Characterization of time-based degradation effects and machine learning-based modeling of hot carrier injection in 40 NM CMOS transistors
40 NM CSMOS transistörlerde sıcak taşıyıcı enjeksiyonunun zaman bazlı bozulma etkilerinin karakterizasyonu ve makine öğrenimine dayalı modellenmesi
- Tez No: 684361
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 94
Özet
Bu tezde iki temel zamana dayalı bozunma mekanizması incelenmiştir: yanlı sıcaklık kararsızlığı (BTI) ve sıcak taşıyıcı enjeksiyonudur (HCI). Bu etkiler ağırlıklı olarak kısa kanallı transistörlerde gözlenmektedir. Dolayısıyla 40 nm teknolojisinde bu etkilerin incelenmesi, test edilmesi ve modellenmesi ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. BTI, transistörlerin kapı ve kaynak terminalleri arasına yüksek bir negatif gerilim uygulandığında MOSFET'lerde ortaya çıkan bir yaşlanma mekanizmasıdır. Bu nedenle BTI, cihaz yapısında yük taşıyıcı hareketliliğini değiştiren fiziksel değişikliklere neden olarak drenaj akımı veya transkondüktans gibi kritik transistör özelliklerini değiştirebilir. Ayrıca, BTI test edilen cihazın sıcaklığına büyük ölçüde bağlı olan bir bozunma mekanizmasıdır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, bu etki o kadar belirgin hale gelir. Literatürde bilinen ve üzerinde çalışılan bir diğer önemli yaşlanma mekanizması, kanal sıcak taşıyıcı (CHC) olarak da bilinen HCI'dır. Cihaz elektriksel HCI stresi altındayken, yük taşıyıcıları kanal boyunca geniş yanal elektrik alan altında hızlanır ve kafes yarı iletken atomlarıyla çarpışarak darbeli iyonizasyona uğrarlar ve sonuç olarak bir elektron-boşluk çifti oluşur. n-MOSFET'lerde elektronlar pozitif kapı gerilimine çekilir. Si/SiO_2 arayüzündeki engeli aşmak için yeterli enerjiye sahip oldukları göz önüne alındığında, bu sıcak elektronlar dielektrik katman boyunca bir tünel açarlar ve dolayısıyla bir geçit kaçak akımı üretirler. Sonuç olarak, bu durum oksit veya yarı iletken-oksit arayüzündeki bazı SiO_2 bağlarının kırılmasına sebep olabilir. Bu tez kapsamında, hem HCI hem de BTI için n- ve p-MOSFETS üzerinde güvenilirlik ve değişkenlik stres testleri ile birlikte oda sıcaklığı ölçümlerini gerçekleştirmek için otomatik bir ölçüm düzeni kullanılmıştır. Kurulum 3. bölümde anlatılmış ve elde edilen sonuçlar ve tartışmalar tezin 4. bölümünde verilmiştir. Tezin beşinci bölümünde, drenaj/kaynak akımı, eşik voltajı ve $g_{on}$ açısından HCI modellemesi anlatılmıştır. Modellerin geçerliliğini ve doğruluğunu göstermek için her model örnekler ve sonuçlarla desteklenmiştir. Çalışmanın temel katkıları şu şekilde özetlenebilir: 1) Tasarlanan test çipi, farklı boyutlarda n-MOSFET'lerden ve p-MOSFET'lerden oluşmaktadır. Özellikle, güvenilirlik bozulma testlerine tabi tutulduklarında performanslarının nasıl değiştiğini gözlemlemek için (miliamper düzeyinde) büyük akımlar sağlayan uzun kanal genişliklerine sahip cihazlar bu çipe dahil edilmiştir. Bunlar aynı zamanda analog ve radyo frekanslı entegre devre tasarımlarında sıklıkla kullanılan cihaz türleridir. Örneğin, radyo frekansı (RF) tasarımında, devrenin farklı iletişim standartlarıyla uyumlu olabilmesi için yüksek kazanç ve geçiş frekansı sağlamak için büyük bir g_m gereklidir. Bu gereklilik ayrıca transistörlerin büyük boşaltma akımlarını işlemesini zorunlu kılar; bu nedenle, büyük cihaz en-boy oranı W/L değerlerinin seçilmesi zorunludur. g_m'yi artırmanın ek bir yararı da, RF devre tasarımında önemli bir özellik olan NF'yi azaltmaktır. Benzer şekilde, yüksek frekanslı analog tasarımda, geniş bant genişliğine sahip amplifikatörler, yalnızca, en iyi performansta çalışmasını sağlayan büyük boşaltma akımlarının akmalarına izin verecek yüksek en-boy oranlarına sahip transistörler aracılığıyla tasarlanabilir. 2) Test çipi, BTI ve HCI'nın n- ve p-MOSFET'ler üzerindeki etkisini karakterize etmek için kullanılmıştır. Özellikle p-MOSFET'lerdeki HCI bozunması literatürde genellikle göz ardı edilmiştir ve bu çalışmada bu etkinin oldukça büyük olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, bir yığın-kaynak potansiyelinin, yani vücut etkisi, varlığında stres testleri yürütülmüştür güvenilirlik bozulması ile birlikte dikkate alınmıştır. Yığın-kaynak potansiyeli ve BTI arasındaki ilişki 65 nm p-MOSFET'ler için tartışılmış olsa da, literatürde hem n- hem de p-MOSFET'leri dikkate alan genel bir incelemenin eksikliği görülmüştür. 3) n-MOSFET'lerde HCI ve p-MOSFET'lerde BTI için zamana bağlı değişkenlik değerlendirilmiştir. Değişkenliği doğru bir şekilde yakalamak için hem farklı hem de aynı kalıplarda transistörler ölçüldü. Bu yöntem ile hem kalıptan kalıba hem de kalıp içi varyasyonların hesaba katılması sağlanmıştır. Literatürde bu çalışmada sorgulanan n-MOSFET'lerin zamana bağlı HCI değişkenliğinin ayrıntılı olarak incelenmediği görülmüştür. Tezin beşinci bölümü hem n-HCI hem de p-HCI sebebiyle görülen performans düşüşünün makine öğrenmesine dayalı modelleme sonuçlarını içermektedir. Projenin stres ve ölçüm bölümünde, HCI nedeniyle farklı bozulma seviyelerini tetikleyen yedi farklı stres koşulu test edilmiştir. Her biri için oda sıcaklığında stres sonrası akım-gerilim karakteristikleri ölçülmüştür. Bu veriler daha sonra organize edilmiş ve eğitim için normalize edilmiştir. MOSFET'lerde yaşlanma mekanizmalarının güvenilirlik modelleriyle ilgili çalışmaların çoğu, yarı iletken fiziği teori ve altyapısı kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu modeller genellikle üreticilere göre değişen teknoloji ve üretim süreçlerine özeldir. Ayrıca, bu fiziksel modeller saklıdır ve analog tasarımcılar için anlaşılması güçtür. Tezin bu bölümünün arkasındaki motivasyon, özellikle ortak HCI ve BTI modellerinin yukarıda bahsedilen iki dezavantajının üstesinden gelmeye dayanmaktadır. Bu nedenle literatürde yeterince araştırılmayan veriye dayalı bir modelleme yöntemi araştırılmıştır. İlk adım, modelleme metodolojisini seçmek olmuştur. Makine öğrenimi, çeşitli farklı yaklaşımları içerir, bu nedenle, suret modelleme, sinir ağları ve regresyon öğrenmesi denenmiştir. Ortalama karekök hatası (RMSE) açısından en iyi performans gösteren yöntem, HCI modellemesi boyunca kullanılan Gauss süreci regresyonu algoritması olmuştur. Bir MOSFET'in performansı, sırasıyla elektron hareketliliğine ve delik hareketliliğine karşılık gelen VTH ve yük hareketliliği μn veya μp gibi parametrelerine bağlıdır. Bu parametrelerdeki değişiklik, drenaj akımını doğrudan etkiler. Bu nedenle, HCI'nin modellenmesi sırasında bu üç ana parametreye odaklanılmıştır. Hem n-HCI hem de p-HCI için, drenaj/kaynak akımı, eşik voltajı ve ON-iletkenliği g_on açısından HCI modellemesi açıklanmıştır. Ortaya çıkan eşik voltajı ve ON-iletkenliği g_on ile ilgili tahmin edilen değerler aracılığıyla, değişiklik ve hareketlilik de tahmin edilebilmektedir. Bu modellemenin amacı, analog ve RF tasarımcıların bozulma mekanizmalarından kaynaklanan performans düşüşünü tasarım sırasında hesaba katmalarını sağlayacak modelleri devre simülasyon programlarına dahil etmektir. BTI modellemesi ile beraber bu hedef projenin gelecek işleri arasında yer almaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis describes the characterization of 40 nm process technology metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) under the stress of time-based degradation mechanisms. The two main phenomena that have been discussed in this thesis are bias temperature instability (BTI) and hot carrier injection (HCI). BTI is an aging mechanism in MOSFETs that occurs when a large negative voltage is applied between the gate and source terminals of the transistors. Meanwhile, as the channel geometry decreases, the HCI degradation mechanism has also been detected in short-channel devices due to the increased lateral electric field across the channel. HCI is observed when the device is ON, meaning that the gate voltage VG exceeds the threshold voltage and the drain voltage VD (in n-type MOSFETs) exceeds the saturation drain voltage. Stress tests have been carried out on both n- and p-MOSFETs with large channel widths and shorter channel lengths, as practically observed in analog and radio frequency circuits. The characterization of the reliability in this thesis includes variables such as body effect, which is not commonly researched upon in the literature. Another important section of the reliability analysis has been the study of variability of post-stress performance degradations for both HCI and BTI. In order to correctly capture the variability, transistors from different dies and on the same die were measured. This enables to account for both die-to-die and within-die variations. Moreover, both the body effect and the post-stress variability have been found to affect the transistor and circuit performance significantly. In the fourth chapter of this thesis, the post-stress results pertaining to several stress conditions that trigger HCI and BTI, have been given. It has been therefore proven that the test setup for the characterization has been successful. The fifth chapter of this thesis contains the learning-based modeling results of the performance degradation due to both n-HCI and p-HCI. In the stress and measurement part of the project, seven different stress conditions, that trigger different degradation levels due to HCI, have been tested. For each of them, current – voltage characteristics have been measured post-stress in room temperature. This data has then been organized and normalized. The next step has been to select the modeling methodology. Machine learning includes a variety of different approaches hence, surrogate modeling, neural networks as well as regression learning have been tried. The best performing method in terms of root mean square error (RMSE) has been the gaussian process regression algorithm, which has been used throughout the modeling of HCI. The performance of a MOSFET depends on parameters such as VTH and charge mobility μn or μp corresponding to electron mobility and hole mobility respectively. The change in these parameters directly affects the drain current. Hence, during the modeling of HCI, the focus has been kept on these three main parameters. For both n-HCI and p-HCI, the modeling of HCI in terms of drain/source current, threshold voltage and ON-conductance g_on has been described. Through the resulting predicted values of threshold voltage and ON-conductance g_on, the change and mobility can also be predicted. The purpose of these models is to incorporate them into circuit simulation programs that would allow the analog and RF designers to account for the degradation in performance due to degradation mechanisms. This objective together with the modeling of BTI will be part of my future work in this project.
Benzer Tezler
- Characterization and modeling of negative-biastemperature instability in 40 NM CMOS technologythrough long short-term memory (LSTM) networks
Uzun kısa-süreli bellek ağlarıyla (LSTM)40 NM CMOS teknolojisinde negatif-kutuplamasıcaklık kararsızlığının karakterizasyonu ve modellenmesi
FİKRET BAŞAR GENCER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Suberik asit esaslı yeni organik faz değiştiren malzemelerin (FDM) sentezi ve termal karakterizasyonu
Synthesis and thermal characterization of suberic acid based novel organic phase change materials (PCM)
GİZEM TOPRAKÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ALPER AYDIN
- Variability and reliability in nanoscale circuits: Simulation, design, monitoring, and characterization
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA BERKE YELTEN
Doktora
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiNorth Carolina State UniversityDR. MICHEAL B. STEER
DR. PAUL D. FRANZON
- Seydişehir alüminasında kalıplamayla seramik malzemelerin üretilmesi
Başlık çevirisi yok
TURAN TAMBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR ÖZGEN
- Applicability of advanced oxidation processes for treatment and recovery of washing machine effluent: On-site application with new washing machine design
İleri oksidasyon prosesleri uygulamaları ile çamaşır makinesi atık sularının arıtılması ve geri kazanılması: Yerinde uygulama ile yeni çamaşır makinesi tasarımı
LEVENT KILIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUĞBA ÖLMEZ HANCI