Reliability Evaluation and Analysis of Semiconductor Circuits and Transistors

The COMET project Reliability Evaluation and Analysis of Circuits and Emerging Transistor Technologies (REACT) addresses the increasing global demand for reliable semiconductor technologies driven by applications in critical industries like electronics, AI, automotive, and medical applications. The project aims to address the growing complexity of transistors in both the front- and back end of line, as well as the variability and reliability of these transistors, which is becoming more serious to control with decreasing device dimensions. This goal is pursued by putting the research focus in REACT on the development of a Total Reliability and Unifying System for Testing (TRUST), a generic experimental and theoretical toolkit designed to understand, predict, and eventually enhance the reliability of both conventional silicon technologies and emerging transistor channel materials such as 2D materials as well as indium gallium zinc oxide (IGZO). Such a toolkit is urgently needed since the reliability models currently used by industry are empirical and thus have little predictive power, which results in unnecessary safety margins on the supply voltages and, thus, wasted performance and increased energy consumption. In addition, these empirical models do not provide feedback on the mechanisms responsible for degradation, which limits process optimization options and thus results in less reliability.
With the necessity to develop more reliable and efficient technologies that can be operated under new constraints, such as lower supply voltage, the semiconductor industry is at a pivotal moment. A paradigm shift in semiconductor chip design is required to ensure this trend, which makes 3D integration and low-temperature processing so important these days. Such emerging technologies, where devices have not yet reached the reliability levels of traditional silicon-based technologies, present new challenges and opportunities. The project is timely, given the rise of technologies like 3D integration, which require solutions to mitigate reliability issues.
To achieve its objectives, REACT will implement the TRUST toolkit, which combines experimental measurement systems and physics-based models. The experimental pillar will utilize cutting-edge techniques like high-resolution measurements (spanning temperatures from 4K to 600K) to monitor the behavior of transistors over time and under stress. Arrays of thousands of transistors will be analyzed to capture data on variability and degradation. Theoretically, TRUST will integrate physics-based models into a simulation framework, allowing for predictive reliability assessments at both the device and circuit levels. The project leverages decades of expertise from TU Wien and critical partners, including Infineon, imec, CEA-Leti, and Global TCAD Solutions (GTS).
REACT aims to deliver several significant outcomes: With the TRUST toolkit, a comprehensive, modular toolkit for testing and predicting the reliability of both conventional and emerging semiconductor devices will be developed. The toolkit comprises improved physics-based models for predicting device variability and failure mechanisms. The industrial partners profit from new insights to enhance the reliability and performance of semiconductor circuits, allowing for reduced safety margins and improved energy efficiency in devices. Furthermore, the project will set the groundwork for reliable 3D integration, offering potential breakthroughs in device stacking and non-volatile memory technologies like DRAM. Finally, by facilitating a close partnership between academia and industry, REACT will foster Austrian and European leadership in semiconductor technology development and contribute to global standards and best practices. Overall, the REACT project is expected to drive innovations that will enhance the reliability and efficiency of semiconductor devices, contributing to sustainable and advanced technologies.

Das COMET-Projekt Reliability Evaluation and Analysis of Circuits and Emerging Transistor Technologies (REACT) befasst sich mit der steigenden Nachfrage nach zuverlässigen Halbleitertechnologien. Das Projekt zielt darauf ab, die zunehmende Komplexität von Transistoren sowohl im Front- als auch im Back-End der Chips sowie die Variabilität und Zuverlässigkeit dieser Transistoren zu berücksichtigen, die bei kleiner werdenden Bauteilabmessungen größer wird. Dieses Ziel wird verfolgt, indem der Schwerpunkt der REACT-Forschung auf die Entwicklung eines Total Reliability and Unifying System for Testing (TRUST) gelegt wird, einem generischen experimentellen und theoretischen Toolkit, mit dem die Zuverlässigkeit von Siliziumtechnologien und neuartigen 2D-Materialien und Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO) erforscht, und verbessert werden kann. Ein solches Toolkit wird dringend benötigt, da die derzeit von der Industrie verwendeten Zuverlässigkeitsmodelle empirisch sind und daher nur eine geringe Prognosefähigkeit haben, was zu unnötigen Sicherheitsmargen bei den Versorgungsspannungen und damit zu. Darüber hinaus liefern empirischen Modelle keine Rückschlüsse auf die Degradationsmechanismen, was die Möglichkeiten zur Prozessoptimierung einschränkt.
Angesichts der Notwendigkeit, zuverlässigere und effizientere Technologien zu entwickeln, die unter neuen Bedingungen, wie etwa niedrigeren Versorgungsspannungen, betrieben werden können, befindet sich die Halbleiterindustrie in einem entscheidenden Entwicklungsprozess. Um diesen Trend zu gewährleisten, ist ein Paradigmenwechsel beim Design von Halbleiterchips erforderlich, zum Beispiel durch 3D-Integration und die Fertigung bei niedrigen Temperaturen heutzutage. Bei diesen neuartigen Technologien haben die Bauelemente noch nicht das Zuverlässigkeitsniveau der Siliziumtechnologie erreicht, bieten aber neue Möglichkeiten. Das Projekt kommt zur rechten Zeit, da Technologien wie die 3D-Integration auf dem Vormarsch sind, die jedoch noch Lösungen zur Reduzierung von Zuverlässigkeitsproblemen erfordern.
Der TRUST-Toolkit kombiniert Messsysteme und physikalische Modelle. Im Rahmen der experimentellen Säule werden modernste Techniken wie hochauflösende Messungen eingesetzt, um Transistoren unter Belastung zu überwachen. Arrays mit Tausenden von Transistoren werden analysiert, um Daten zur Variabilität und Degradation zu erfassen. Auf theoretischer Ebene wird TRUST physikalisch basierte Modelle in einen Simulationsrahmen integrieren, der vorausschauende Zuverlässigkeitsbewertungen sowohl auf Bauelemente- als auch auf Schaltungsebene ermöglicht. Das Projekt nutzt die jahrzehntelange Erfahrung der TU Wien und wichtiger Partner, Infineon, imec, CEA-Leti und Global TCAD Solutions.
Mit REACT sollen mehrere wichtige Ergebnisse erzielt werden: Mit dem TRUST-Toolkit wird ein umfassendes, modulares Toolkit für die Prüfung und Vorhersage der Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen entwickelt. Das Toolkit umfasst verbesserte physikalische Modelle zur Ermittlung der Variabilität von Bauelementen und Ausfallmechanismen. Die Industriepartner profitieren von den neuen Erkenntnissen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Leistung von Halbleiterschaltungen, die eine Verringerung der Sicherheitsmargen und eine höhere Energieeffizienz der Geräte ermöglichen. Darüber hinaus wird das Projekt den Grundstein für eine zuverlässige 3D-Integration legen, die potenzielle Durchbrüche bei der Stapelung von Bauelementen und nichtflüchtigen Speichertechnologien wie DRAM ermöglicht. Schließlich wird REACT durch die Förderung einer engen Partnerschaft zwischen Wissenschaft und Industrie die österreichische und europäische Führungsrolle bei der Entwicklung von Halbleitertechnologien stärken und zu globalen Standards beitragen. Insgesamt soll das REACT-Projekt Innovationen vorantreiben, welche die Zuverlässigkeit und Effizienz von Halbleiterbauelementen verbessern und so zu nachhaltigen und fortschrittlichen Technologien beitragen.