Bias dependence in statistical random telegraph noise analysis based on nanoscale CMOS ring oscillators

Semih Ramazanoglu; Alicja Michalowska-Forsyth; Bernd Deutschmann

doi:10.1007/s00502-023-01197-3

Bias dependence in statistical random telegraph noise analysis based on nanoscale CMOS ring oscillators

Titel in Übersetzung: Bias-Abhängigkeit in der Analyse von statistischem Telegrafenrauschen auf Basis von CMOS-Ringoszillatoren in Nanotechnologien

Semih Ramazanoglu^*
, Alicja Michalowska-Forsyth
, Bernd Deutschmann

^*Korrespondierende/r Autor/-in für diese Arbeit

Institut für Elektronik (4390)

Publikation: Beitrag in einer Fachzeitschrift › Artikel › Begutachtung

Abstract

Das zufällige Telegrafenrauschen (RTN) stellt die Zuverlässigkeit von komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Technologien (CMOS) vor
große Herausforderungen. In diesem Beitrag diskutieren wir die Charakterisierung von RTN in 40 nm CMOS-Technologie unter Verwendung von Ringos-
zillatoren (ROSCs). Verschiedene Arten von ROSCs wurden verwendet, um die zeitlichen und spektralen Eigenschaften des RTN anhand eines Arrays mit
128 identischen ROSC-Zellen zu untersuchen. Diese Ergebnisse ermöglichten die statistische Charakterisierung der RTN-Amplitude und ihrer Frequenzcha-
rakteristiken bei Versorgungsspannungsvariationen von 0,5 V bis 0,7 V. Bei einer Versorgungsspannung von 0,65 V wird in 60 % der Zellen des Arrays eine
dominante und beobachtbare RTN-Amplitude über 0,37 % Δ f / fmean gefunden. Darüber hinaus kann die Einfang- und Emissionszeitkonstante τe//c aus den
Messungen extrahiert werden, wobei die beobachteten Werte zwischen 0,2 μs und 10 ms liegen.

Titel in Übersetzung	Bias-Abhängigkeit in der Analyse von statistischem Telegrafenrauschen auf Basis von CMOS-Ringoszillatoren in Nanotechnologien
Originalsprache	englisch
Seiten (von - bis)	37-46
Seitenumfang	10
Fachzeitschrift	Elektrotechnik und Informationstechnik
Jahrgang	141
Ausgabenummer	1
DOIs	https://doi.org/10.1007/s00502-023-01197-3
Publikationsstatus	Veröffentlicht - März 2024

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Elektrotechnik und Elektronik

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10.1007/s00502-023-01197-3Lizenz: CC BY 4.0

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abstract = "Random Telegraph Noise (RTN) is one of the major reliability concerns in nanoscale complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technologies. In this paper, we discuss the characterization of RTN in 40 nm CMOS technology using Ring Oscillators (ROSCs). We used different types of ROSCs to study the temporal and spectral characteristics of the RTN. We conducted measurements on one of the arrays with 128 identical ROSC cells. These results enabled statistical characterization of the RTN amplitude strength and its frequency characteristics in different supply voltage variations from 0.5 V to 0.7 V. At power supply of 0.65 V, dominant and observable RTN amplitude above 0.37\% Δf/ fmean is found in 60\% of cells in the array. Further, the capture and emission time constant τe//c can be extracted from the measurements, the values observed ranging from 0.2 μ s to 10 ms.",

keywords = "Jitter, Oxide trap, Random telegraph noise, Ring oscillator, RTN",

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year = "2024",

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doi = "10.1007/s00502-023-01197-3",

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TY - JOUR

T1 - Bias dependence in statistical random telegraph noise analysis based on nanoscale CMOS ring oscillators

AU - Ramazanoglu, Semih

AU - Michalowska-Forsyth, Alicja

AU - Deutschmann, Bernd

PY - 2024/3

Y1 - 2024/3

N2 - Random Telegraph Noise (RTN) is one of the major reliability concerns in nanoscale complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technologies. In this paper, we discuss the characterization of RTN in 40 nm CMOS technology using Ring Oscillators (ROSCs). We used different types of ROSCs to study the temporal and spectral characteristics of the RTN. We conducted measurements on one of the arrays with 128 identical ROSC cells. These results enabled statistical characterization of the RTN amplitude strength and its frequency characteristics in different supply voltage variations from 0.5 V to 0.7 V. At power supply of 0.65 V, dominant and observable RTN amplitude above 0.37% Δf/ fmean is found in 60% of cells in the array. Further, the capture and emission time constant τe//c can be extracted from the measurements, the values observed ranging from 0.2 μ s to 10 ms.

AB - Random Telegraph Noise (RTN) is one of the major reliability concerns in nanoscale complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technologies. In this paper, we discuss the characterization of RTN in 40 nm CMOS technology using Ring Oscillators (ROSCs). We used different types of ROSCs to study the temporal and spectral characteristics of the RTN. We conducted measurements on one of the arrays with 128 identical ROSC cells. These results enabled statistical characterization of the RTN amplitude strength and its frequency characteristics in different supply voltage variations from 0.5 V to 0.7 V. At power supply of 0.65 V, dominant and observable RTN amplitude above 0.37% Δf/ fmean is found in 60% of cells in the array. Further, the capture and emission time constant τe//c can be extracted from the measurements, the values observed ranging from 0.2 μ s to 10 ms.

KW - Jitter

KW - Oxide trap

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DO - 10.1007/s00502-023-01197-3

M3 - Article

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SN - 0932-383X

VL - 141

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EP - 46

JO - Elektrotechnik und Informationstechnik

JF - Elektrotechnik und Informationstechnik

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ER -

Bias dependence in statistical random telegraph noise analysis based on nanoscale CMOS ring oscillators

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