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

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

Characterization of RTN in FD-SOI transistor

The project focuses on the study of transistors with FD-SOI technology to provide and corroborate information on their degradation when applying Bia Temperature Instability (BTI) and Channel Hot Carriers (HCC). Applying the constant voltage stress technique to the devices, observing how their behaviour evolves during their useful life, in addition to focusing the study on random telegraph noise (RTN). The results of the fresh and stressed characterization of the devices are compared to know how the transistors vary after different stress tensions from the characteristic IG-VG, ID-VG and ID-VD. From the method of time lag plot (W-TLP) it is possible to identify the relevant levels of RTN in which the devices work in fresh and stressed state. The conclusion is that the effects of degradation in this technology affect their operation and provide an increase in the RTN in the devices

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

Negative Bias Temperature Instability (NBTI) Monitoring and Mitigation Technique for MOSFET

修士論

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

Cross-Layer Approaches for an Aging-Aware Design of Nanoscale Microprocessors

Thanks to aggressive scaling of transistor dimensions, computers have revolutionized our life. However, the increasing unreliability of devices fabricated in nanoscale technologies emerged as a major threat for the future success of computers. In particular, accelerated transistor aging is of great importance, as it reduces the lifetime of digital systems. This thesis addresses this challenge by proposing new methods to model, analyze and mitigate aging at microarchitecture-level and above

5nm 이하 3D Transistors의 Self-Heating 및 전열특성분석 연구

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2021.8. 신형철.In this thesis, Self-Heating Effect (SHE) is investigated using TCAD simulations in various Sub-10-nm node Field Effect Transistor (FET). As the node decreases, logic devices have evolved into 3D MOSFET structures from Fin-FET to Nanosheet-FET. In the case of 3D MOSFET, there are thermal reliability issues due to the following reasons: ⅰ) The power density of the channel is high, ⅱ) The channel structure surrounded by SiO2, ⅲ) The overall low thermal conductivity characteristics due to scaling down. Many papers introduce the analysis and prediction of temperature rise by SHE in the device, but there are no papers presenting the content of mitigation of temperature rise. Therefore, we have studied the methods of decreasing the maximum lattice temperature (TL,max) such as shallow trench isolation (STI) composition engineering in Fin-FET, thermal analysis according to DC/AC/duty cycle in nanowire-FET, and active region ( e.g., gate metal thickness, channel width, channel number etc..) optimization in nanosheet-FET. In addition, lifetime affected by hot carrier injection (HCI) / bias-temperature instability (BTI) is also analyzed according to various thermal relaxation methods presented.이 논문에서는 다양한 Sub-10nm 노드 전계 효과 트랜지스터 (FET)에서 TCAD 시뮬레이션을 사용하여 자체 발열 효과 (SHE)를 조사합니다. 노드가 감소함에 따라 논리 장치는 Fin-FET에서 Nanosheet-FET로 3D MOSFET 구조로 진화했습니다. 3D MOSFET의 경우 ⅰ) 채널의 전력 밀도가 높음, ⅱ) SiO2로 둘러싸인 채널 구조, ⅲ) 축소로 인해 전체적으로 낮은 열전도 특성 등 다음과 같은 이유로 열 신뢰성 문제가 있습니다. 한편, 많은 논문이 device에서 SHE에 의한 온도 상승의 분석 및 예측을 소개하지만 온도 상승 완화의 내용을 제시하는 논문은 거의 없습니다. 따라서 Fin-FET의 STI (Shallow Trench Isolation) 구성 공학, nanowire-FET의 DC / AC / 듀티 사이클에 따른 열 분석, nanosheet-FET에서 소자의 중요영역(예: 게이트 금속 두께, 채널 폭, 채널 번호 등)의 최적화를 통해서 최대 격자 온도 (TL,max)를 낮추는 방법등을 연구했습니다. 또한 더 나아가서 HCI (Hot Carrier Injection) / BTI (Bias-Temperature Instability)의 영향을 받는 수명도 제시된 다양한 열 완화 방법에 따라 분석하여 소자의 제작에 있어 열적 특성과 수명을 좋게 만드는 지표를 제시합니다 .Chapter 1 Introduction 1 1.1. Development of Semconductor structure 1 1.2. Self-Heating Effect issues in semiconductor devices 3 Chapter 2 Thermal-Aware Shallow Trench Isolation Design Optimization for Minimizing Ioff in Various Sub-10-nm 3-D Transistor 7 2.1. Introduction 7 2.2. Device Structure and Simulation Condition 7 2.3. Results and Discussion 12 2.4. Summary 27 Chapter 3 Analysis of Self Heating Effect in DC/AC Mode in Multi-channel GAA-Field Effect Transistor 32 3.1. Introduction 32 3.2. Multi-Channel Nanowire FET and Back End Of Line 33 3.3. Work Flow and Calibration Process 35 3.4. More Detailed Thermal Simulation of Nanowire-FET 37 3.5. Performance Analysis by Number of Channels 38 3.6. DC Characteristic of SHE in Nanowire-FETs 40 3.7. AC Characteristics of SHE in Nanowire-FETs 43 3.8. Summary 51 Chapter 4 Self-Heating and Electrothermal Properties of Advanced Sub-5-nm node Nanoplate FET 56 4.1. Introduction 56 4.2. Device Structure and Simulation Condition 57 4.3. Thermal characteristics by channel number and width 62 4.4. Thermal characteristics by inter layer-metal thickness (TM) 64 4.5. Life Time Prediction 65 4.6. Summary 67 Chapter 5 Study on Self Heating Effect and life time in Vertical-channel Field Effect Transistor 72 5.1. Introduction 72 5.2. Device Structure and Simulation Condition 72 5.3. Temperature and RTH according to channel width(TW) 76 5.4. Thermal properties according to air spacers and air gap 77 5.5. Ion boosting according to Channel numbers 81 5.6. Temperature imbalance of multi-channel VFETs 82 5.7. Mitigation of the channel temperature imbalance 86 5.8. Life time depending on various analysis conditions 88 5.9. Summary 89 Chapter 6 Conclusions 93 Appendix A. A Simple and Accurate Modeling Method of Channel Thermal Noise Using BSIM4 Noise Models 95 A.1. Introduction 95 A.2. Overall Schematic of the RF MOSFET Model 97 A.3. Verification of the DC Characteristics of the RF MOSFET Model 98 A.4. Verification of the MOSFET Model with Measured Y-parameters 100 A.5. Verification of the MOSFET Model with Measured Noise Parameters 101 A.6. Thermal Noise Extraction and Modeling (TNOIMOD = 0) 103 A.7. Verification of the Enhanced Model with Noise Parameters 112 A.8. Holistic Model (TNOIMOD = 1) 114 A.9. Evaluation the validity of the model for drain bias 115 A.10. Conclusion 117 Abstract in Korean 122박

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