1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 MOSFETs Scaling Trends and Challenges 2.1.1 Silicon on Insulator Technology 2.1.2 FDSOI Technology 2.2 Reliability of Semiconductor Devices 2.3 RF Reliability 2.4 MOSFET Degradation Mechanisms 2.4.1 Hot Carrier Degradation 2.4.2 Bias Temperature Instability 2.5 Self-heating 3 RF Characterization of fully-depleted Silicon on Insulator devices 3.1 Scattering Parameters 3.2 S-parameters Measurement Flow 3.2.1 Calibration 3.2.2 De-embedding 3.3 Small-Signal Model 3.3.1 Model Parameters Extraction 3.3.2 Transistor Figures of Merit 3.4 Characterization Results 4 Self-heating assessment in Multi-finger Devices 4.1 Self-heating Characterization Methodology 4.1.1 Output Conductance Frequency dependence 4.1.2 Temperature dependence of Drain Current 4.2 Thermal Resistance Behavior 4.2.1 Thermal Resistance Scaling with number of fingers 4.2.2 Thermal Resistance Scaling with finger spacing 4.2.3 Thermal Resistance Scaling with GateWidth 4.2.4 Thermal Resistance Scaling with Gate length 4.3 Thermal Resistance Model 4.4 Design for Thermal Resistance Optimization 5 Bias Temperature Instability Investigation 5.1 Impact of Bias Temperature Instability stress on Device Metrics 5.1.1 Experimental Details 5.1.2 DC Parameters Drift 5.1.3 RF Small-Signal Parameters Drift 5.2 S-parameter based on-the-fly Bias Temperature Instability Characterization Method 5.2.1 Measurement Methodology 5.2.2 Results and Discussion 6 Investigation of Hot-carrier Degradation 6.1 Impact of Hot-carrier stress on Device performance 6.1.1 DC Metrics Degradation 6.1.2 Impact on small-signal Parameters 6.2 Implications of Self-heating on Hot-carrier Degradation in n-MOSFETs 6.2.1 Inclusion of Thermal resistance in Hot-carrier Degradation modeling 6.2.2 Convolution of Bias Temperature Instability component in Hot-carrier Degradation 6.2.3 Effect of Source and Drain Placement in Multi-finger Layout 6.3 Vth turn-around effect in p-MOSFET 7 Deconvolution of Hot-carrier Degradation and Bias Temperature Instability using Scattering parameters 7.1 Small-Signal Parameter Signatures for Hot-carrier Degradation and Bias Temperature Instability 7.2 TCAD Dynamic Simulation of Defects 7.2.1 Fixed Charges 7.2.2 Interface Traps near Gate 7.2.3 Interface Traps near Spacer Region 7.2.4 Combination of Traps 7.2.5 Drain Series Resistance effect 7.2.6 DVth Correction 7.3 Empirical Modeling based deconvolution of Hot-carrier Degradation 8 Conclusion and Recommendations 8.1 General Conclusions 8.2 Recommendations for Future Work A Directly measured S-parameters and extracted Y-parameters B Device Dimensions for Thermal Resistance Modeling C Frequency response of hot-carrier degradation (HCD) D Localization Effect of Interface Traps Bibliograph