Self-healing integrated circuits/systems in semiconductor nanometer technologies

Abstract

The evolution of CMOS technology over the years has allowed the presence of billions of transistors in an integrated circuit. As the size of the transistors escalates, important reliability issues, both at the transistor level and at the circuits and systems level, have emerged, due to aging phenomena such as bias-temperature instability (BTI), hot-carrier injection (HCI), dielectric breakdown and electromigration or due to ever-changing environmental conditions. One approach to cope with reliability issues is the self-healing concept. That is, developing circuits and systems that will "sense" their aging status as well as changes that the environment sets and react appropriately to continue operating reliably under any conditions. The present thesis focuses on the analysis of the mechanisms that influence the reliable operation of VLSI circuits and systems and the development of innovative methods that can offer them self-healing so that they function reliably and uninterrupted throughout their life. The target of this dissertation is to develop embedded techniques in the field of SRAM memories for early, on-line, excess aging prediction and oncoming failure diagnosis, aiming to maintain, by proper actions, the reliable operation and prolong the lifetime of the integrated circuit/system where the SRAM belongs. These techniques will allow the sensing of the SRAM status and thus, the prediction of upcoming failures on its sub-circuits. Next, our goal is to present SRAM operation adjusting techniques or repairing options for the self-healing of the corresponding sub-circuits in order to maintain the memory’s reliable operation. Two new self-healing methods are proposed for the SRAM Memory Cells and Sense Amplifiers (SAs) and one new method for the SRAM Decoders. Firstly, a scheme that addresses individually the SRAM SAs and the SRAM Memory Cells for aging monitoring on their transistors is presented and corresponding self-healing options are suggested in order to maintain the reliability of the SRAM. The monitoring scheme is based on the use of a small Differential Ring Oscillator (DRO) and the duty cycle of the DRO signal is used for the discrimination of aged memory cells or SAs. Next, a unified approach of the above scheme is presented for the aging monitoring of both memory cells and SAs. An alteration of this technique is also proposed with the use of a reconfigurable DRO (rDRO) for the needs of the self-healing on SRAM SAs. Finally, an aging monitoring technique for the SRAM Decoders, along with an adjusting technique to succeed self-healing are presented. The monitoring scheme suggests the addition of a simple, low cost embedded circuit in order to early diagnose the Decoder’s aging and properly react to ensure reliability and prolong the lifetime of the SRAM. The simulations performed on the above schemes validate their ability for early (before thepresence of failures) self-healing of overaged cells, SAs and Decoders respectively, while offering low cost in silicon area as well as the ability to avoid aging of the circuits implemented when the SRAM is operating in normal mode.

Η εξέλιξη της CMOS τεχνολογίας κατά τη διάρκεια των ετών επέτρεψε την παρουσία δισεκατομμυρίων τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα. Καθώς το μέγεθος των τρανζίστορ κλιμακώνεται, προέκυψαν σημαντικά ζητήματα αξιοπιστίας, τόσο σε επίπεδο τρανζίστορ όσο και σε επίπεδο κυκλωμάτων και συστημάτων, λόγω των φαινομένων γήρανσης όπως αστάθεια πόλωσηςθερμοκρασίας (BTI), έγχυση θερμών φορέων (HCI), κατάρρευση διηλεκτρικού καιηλεκτρομετανάστευση ή λόγω των συνεχώς μεταβαλλόμενων περιβαλλοντικών συνθηκών. Μιαπροσέγγιση για την αντιμετώπιση προβλημάτων αξιοπιστίας είναι η έννοια της αυτο-ίασης. Δηλαδή,αναπτύσσοντας κυκλώματα και συστήματα που θα "αισθάνονται" τη γήρανσή τους καθώς και τιςαλλαγές που το περιβάλλον θέτει και θα αντιδρούν κατάλληλα για να συνεχίσουν να λειτουργούναξιόπιστα υπό οποιεσδήποτε συνθήκες. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάλυση των μηχανισμών που επηρεάζουν την αξιόπιστη λειτουργία των κυκλωμάτων και συστημάτων VLSI και στην ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων που μπορούν να προσφέρουν αυτο-ίαση έτσι ώστε να λειτουργούν αξιόπιστα και αδιάκοπα καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής τους. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να αναπτύξει ενσωματωμένες τεχνικές στον τομέα των μνημών SRAM για πρόβλεψη γήρανσης και άμεσης διάγνωσης βλαβών με σκοπό την διατήρηση, με κατάλληλες ενέργειες, της αξιόπιστης λειτουργίας και παράτασης της διάρκειας ζωής του ολοκληρωμένου κυκλώματος/συστήματος όπου ανήκει η SRAM. Αυτές οι τεχνικές θα επιτρέψουν την ανίχνευση της κατάστασης της SRAM και, συνεπώς, την πρόβλεψη των επερχόμενων βλαβών στα υποκυκλώματά της. Στη συνέχεια, στόχος είναι να παρουσιαστούν τεχνικές ρύθμισης της λειτουργίας SRAM ή δυνατότητες επισκευής για την αυτό-ίαση των αντίστοιχων υποκυκλωμάτων, προκειμένου να διατηρηθεί η αξιόπιστη λειτουργία της μνήμης. Δύο νέες μέθοδοι αυτο-ίασης προτείνονται για τα κελιά μνήμης και τους αισθητήρες σήματος SRAM και μία νέα μέθοδο για τους αποκωδικοποιητές SRAM. Αρχικά, παρουσιάζεται ένα σχήμα που απευθύνεται ξεχωριστά στους αισθητήρες σήματος και τα κελιά μνήμης SRAM για ανίχνευση γήρανσης στα τρανζίστορ τους και προτείνονται οι αντίστοιχες επιλογές αυτο-ίασης προκειμένου να διατηρηθεί η αξιοπιστία της SRAM. Το σχήμα ανίχνευσης βασίζεται στη χρήση ενός μικρού κυκλικού διαφορικού ταλαντωτή (DRO) και ο κύκλος λειτουργίας του σήματος DRO χρησιμοποιείται για τη διάκριση των γερασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια ενοποιημένη προσέγγιση του παραπάνω σχεδίου για την ανίχνευση γήρανσης τόσο των κελιών μνήμης όσο και των αισθητήρων σήματος. Μια τροποποίηση αυτής της τεχνικής προτείνεται επίσης με τη χρήση ενός επαναρυθμιζόμενου ταλαντωτή (rDRO) για τις ανάγκες της αυτο-ίασης στους αισθητήρες σήματος SRAM. Τέλος, παρουσιάζεται μια τεχνική ανίχνευσης γήρανσης για τους αποκωδικοποιητές SRAM, μαζί με μια τεχνική προσαρμογής για την επιτυχή αυτο-ίαση. Το σχήμα παρουσιάζει την προσθήκη ενός απλού, χαμηλού κόστους ενσωματωμένου κυκλώματος προκειμένου να εντοπιστεί έγκαιρα η γήρανση του αποκωδικοποιητή και να αντιδράσει σωστά για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία και να παραταθεί η διάρκεια ζωής της SRAM. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν στα παραπάνω σχήματα επιβεβαιώνουν την ικανότητά τους να παρέχουν αυρο-ίασης σε γερασμένα κελιά μνήμης, αισθητήρες σήματος και αποκωδικοποιητές αντίστοιχα, ενώ ταυτόχρονα προσφέρουν χαμηλό κόστος στην επιφάνεια πυριτίου καθώς και την ικανότητα αποφυγής της γήρανσης των κυκλωμάτων όταν η SRAM βρίσκεται σε κανονική λειτουργία.