Circuit reliability prediction: Challenges and solutions for the device time-dependent variability characterization roadblock

Copyright IEEEThe characterization of the MOSFET Time-Dependent Variability (TDV) can be a showstopper for reliability-Aware circuit design in advanced CMOS nodes. In this work, a complete MOSFET characterization flow is presented, in the context of a physics-based TDV compact model, that addresses the main TDV characterization challenges for accurate circuit reliability prediction at design time. The pillars of this approach are described and illustrated through examples.This work was supported by the VIGILANT Project (PID2019-103869RB / AEI / 10.13039/501100011033) and the TEC2016-75151-C3-R Project (AEI/FEDER, UE).Peer reviewe

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

Nasics: A `Fabric-Centric\u27 Approach Towards Integrated Nanosystems

This dissertation addresses the fundamental problem of how to build computing systems for the nanoscale. With CMOS reaching fundamental limits, emerging nanomaterials such as semiconductor nanowires, carbon nanotubes, graphene etc. have been proposed as promising alternatives. However, nanoelectronics research has largely focused on a `device-first\u27 mindset without adequately addressing system-level capabilities, challenges for integration and scalable assembly. In this dissertation, we propose to develop an integrated nano-fabric, (broadly defined as nanostructures/devices in conjunction with paradigms for assembly, inter-connection and circuit styles), as opposed to approaches that focus on MOSFET replacement devices as the ultimate goal. In the `fabric-centric\u27 mindset, design choices at individual levels are made compatible with the fabric as a whole and minimize challenges for nanomanufacturing while achieving system-level benefits vs. scaled CMOS. We present semiconductor nanowire based nano-fabrics incorporating these fabric-centric principles called NASICs and N3ASICs and discuss how we have taken them from initial design to experimental prototype. Manufacturing challenges are mitigated through careful design choices at multiple levels of abstraction. Regular fabrics with limited customization mitigate overlay alignment requirements. Cross-nanowire FET devices and interconnect are assembled together as part of the uniform regular fabric without the need for arbitrary fine-grain interconnection at the nanoscale, routing or device sizing. Unconventional circuit styles are devised that are compatible with regular fabric layouts and eliminate the requirement for using complementary devices. Core fabric concepts are introduced and validated. Detailed analyses on device-circuit co-design and optimization, cascading, noise and parameter variation are presented. Benchmarking of nanowire processor designs vs. equivalent scaled 16nm CMOS shows up to 22X area, 30X power benefits at comparable performance, and with overlay precision that is achievable with present-day technology. Building on the extensive manufacturing-friendly fabric framework, we present recent experimental efforts and key milestones that have been attained towards realizing a proof-of-concept prototype at dimensions of 30nm and below

Bias Temperature Instability Modelling and Lifetime Prediction on Nano-scale MOSFETs

Bias Temperature Instability (BTI) is one of the most important reliability concerns for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), the basic unit in integrated circuits. As the development MOSFET manufacturing technology, circuit designers need to consider device reliability during design optimization. An accurate BTI lifetime prediction methodology becomes a prerequisite. Typical BTI lifetime standard is ten years, accelerated BTI tests under high stress voltages are mandatory. BTI modelling is needed to project BTI lifetime from high voltages (accelerated condition) to operating voltage. The existing two mainstream BTI models: 1). The Reaction-Diffusion (R-D) framework and 2). The Two-Stage model cannot provide accurate lifetime prediction. Quite a few fitting parameters and unjustifiable empirical equations are needed in the R-D framework to predict the lifetime, questioning its predicting capability. The Two-stage model cannot project device lifetime from high voltages to operating voltage. Moreover, the scaling down of MOSFET feature size brings new challenges to nano-scale device lifetime prediction: 1). Nano-scale devices’ current is fluctuating due to the impact of a single charge is increasing as MOSFET scaling down, repetitive tests need to be done to achieve meaningful averaged results; 2). Nano-scale devices have significant Device-to-Device variability, making the lifetime a distribution instead of a single value. In this work a comprehensive As-grown Generation (A-G) framework based on the A-G model and defect centric theory is proposed and successfully predicts the Time Dependent Variability and lifetime on nano-scale devices. The predicting capability is validated by the good agreement between the test data and predicted values. It is speculated that the good predicting capability is due to the correct understanding of different types of defects. In the A-G framework, Time Dependent Variability is experimentally separated into Within-Device Fluctuation and the averaged degradation. Within-Device Fluctuation can be directly measured and the averaged degradation can be modelled using the A-G model. The averaged degradation in the A-G model contains: Generated Defects, As-grown Traps and Energy Alternating Defects. These defects have different kinetics against stress time thus need separate modelling. Various patterns such as Stress-Discharge-Recharge, multi-Discharging-based Multiple Pulses are designed to experimentally separate these defects based on their different charging/discharging properties. Fast-Voltage Step Stress technique is developed to reduce the testing time by 90% for the A-G framework parameter extraction, making the framework practical for potential use in industry

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

Towards Reliability- & Variability-aware Design-Technology Co-optimization in Advanced Nodes: Defect Characterization, Industry-friendly Modelling and ML-assisted Prediction

Reliability- & variability-aware Design Technology co-optimization (RV-DTCO) becomes indispensable with advanced nodes. However, four key issues hinder its practical adoption: the lack of characterization technique that offer both accuracy and efficiency, the lack of defect model with long-term prediction capability, the lack of compact model compatible with most EDA platforms, and the low efficiency in circuit-level prediction to support frequent iterations during co-optimization. Demonstrating with 7nm technology, this work tackles these issues by developing an efficient characterization method for separating defects, introducing a comprehensive test-data-verified defect-centric physical-based model & an industry-friendly OMI-based compact model, and proposing a machine learning-assisted approach to accelerate circuit-level prediction. With these achievements, a RV-DTCO flow is established and demonstrated on 3nm GAA technology to bridge the material level to the circuit level. The work paves ways in boosting adoption of RV-DTCO in both circuit design & process development for ultimate nodes. Index Terms— Design Technology co-optimization (DTCO), FinFET, reliability, variability, Discharging-based multi-pulse technique (DMP), OMI, ST-GN

Using Fine Grain Approaches for highly reliable Design of FPGA-based Systems in Space

Nowadays using SRAM based FPGAs in space missions is increasingly considered due to their flexibility and reprogrammability. A challenge is the devices sensitivity to radiation effects that increased with modern architectures due to smaller CMOS structures. This work proposes fault tolerance methodologies, that are based on a fine grain view to modern reconfigurable architectures. The focus is on SEU mitigation challenges in SRAM based FPGAs which can result in crucial situations

Modelling and simulation of paradigms for printed circuit board assembly to support the UK's competency in high reliability electronics

The fundamental requirement of the research reported within this thesis is the provision of physical models to enable model based simulation of mainstream printed circuit assembly (PCA) process discrete events for use within to-be-developed (or under development) software tools which codify cause & effects knowledge for use in product and process design optimisation. To support a national competitive advantage in high reliability electronics UK based producers of aircraft electronic subsystems require advanced simulation tools which offer model based guidance. In turn, maximization of manufacturability and minimization of uncontrolled rework must therefore enhance inservice sustainability for ‘power-by-the-hour’ commercial aircraft operation business models. [Continues.

Sustainable Fault-handling Of Reconfigurable Logic Using Throughput-driven Assessment

A sustainable Evolvable Hardware (EH) system is developed for SRAM-based reconfigurable Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) using outlier detection and group testing-based assessment principles. The fault diagnosis methods presented herein leverage throughput-driven, relative fitness assessment to maintain resource viability autonomously. Group testing-based techniques are developed for adaptive input-driven fault isolation in FPGAs, without the need for exhaustive testing or coding-based evaluation. The techniques maintain the device operational, and when possible generate validated outputs throughout the repair process. Adaptive fault isolation methods based on discrepancy-enabled pair-wise comparisons are developed. By observing the discrepancy characteristics of multiple Concurrent Error Detection (CED) configurations, a method for robust detection of faults is developed based on pairwise parallel evaluation using Discrepancy Mirror logic. The results from the analytical FPGA model are demonstrated via a self-healing, self-organizing evolvable hardware system. Reconfigurability of the SRAM-based FPGA is leveraged to identify logic resource faults which are successively excluded by group testing using alternate device configurations. This simplifies the system architect\u27s role to definition of functionality using a high-level Hardware Description Language (HDL) and system-level performance versus availability operating point. System availability, throughput, and mean time to isolate faults are monitored and maintained using an Observer-Controller model. Results are demonstrated using a Data Encryption Standard (DES) core that occupies approximately 305 FPGA slices on a Xilinx Virtex-II Pro FPGA. With a single simulated stuck-at-fault, the system identifies a completely validated replacement configuration within three to five positive tests. The approach demonstrates a readily-implemented yet robust organic hardware application framework featuring a high degree of autonomous self-control