Advanced characterization methodologies of the time dependent variability in CMOS technologies

Abstract

L'escalat de les tecnologies CMOS és la causa de la gran millora del rendiment dels sistemes electrònics durant les últimes dècades. Tanmateix, amb la disminució de les dimensions dels dispositius, apareixen nous problemes que cal resoldre per millorar encara més el rendiment dels sistemes electrònics. Actualment, la presència de diferents efectes estocàstics que introdueixen variabilitat i redueixen la fiabilitat en els MOSFET altament escalats, com el Random Telegraph Noise (RTN), el Bias Temperature Instabilities (BTI) o la injecció de portadors calents (HCI), és una de les principals causes del desajust i impredictibilitat dels dispositius. Per tal d'abordar aquests problemes, en aquesta tesi es dissenyen, desenvolupen i es posen a prova metodologies avançades de caracterització de dispositius. La nova tècnica que es presenta aquí redueix el temps de caracterització requerit de centenars de dispositius en dos o tres ordres de magnitud, en comparació amb el temps que necessiten els procediments convencionals. A més, la tècnica s'ha aplicat amb èxit a la caracterització dels efectes RTN, BTI i HCI en dispositius electrònics avançats, proporcionant una descripció unificada de les tres causes principals de la variabilitat i la falta de fiabilitat del dispositiu. El coneixement adquirit sobre la variabilitat depenent del temps dels MOSFET contribuirà a la millora de la fiabilitat de les tecnologies CMOS actuals i futures.

El escalado de las tecnologías CMOS és la causa de la gran mejora del rendimiento de los sistemas electrónicos en las últimas décadas. Sin embargo, con la disminución de las dimensiones de los dispositivos, aparecen nuevos problemas a resolver para mejorar aún más el rendimiento de los sistemas electrónicos. Actualmente, la presencia de diferentes efectos estocásticos que introducen variabilidad y reducen la fiabilidad en los MOSFET altamente escalados, como el Random Telegraph Noise (RTN), el Bias Temperature Instabilities (BTI) o la inyección de portadores calientes (HCI), es una de las principales causas del desajuste e impredecibilidad de los dispositivos. Para abordar estos problemas, en esta tesis se diseñan, desarrollan y ponen a prueba metodologías avanzadas de caracterización de dispositivos. La nueva técnica aquí presentada reduce el tiempo de caracterización requerido de cientos de dispositivos en dos o tres órdenes de magnitud, en comparación con el tiempo que necesitan los procedimientos convencionales. Además, la técnica se ha aplicado con éxito en la caracterización de los efectos RTN, BTI y HCI en dispositivos electrónicos avanzados, proporcionando una descripción unificada de las tres causas principales de la variabilidad y la falta de fiabilidad del dispositivo. El conocimiento adquirido sobre la variabilidad dependiendo del tiempo de los MOSFET contribuirá a la mejora de la fiabilidad de las tecnologías CMOS actuales y futuras.

Scaling of CMOS technologies is behind the large improvement of electronic systems performance during the last decades. However, with device dimensions decrease, new problems appear that must be solved in order to further improve the performance of electronic systems. Nowadays, the presence of different stochastic effects that introduce variability and unreliability on the highly scaled MOSFETs, such as Random Telegraph Noise (RTN), Bias Temperature Instability (BTI) or Hot Carriers Injection (HCI), is one of the major causes of device mismatch and unpredictability. In order to address these problems, in this thesis, advanced device characterization methodologies are designed, developed and tested. The new technique presented here reduces the required characterization time of hundreds of devices by two or three orders of magnitude, when compared to that needed by conventional procedures. Moreover, the technique has been successfully applied to the characterization of the RTN, BTI and HCI effects in advanced electronic devices, providing a unified description of the three main causes of device variability and unreliability. The gained knowledge on the time-dependent variability of MOSFETs will contribute to the improvement of the reliability of present and future CMOS technologies.