O ruído de baixa frequência é um limitador de desempenho em circuitos analógicos, digitais e de radiofrequência, introduzindo ruído de fase em osciladores e reduzindo a estabilidade de células SRAM, por exemplo. Transistores de efeito de campo de metalóxido- semicondutor (MOSFETs) são conhecidos pelos elevados níveis de ruído 1= f e telegráfico, cuja potência pode ser ordens de magnitude maior do que a observada para ruído térmico para frequências de até dezenas de kHz. Além disso, com o avanço da tecnologia, a frequência de corner —isto é, a frequência na qual as contribuições dos ruídos térmico e shot superam a contribuição do ruído 1= f — aumenta, tornando os ruídos 1= f e telegráfico os mecanismos dominantes de ruído na tecnologia CMOS para frequências de até centenas de MHz. Mais ainda, o ruído de baixa frequência em transistores nanométricos pode variar significativamente de dispositivo para dispositivo, o que torna a variabilidade de ruído um aspecto importante para tecnologias MOS modernas. Para assegurar o projeto adequado de circuitos do ponto de vista de ruído, é necessário, portanto, identificar os mecanismos fundamentais responsáveis pelo ruído de baixa frequência em MOSFETs e desenvolver modelos capazes de considerar as dependências do ruído com geometria, polarização e temperatura. Neste trabalho é proposta uma técnica para análise de ruído de baixa frequência baseada na autocorrelação dos espectros de ruído em função de parâmetros como frequência, polarização e temperatura. A metodologia apresentada revela informações importantes sobre os mecanismos responsáveis pelo ruído 1= f que são difíceis de obter de outras formas. As análises de correlação realizadas em três tecnologias CMOS comerciais (140 nm, 65 nm e 45 nm) fornecem evidências contundentes de que o ruído de baixa frequência em transistores MOS tipo-n e tipo-p é composto por um somatório de sinais telegráficos termicamente ativados. / Low-frequency noise (LFN) is a performance limiter for analog, digital and RF circuits, introducing phase noise in oscillators and reducing the stability of SRAM cells, for example. Metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) are known for their particularly high 1= f and random telegraph noise levels, whose power may be orders of magnitude larger than thermal noise for frequencies up to dozens of kHz. With the technology scaling, the corner frequency — i.e. the frequency at which the contributions of thermal and shot noises to noise power overshadow that of the 1= f noise — is increased, making 1= f and random telegraph signal (RTS) the dominant noise mechanism in CMOS technologies for frequencies up to several MHz. Additionally, the LFN levels from device-to-device can vary several orders of magnitude in deeply-scaled devices, making LFN variability a major concern in advanced MOS technologies. Therefore, to assure proper circuit design in this scenario, it is necessary to identify the fundamental mechanisms responsible for MOSFET LFN, in order to provide accurate LFN models that account not only for the average noise power, but also for its variability and dependences on geometry, bias and temperature. In this work, a new variability-based LFN analysis technique is introduced, employing the autocorrelation of multiple LFN spectra in terms of parameters such as frequency, bias and temperature. This technique reveals information about the mechanisms responsible for the 1= f noise that is difficult to obtain otherwise. The correlation analyses performed on three different commercial mixed-signal CMOS technologies (140-nm, 65-nm and 40-nm) provide strong evidence that the LFN of both n- and p-type MOS transistors is primarily composed of the superposition of thermally activated random telegraph signals (RTS).

O ruído de baixa frequência é um limitador de desempenho em circuitos analógicos, digitais e de radiofrequência, introduzindo ruído de fase em osciladores e reduzindo a estabilidade de células SRAM, por exemplo. Transistores de efeito de campo de metalóxido- semicondutor (MOSFETs) são conhecidos pelos elevados níveis de ruído 1= f e telegráfico, cuja potência pode ser ordens de magnitude maior do que a observada para ruído térmico para frequências de até dezenas de kHz. Além disso, com o avanço da tecnologia, a frequência de corner —isto é, a frequência na qual as contribuições dos ruídos térmico e shot superam a contribuição do ruído 1= f — aumenta, tornando os ruídos 1= f e telegráfico os mecanismos dominantes de ruído na tecnologia CMOS para frequências de até centenas de MHz. Mais ainda, o ruído de baixa frequência em transistores nanométricos pode variar significativamente de dispositivo para dispositivo, o que torna a variabilidade de ruído um aspecto importante para tecnologias MOS modernas. Para assegurar o projeto adequado de circuitos do ponto de vista de ruído, é necessário, portanto, identificar os mecanismos fundamentais responsáveis pelo ruído de baixa frequência em MOSFETs e desenvolver modelos capazes de considerar as dependências do ruído com geometria, polarização e temperatura. Neste trabalho é proposta uma técnica para análise de ruído de baixa frequência baseada na autocorrelação dos espectros de ruído em função de parâmetros como frequência, polarização e temperatura. A metodologia apresentada revela informações importantes sobre os mecanismos responsáveis pelo ruído 1= f que são difíceis de obter de outras formas. As análises de correlação realizadas em três tecnologias CMOS comerciais (140 nm, 65 nm e 45 nm) fornecem evidências contundentes de que o ruído de baixa frequência em transistores MOS tipo-n e tipo-p é composto por um somatório de sinais telegráficos termicamente ativados. / Low-frequency noise (LFN) is a performance limiter for analog, digital and RF circuits, introducing phase noise in oscillators and reducing the stability of SRAM cells, for example. Metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) are known for their particularly high 1= f and random telegraph noise levels, whose power may be orders of magnitude larger than thermal noise for frequencies up to dozens of kHz. With the technology scaling, the corner frequency — i.e. the frequency at which the contributions of thermal and shot noises to noise power overshadow that of the 1= f noise — is increased, making 1= f and random telegraph signal (RTS) the dominant noise mechanism in CMOS technologies for frequencies up to several MHz. Additionally, the LFN levels from device-to-device can vary several orders of magnitude in deeply-scaled devices, making LFN variability a major concern in advanced MOS technologies. Therefore, to assure proper circuit design in this scenario, it is necessary to identify the fundamental mechanisms responsible for MOSFET LFN, in order to provide accurate LFN models that account not only for the average noise power, but also for its variability and dependences on geometry, bias and temperature. In this work, a new variability-based LFN analysis technique is introduced, employing the autocorrelation of multiple LFN spectra in terms of parameters such as frequency, bias and temperature. This technique reveals information about the mechanisms responsible for the 1= f noise that is difficult to obtain otherwise. The correlation analyses performed on three different commercial mixed-signal CMOS technologies (140-nm, 65-nm and 40-nm) provide strong evidence that the LFN of both n- and p-type MOS transistors is primarily composed of the superposition of thermally activated random telegraph signals (RTS).

O ruído de baixa frequência é um limitador de desempenho em circuitos analógicos, digitais e de radiofrequência, introduzindo ruído de fase em osciladores e reduzindo a estabilidade de células SRAM, por exemplo. Transistores de efeito de campo de metalóxido- semicondutor (MOSFETs) são conhecidos pelos elevados níveis de ruído 1= f e telegráfico, cuja potência pode ser ordens de magnitude maior do que a observada para ruído térmico para frequências de até dezenas de kHz. Além disso, com o avanço da tecnologia, a frequência de corner —isto é, a frequência na qual as contribuições dos ruídos térmico e shot superam a contribuição do ruído 1= f — aumenta, tornando os ruídos 1= f e telegráfico os mecanismos dominantes de ruído na tecnologia CMOS para frequências de até centenas de MHz. Mais ainda, o ruído de baixa frequência em transistores nanométricos pode variar significativamente de dispositivo para dispositivo, o que torna a variabilidade de ruído um aspecto importante para tecnologias MOS modernas. Para assegurar o projeto adequado de circuitos do ponto de vista de ruído, é necessário, portanto, identificar os mecanismos fundamentais responsáveis pelo ruído de baixa frequência em MOSFETs e desenvolver modelos capazes de considerar as dependências do ruído com geometria, polarização e temperatura. Neste trabalho é proposta uma técnica para análise de ruído de baixa frequência baseada na autocorrelação dos espectros de ruído em função de parâmetros como frequência, polarização e temperatura. A metodologia apresentada revela informações importantes sobre os mecanismos responsáveis pelo ruído 1= f que são difíceis de obter de outras formas. As análises de correlação realizadas em três tecnologias CMOS comerciais (140 nm, 65 nm e 45 nm) fornecem evidências contundentes de que o ruído de baixa frequência em transistores MOS tipo-n e tipo-p é composto por um somatório de sinais telegráficos termicamente ativados. / Low-frequency noise (LFN) is a performance limiter for analog, digital and RF circuits, introducing phase noise in oscillators and reducing the stability of SRAM cells, for example. Metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) are known for their particularly high 1= f and random telegraph noise levels, whose power may be orders of magnitude larger than thermal noise for frequencies up to dozens of kHz. With the technology scaling, the corner frequency — i.e. the frequency at which the contributions of thermal and shot noises to noise power overshadow that of the 1= f noise — is increased, making 1= f and random telegraph signal (RTS) the dominant noise mechanism in CMOS technologies for frequencies up to several MHz. Additionally, the LFN levels from device-to-device can vary several orders of magnitude in deeply-scaled devices, making LFN variability a major concern in advanced MOS technologies. Therefore, to assure proper circuit design in this scenario, it is necessary to identify the fundamental mechanisms responsible for MOSFET LFN, in order to provide accurate LFN models that account not only for the average noise power, but also for its variability and dependences on geometry, bias and temperature. In this work, a new variability-based LFN analysis technique is introduced, employing the autocorrelation of multiple LFN spectra in terms of parameters such as frequency, bias and temperature. This technique reveals information about the mechanisms responsible for the 1= f noise that is difficult to obtain otherwise. The correlation analyses performed on three different commercial mixed-signal CMOS technologies (140-nm, 65-nm and 40-nm) provide strong evidence that the LFN of both n- and p-type MOS transistors is primarily composed of the superposition of thermally activated random telegraph signals (RTS).

abstract: In very small electronic devices the alternate capture and emission of carriers at an individual defect site located at the interface of Si:SiO2 of a MOSFET generates discrete switching in the device conductance referred to as a random telegraph signal (RTS) or random telegraph noise (RTN). In this research work, the integration of random defects positioned across the channel at the Si:SiO2 interface from source end to the drain end in the presence of different random dopant distributions are used to conduct Ensemble Monte-Carlo ( EMC ) based numerical simulation of key device performance metrics for 45 nm gate length MOSFET device. The two main performance parameters that affect RTS based reliability measurements are percentage change in threshold voltage and percentage change in drain current fluctuation in the saturation region. It has been observed as a result of the simulation that changes in both and values moderately decrease as the defect position is gradually moved from source end to the drain end of the channel. Precise analytical device physics based model needs to be developed to explain and assess the EMC simulation based higher VT fluctuations as experienced for trap positions at the source side. A new analytical model has been developed that simultaneously takes account of dopant number variations in the channel and depletion region underneath and carrier mobility fluctuations resulting from fluctuations in surface potential barriers. Comparisons of this new analytical model along with existing analytical models are shown to correlate with 3D EMC simulation based model for assessment of VT fluctuations percentage induced by a single interface trap. With scaling of devices beyond 32 nm node, halo doping at the source and drain are routinely incorporated to combat the threshold voltage roll-off that takes place with effective channel length reduction. As a final study on this regard, 3D EMC simulation method based computations of threshold voltage fluctuations have been performed for varying source and drain halo pocket length to illustrate the threshold voltage fluctuations related reliability problems that have been aggravated by trap positions near the source at the interface compared to conventional 45 nm MOSFET. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2011

O Ruído de Baixa Frequência (LFN), tais como o ruído flicker e o Random Telegraph Noise (RTN), são limitadores de performance em muitos circuitos analógicos e digitais. Para transistores diminutos, a densidade espectral de potência do ruído pode variar muitas ordens de grandeza, impondo uma séria limitação na performance do circuito e também em sua confiabilidade. Nesta tese, nós propomos um novo modelo de RTN estatístico para descrever o ruído de baixa frequência em MOSFETs. Utilizando o modelo proposto, pode-se explicar e calcular o valor esperado e a variabilidade do ruído em função das polarizações, geometrias e dos parâmetros físicos do transistor. O modelo é validado através de inúmeros resultados experimentais para dispositivos com canais tipo n e p, e para diferentes tecnologias CMOS. É demonstrado que a estatística do ruído LFN dos dispositivos de canal tipo n e p podem ser descritos através do mesmo mecanismo. Através dos nossos resultados e do nosso modelo, nós mostramos que a densidade de armadilhas dos transistores de canal tipo p é fortemente dependente do nível de Fermi, enquanto para o transistor de tipo n a densidade de armadilhas pode ser considerada constante na energia. Também é mostrado e explicado, através do nosso modelo, o impacto do implante de halo nas estatísticas do ruído. Utilizando o modelo demonstra-se porque a variabilidade, denotado por σ[log(SId)], do RTN/LFN não segue uma dependência 1/√área; e fica demonstrado que o ruído, e sua variabilidade, encontrado em nossas medidas pode ser modelado utilizando parâmetros físicos. Além disso, o modelo proposto pode ser utilizado para calcular o percentil do ruído, o qual pode ser utilizado para prever ou alcançar certo rendimento do circuito. / Low Frequency Noise (LFN) and Random Telegraph Noise (RTN) are performance limiters in many analog and digital circuits. For small area devices, the noise power spectral density can easily vary by many orders of magnitude, imposing serious threat on circuit performance and possibly reliability. In this thesis, we propose a new RTN model to describe the statistics of the low frequency noise in MOSFETs. Using the proposed model, we can explain and calculate the Expected value and Variability of the noise as function of devices’ biases, geometry and physical parameters. The model is validated through numerous experimental results for n-channel and p-channel devices from different CMOS technology nodes. We show that the LFN statistics of n-channel and p-channel MOSFETs can be described by the same mechanism. From our results and model, we show that the trap density of the p-channel device is a strongly varying function of the Fermi level, whereas for the n-channel the trap density can be considered constant. We also show and explain, using the proposed model, the impact of the halo-implanted regions on the statistics of the noise. Using this model, we clarify why the variability, denoted by σ[log(SId)], of RTN/LFN doesn't follow a 1/√area dependence; and we demonstrate that the noise, and its variability, found in our measurements can be modeled using reasonable physical quantities. Moreover, the proposed model can be used to calculate the percentile quantity of the noise, which can be used to predict or to achieve certain circuit yield.

With CMOS technology scaling reaching its limitations rigorous research of alternate and competent technologies is paramount to push the boundaries of computing. Spintronic and resistive memories have proven to be effective alternatives in terms of area, power and performance to CMOS because of their non-volatility, ability for logic computing and easy integration with CMOS. However, deeper investigations to understand their physical phenomenon and improve their properties such as writability, stability, reliability, endurance, uniformity with minimal device-device variations is necessary for deployment as memories in commercial applications. Application of these technologies beyond memory and logic are investigated in this thesis i.e. for security of integrated circuits and systems and special purpose memories. We proposed a spintonic based special purpose memory for search applications, present design analysis and techniques to improve the performance for larger word lengths upto 256 bits. Salient characteristics of RRAM is studied and exploited in the design of widely accepted hardware security primitives such as Physically Unclonable Function (PUF) and True Random Number Generators (TRNG). Vulnerability of these circuits to adversary attacks and countermeasures are proposed. Proposed PUF can be implemented within 1T-1R conventional memory architecture which offers area advantages compared to RRAM memory and cross bar array PUFs with huge number of challenge response pairs. Potential application of proposed strong arbiter PUF in the Internet of things is proposed and performance is evaluated theoretically with valid assumptions on the maturity of RRAM technology. Proposed TRNG effectively utilizes the random telegraph noise in RRAM current to generate random bit stream. TRNG is evaluated for sufficient randomness in the random bit stream generated. Vulnerability and countermeasures to adversary attacks are also studied. Finally, in thesis we investigated and extended the application of emerging non-volatile memory technologies for search and security in integrated circuits and systems.

O Ruído de Baixa Frequência (LFN), tais como o ruído flicker e o Random Telegraph Noise (RTN), são limitadores de performance em muitos circuitos analógicos e digitais. Para transistores diminutos, a densidade espectral de potência do ruído pode variar muitas ordens de grandeza, impondo uma séria limitação na performance do circuito e também em sua confiabilidade. Nesta tese, nós propomos um novo modelo de RTN estatístico para descrever o ruído de baixa frequência em MOSFETs. Utilizando o modelo proposto, pode-se explicar e calcular o valor esperado e a variabilidade do ruído em função das polarizações, geometrias e dos parâmetros físicos do transistor. O modelo é validado através de inúmeros resultados experimentais para dispositivos com canais tipo n e p, e para diferentes tecnologias CMOS. É demonstrado que a estatística do ruído LFN dos dispositivos de canal tipo n e p podem ser descritos através do mesmo mecanismo. Através dos nossos resultados e do nosso modelo, nós mostramos que a densidade de armadilhas dos transistores de canal tipo p é fortemente dependente do nível de Fermi, enquanto para o transistor de tipo n a densidade de armadilhas pode ser considerada constante na energia. Também é mostrado e explicado, através do nosso modelo, o impacto do implante de halo nas estatísticas do ruído. Utilizando o modelo demonstra-se porque a variabilidade, denotado por σ[log(SId)], do RTN/LFN não segue uma dependência 1/√área; e fica demonstrado que o ruído, e sua variabilidade, encontrado em nossas medidas pode ser modelado utilizando parâmetros físicos. Além disso, o modelo proposto pode ser utilizado para calcular o percentil do ruído, o qual pode ser utilizado para prever ou alcançar certo rendimento do circuito. / Low Frequency Noise (LFN) and Random Telegraph Noise (RTN) are performance limiters in many analog and digital circuits. For small area devices, the noise power spectral density can easily vary by many orders of magnitude, imposing serious threat on circuit performance and possibly reliability. In this thesis, we propose a new RTN model to describe the statistics of the low frequency noise in MOSFETs. Using the proposed model, we can explain and calculate the Expected value and Variability of the noise as function of devices’ biases, geometry and physical parameters. The model is validated through numerous experimental results for n-channel and p-channel devices from different CMOS technology nodes. We show that the LFN statistics of n-channel and p-channel MOSFETs can be described by the same mechanism. From our results and model, we show that the trap density of the p-channel device is a strongly varying function of the Fermi level, whereas for the n-channel the trap density can be considered constant. We also show and explain, using the proposed model, the impact of the halo-implanted regions on the statistics of the noise. Using this model, we clarify why the variability, denoted by σ[log(SId)], of RTN/LFN doesn't follow a 1/√area dependence; and we demonstrate that the noise, and its variability, found in our measurements can be modeled using reasonable physical quantities. Moreover, the proposed model can be used to calculate the percentile quantity of the noise, which can be used to predict or to achieve certain circuit yield.

O Ruído de Baixa Frequência (LFN), tais como o ruído flicker e o Random Telegraph Noise (RTN), são limitadores de performance em muitos circuitos analógicos e digitais. Para transistores diminutos, a densidade espectral de potência do ruído pode variar muitas ordens de grandeza, impondo uma séria limitação na performance do circuito e também em sua confiabilidade. Nesta tese, nós propomos um novo modelo de RTN estatístico para descrever o ruído de baixa frequência em MOSFETs. Utilizando o modelo proposto, pode-se explicar e calcular o valor esperado e a variabilidade do ruído em função das polarizações, geometrias e dos parâmetros físicos do transistor. O modelo é validado através de inúmeros resultados experimentais para dispositivos com canais tipo n e p, e para diferentes tecnologias CMOS. É demonstrado que a estatística do ruído LFN dos dispositivos de canal tipo n e p podem ser descritos através do mesmo mecanismo. Através dos nossos resultados e do nosso modelo, nós mostramos que a densidade de armadilhas dos transistores de canal tipo p é fortemente dependente do nível de Fermi, enquanto para o transistor de tipo n a densidade de armadilhas pode ser considerada constante na energia. Também é mostrado e explicado, através do nosso modelo, o impacto do implante de halo nas estatísticas do ruído. Utilizando o modelo demonstra-se porque a variabilidade, denotado por σ[log(SId)], do RTN/LFN não segue uma dependência 1/√área; e fica demonstrado que o ruído, e sua variabilidade, encontrado em nossas medidas pode ser modelado utilizando parâmetros físicos. Além disso, o modelo proposto pode ser utilizado para calcular o percentil do ruído, o qual pode ser utilizado para prever ou alcançar certo rendimento do circuito. / Low Frequency Noise (LFN) and Random Telegraph Noise (RTN) are performance limiters in many analog and digital circuits. For small area devices, the noise power spectral density can easily vary by many orders of magnitude, imposing serious threat on circuit performance and possibly reliability. In this thesis, we propose a new RTN model to describe the statistics of the low frequency noise in MOSFETs. Using the proposed model, we can explain and calculate the Expected value and Variability of the noise as function of devices’ biases, geometry and physical parameters. The model is validated through numerous experimental results for n-channel and p-channel devices from different CMOS technology nodes. We show that the LFN statistics of n-channel and p-channel MOSFETs can be described by the same mechanism. From our results and model, we show that the trap density of the p-channel device is a strongly varying function of the Fermi level, whereas for the n-channel the trap density can be considered constant. We also show and explain, using the proposed model, the impact of the halo-implanted regions on the statistics of the noise. Using this model, we clarify why the variability, denoted by σ[log(SId)], of RTN/LFN doesn't follow a 1/√area dependence; and we demonstrate that the noise, and its variability, found in our measurements can be modeled using reasonable physical quantities. Moreover, the proposed model can be used to calculate the percentile quantity of the noise, which can be used to predict or to achieve certain circuit yield.