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

A detailed study of the gate/drain voltage dependence of RTN in bulk pMOS transistors

Random Telegraph Noise (RTN)has attracted increasing interest in the last years. This phenomenon introduces variability in the electrical properties of transistors, in particular in deeply-scaled CMOS technologies, which can cause performance degradation in circuits. In this work, the dependence of RTN parameters, namely current jump amplitude and emission and capture time constants, on the bias conditions, both VG and VD, has been studied on a set of devices, with a high granularity in a broad voltage range. The results obtained for the VG dependences corroborate previous works, but suggest a unique trend for all the devices in a VG range that goes from the near-threshold region up to voltages over the nominal operation bias. However, different trends have been observed in the parameters dependence for the case of VD. From the experimental data, the probabilities of occupation of the associated defects have been evaluated, pointing out large device-to-device dispersion in the VD dependences.Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades TEC2016-75151-C3-R, BES-2017-08016

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

Efficient Estimation of Reliability Metrics for Circuits in Deca-Nanometer Nodes

51 σ.Καθώς η τεχνολογία οδηγεί στη κατασκευή τρανζίστορ ολοένα και μικρότερων διαστάσεων, έχουν εμφανιστεί αρκετά φαινόμενα που επηρεάζουν την αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ένα από αυτά τα φαινόμενα ονομάζεται "Bias Temperature Instability", αποτελεί σημαντικό κίνδυνο για την αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και έχει παρατηρηθεί εδώ και πάνω από 30 χρόνια. Το πρώτο μοντέλο που προσπάθησε να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο εμφανίστηκε πριν από 30 περίπου χρόνια, βασίστηκε στη διάχυση υδρογόνου και ως εκ τούτου ονομάστηκε "Reaction-Diffusion model". Πριν από μερικά χρόνια δημιουργήθηκε ένα νέο ατομιστικό μοντέλο το οποίο βασίζεται κυρίως στην εμφάνιση ελαττωμάτων στο διηλεκτρικό μεταξύ της πύλης και του καναλιού των FET τρανζίστορ. Μελετώντας κανείς τη βιβλιογραφία που αφορά στο ατομιστικό αυτό μοντέλο, μπορεί να συναντήσει εργαλεία που προσομοιώνουν με ακρίβεια το μοντέλο αλλά δυστυχώς απαιτούν αρκετό χρόνο για να εκτελεστούν, κάτι το οποίο τα καθιστά απαγορευτικά για εκτενή χρήση. Παράλληλα, υπάρχουν εργαλεία βασισμένα στο μοντέλο της διάχυσης τα οποία βέβαια αδυνατούν να παράξουν σωστά και λεπτομερή αποτελέσματα, κυρίως σε τεχνολογίες μικρών διαστάσεων. Η παρούσα λοιπόν διπλωματική εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα ενός νέου και καινοτόμου εργαλείου το οποίο βασίζεται στο ατομιστικό μοντέλο, ωστόσο προσομοιώνει αποδοτικά αλλά και με ακρίβεια το φαινόμενο της γήρανσης. Ένα αντιπροσωπευτικό μονοπάτι στατικής μνήμης (SRAM) θα χρησιμοποιηθεί ως παράδειγμα της λειτουργίας του μοντέλου ενώ παράλληλα θα υπολογισθούν, με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών, μετρικές, σημαντικές για το χαρακτηρισμό της απόδοσης και αξιοπιστίας του κυκλώματος, ενώ παράλληλα θα μελετηθούν λεπτομερώς και οι σχέσεις που τις συνδέουν.In modern technologies of integrated circuits (IC) and with the downscaling of device dimensions, various degradation modes constitute major reliability concerns. Bias Temperature Instability (BTI) is a representative example, posing as a significant reliability threat in Field-Effect Transistor (FET) technologies and has been known for more than 30 years. At first, the model that tried to explain this phenomenon was based on the Reaction-Diffusion (RD) theory and was developed nearly 30 years ago. Recently, an atomistic model has been proposed, that enables the modeling of BTI in modern technologies. By observing the amount of software designed to simulate the BTI degradation, tools can be found that are based on the atomistic theory but are computationally prohibitive when it comes to simulating complex circuits consisting of a large number of devices. Tools based on the RD model are unable to accurately capture the BTI-induced degradation, especially in devices with small dimensions. The current thesis is appropriately positioned since it discusses a novel simulation framework that is efficient yet highly accurate. A subset of an embedded Static Random Access Memory (SRAM) is used for verification purposes. The estimation of the functional yield of the circuit over three years of operation will be examined as well as other reliability metrics, such as defects per million (DPM), mean time to failure (MTTF) and failures in time (FIT rate). Finally, the interplay between these metrics is discussed and efficient computation methods are proposed for each one.Μιχαήλ Α. Νόλτση

ランダム・テレグラフ・ノイズの微細MOSFETへの影響に関する研究

筑波大学 (University of Tsukuba)201

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

Miniaturized Transistors, Volume II

In this book, we aim to address the ever-advancing progress in microelectronic device scaling. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) devices continue to endure miniaturization, irrespective of the seeming physical limitations, helped by advancing fabrication techniques. We observe that miniaturization does not always refer to the latest technology node for digital transistors. Rather, by applying novel materials and device geometries, a significant reduction in the size of microelectronic devices for a broad set of applications can be achieved. The achievements made in the scaling of devices for applications beyond digital logic (e.g., high power, optoelectronics, and sensors) are taking the forefront in microelectronic miniaturization. Furthermore, all these achievements are assisted by improvements in the simulation and modeling of the involved materials and device structures. In particular, process and device technology computer-aided design (TCAD) has become indispensable in the design cycle of novel devices and technologies. It is our sincere hope that the results provided in this Special Issue prove useful to scientists and engineers who find themselves at the forefront of this rapidly evolving and broadening field. Now, more than ever, it is essential to look for solutions to find the next disrupting technologies which will allow for transistor miniaturization well beyond silicon’s physical limits and the current state-of-the-art. This requires a broad attack, including studies of novel and innovative designs as well as emerging materials which are becoming more application-specific than ever before

Combined C-V/I-V and RTN CMOS Variability Characterization Using An On-Chip Measurement System

With the number of transistors integrated into a single integrated circuit (IC) crossing the one-billion mark and complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology scaling pushing device dimensions ever-so-close to atomic scales, variability in transistor performance is becoming the dominant constraint in modern-day CMOS IC design. Developing novel approaches for device characterization, which allow a detailed study of electrical transistor characteristics across large statistical sample sets, is crucial for the proper identification, characterization, and modeling of different physical sources of device variability. On-chip characterization methodologies have the potential to address all of these issues by enabling the characterization of large statistical device sample sets, while also allowing for high measurement quality and throughput. In this work, a fully-integrated system for on-chip combined capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) characterization of a large integrated test transistor array implemented in a 45-nm bulk CMOS process is presented. On-chip I-V characterization is implemented using a four-point Kelvin measurement technique with 12-bit sub-10 nA current measurement resolution, 10-bit sub-1 mV voltage measurement resolution, and sampling speeds on the order of 100 kHz. C-V characterization is performed using a novel leakage- and parasitics-insensitive charge-based capacitance measurement (CBCM) technique with atto-Farad resolution. The on-chip system is employed in developing a comprehensive CMOS transistor variability characterization methodology, studying both random and systematic sources of quasi-static device variability. For the first time, combined C-V/I-V characterization of circuit-representative devices is demonstrated and used to extract variations in the under- lying physical parameters of the device. Additionally, the fast current sampling capabilities of the system are used for the characterization of random telegraph noise (RTN) in small area devices. An automated methodology for the extraction of RTN parameters is developed, and the statistics of RTN are studied across device type, bias, and geometry

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

Negative bias temperature instabilities induced in device with millisecond anneal for ultra-shallow junctions

In this paper the NBTI degradation has been studied in pMOS transistors with ultra-thin high-k dielectric subjected to a millisecond anneal for ultra-shallow junction implantation using different laser powers. An ultrafast characterization technique has been developed with the aim of acquiring the threshold voltage (Vth) shift in relaxation times as short as possible once the electrical stress is removed. It has been observed that increasing the millisecond anneal temperature reduce the NBTI degradation. These results have been explained in the context of the emission and capture probability maps of the defects