在高級節(jié)點上，芯片老化（chip-aging）是一個日益嚴重的問題。但是到目前為止，大多數(shù)設(shè)計團隊暫時還無需解決這個問題。隨著新的可靠性要求在汽車等市場推出，這種情況將發(fā)生重大變化，汽車等市場需要對影響老化的因素進行全面分析。

理解老化物理機制是至關(guān)重要的，因為它可能導(dǎo)致意想不到的結(jié)果和漏洞。通常的過度設(shè)計芯片的方法不再是可行的選擇，特別是當(dāng)競爭對手使用更好的設(shè)計和分析技術(shù)來限制過度設(shè)計的需求的時候。

Moortec公司首席執(zhí)行官Stephen Crosher表示：“我們都知道，半導(dǎo)體器件會隨著時間的推移而老化，但我們通常不太了解的是老化的機制和導(dǎo)致芯片失效的原因。此外，器件的最短使用壽命肯定會有要求，這取決于應(yīng)用。對于消費電子器件，可能是2~3年，對于通信器件，則可能長達10年。鑒于老化過程非常復(fù)雜，而且往往難以完全預(yù)測，所以今天的許多芯片設(shè)計往往采用過度設(shè)計，以確保足夠的裕度可以滿足可靠的使用壽命要求。”

擁有高可靠性要求的器件種類正在日益增加。Cadence公司高級產(chǎn)品經(jīng)理Art Schaldenbrand指出：“進入基站或服務(wù)器機群的高級節(jié)點器件有非常嚴格的可靠性要求。它們一天24小時，一周7天不間斷工作。這是持續(xù)的壓力。此外還有關(guān)鍵任務(wù)型應(yīng)用。很多人都關(guān)注汽車，但它就像工業(yè)應(yīng)用和太空應(yīng)用，失敗的代價非常高。一旦一顆衛(wèi)星被送入太空，你就希望它能一直工作到使用壽命結(jié)束。”

更麻煩的是，一些故障模式是統(tǒng)計學(xué)問題。Crosher說：“如果老化過程可能變得更加確定，或者如果你能實時監(jiān)控老化過程，那么你就可以減少過度設(shè)計。你可以開發(fā)能夠?qū)匣?yīng)做出反應(yīng)和調(diào)整的芯片，甚至可以預(yù)測芯片何時會出現(xiàn)故障。”

老化的物理學(xué)分析

首先，我們必須了解衰老的根本原因。ANSYS公司的首席技術(shù)專家Jo?o Geada解釋說：“當(dāng)設(shè)計受到電應(yīng)力時，就會造成損壞。有的發(fā)生在金屬上，有的發(fā)生在晶體管上。”

晶體管在多個方面都很脆弱。西門子Mentor子公司AMS集團高級產(chǎn)品工程經(jīng)理Ahmed Ramadan說：“有三大主要退化機制會影響MOSFET、finFET和FD-SOI器件。它們會改變器件的閾值電壓，影響器件的驅(qū)動電流，導(dǎo)致器件減速，從而減慢整個電路的速度。”

最終，在持續(xù)的壓力下，器件可能會完全失效。

使晶體管脆弱的三個問題是：

負偏置溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)（NBTI）。這是由于在介質(zhì)上施加了足夠長時間的靜態(tài)電壓造成的。

熱載流子注入效應(yīng)（HCI）。如果你足夠快地擺動電壓，電子就會有很高的速度，并且能像炮彈一樣嵌入到介質(zhì)中。Geada斷言：“事實證明，這個效應(yīng)弱得多，僅僅是因為物理性質(zhì)，以及我們正在處理的電流和器件。”

時間依賴性介質(zhì)擊穿效應(yīng)（TDDB）。這可能導(dǎo)致氧化物的擊穿，并導(dǎo)致柵極泄漏和隨后的器件擊穿。Geada解釋說：“TDDB類似于靜電放電（ESD），但ESD是典型的非常短時間、非常高壓的脈沖，能量極強；而TDDB則是長時間暴露在接近正常工作電壓的更溫和的電場中。它最終會突破二氧化物，產(chǎn)生同樣的效果，即擊穿柵極，讓晶體管失效。”

圖1：NBTI對SRAM單元的影響。 （來源：Synopsys）

對于引起HCI和NBTI的潛在機制，研究團體意見一致，但對于TDDB有不同的解釋，這就造成了建模的困難。

此外，采用先進的技術(shù)節(jié)點，可以實現(xiàn)尺寸和電壓的微縮。Ramadan指出：“然而，電壓并沒有像器件的物理尺寸那樣微縮，這導(dǎo)致了引發(fā)這些效應(yīng)的電場的增加。其中一些也受到溫度的影響，例如NBTI，因此在PMOS器件上加上高溫和負偏置時，NBTI效應(yīng)非常顯著。同樣，PBTI也可能發(fā)生在NMOS晶體管上。”

Fraunhofer IIS / EAS公司質(zhì)量和可靠性部門經(jīng)理André Lange看到了我們遷移到這些節(jié)點時面臨的諸多新挑戰(zhàn)。“首先，這些技術(shù)比大型技術(shù)節(jié)點的可靠性稍差。其次，電流密度可能上升，并在局部超過臨界值。第三，最近的技術(shù)進步主要針對數(shù)字電路，使得模擬設(shè)計變得越來越復(fù)雜。第四，新的應(yīng)用場景，如自動駕駛，將引入全新的使用場景，器件可能每天要工作22小時，而現(xiàn)在只有2小時左右。”

行業(yè)仍在學(xué)習(xí)中。Schaldenbrand表示：“先進節(jié)點上的挑戰(zhàn)在于，技術(shù)是新的，而我們對它們沒有太多了解。因此，預(yù)測器件的物理特性是一項更大的挑戰(zhàn)。我們對這些器件做了大量建模工作，我們已經(jīng)看到，傳統(tǒng)節(jié)點上的一些特性現(xiàn)在有些不同了。”

還有一個額外的問題。Geada警告說：“在特定的晶體管上施加一段特定的時間的特定的電壓，并不意味著它會自動壞掉。它有很大的損壞幾率，從某種程度上講是量子效應(yīng)。你要處理的是非常小的幾何圖形、是一兩個分子厚的柵極、是量子效應(yīng)。有些隨機性是無法回避的。”

Schaldenbrand對此表示同意：“有些器件老化速度快于其他器件，你必須考慮到老化過程中的統(tǒng)計學(xué)變化。更重要的是要考慮所有的變化來源，而不僅僅是電氣變化。”

溫度正在成為一個更大的問題。Synopsys公司高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Anand Thiruvengadam補充說：“所有這些因素也會影響平面器件，但沒有那么明顯。使用平面器件，便不必為發(fā)熱而煩惱。使用平面器件有很多方法可以散熱，但對于finFET，情況就不一樣了。熱量被困住，幾乎無法散去。這對器件本身有影響，對上面覆蓋的金屬也有影響。”

連線

下降一個級別，連線是許多與老化相關(guān)的問題的根源。線不能微縮，在先進的節(jié)點上，它導(dǎo)致了一系列與電阻/電容有關(guān)的問題。

老化的關(guān)鍵影響之一是電遷移（EM），這是由導(dǎo)體內(nèi)的材料傳輸引起的。Movellus公司首席執(zhí)行官Mo Faisal表示：“電遷移是影響老化的問題之一，從16/14nm finFET開始就變得非常重要。現(xiàn)在，在7nm和5nm工藝中，連線已經(jīng)變得很細，”日積月累，它們會隨著電流的流過而受損。

這可能會在整個設(shè)計流程中造成巨大的麻煩。Schaldebrand說：“從物理上講，隨著線變得越來越小，影響會變得越來越大，裕度越來越小。因此，我們在分析中看到了對于高精度的更多需求。在28nm處，正負30%的精確度就足夠了。但是當(dāng)我們進入高級節(jié)點時，就想要正負10%的精確度。裕度正在縮小，因此人們希望有更精確的預(yù)測。”

所有這一切都需要結(jié)合實際情況考慮。Thiruvengadam補充說：“如果我遠離老化，著眼于可靠性，那么器件發(fā)熱就是一個重要的考慮因素，甚至電遷移也是。在7nm處，情況更是如此，從本質(zhì)上說已經(jīng)成為signoff的一個因素。”

同樣的一些問題也會影響存儲器。Geada解釋說：“進行寫入需要通過柵極向底層電容注入一些電荷。因為它確實需要比正常狀態(tài)稍高的電壓，所以它確實會造成損害。這意味著最終你無法清除它，它會導(dǎo)致陷阱嵌入到柵極中，這是造成損壞的根本原因，就好像有一個永久的電壓穿過柵極。這會降低器件的性能，無論是清除電荷，還是進行躍遷。它的性能再不會像最初沒有壓力時那樣好。”

制程變異

制程變異已經(jīng)成為28nm以下一個持續(xù)存在的問題，并且在每個新節(jié)點上問題都會變得更糟。現(xiàn)在必須在設(shè)計流程的多個步驟以及每個新節(jié)點上的每個特定設(shè)計中考慮制程變異的問題。

Schaldenbrand說：“因為我們試圖在漫長的使用壽命中做出準(zhǔn)確的預(yù)測，所以我們必須考慮制程變異會如何影響使用壽命。一些現(xiàn)象，例如熱載流子注入，我們看到電子被注入到柵極，這種現(xiàn)象與柵極厚度有關(guān)，而柵極厚度因器件而異。你必須考慮制程變異對老化的統(tǒng)計學(xué)影響。”

這要求設(shè)計團隊有不同的思維模式。Geada補充說：“實際上，就像常規(guī)計時一樣，我們必須將制程變異作為一階效應(yīng)處理，并使設(shè)計能夠容忍制程變異，而不是試圖將制程變異排除。你不可能把制程變異排除。這些器件太小了，影響是無法控制的。老化也是如此。這并不是晶圓廠能做到的。這是我們正在面對的器件的物理學(xué)的固有特性。”

老化的影響

了解老化的影響需要將模擬和數(shù)字分開討論，數(shù)字是比較簡單的情況。

Movellus公司的Faisal說：“請考慮一個簡單的反向器。如果反向器中晶體管的閾值電壓在4年內(nèi)變化50mV，那么它仍然可以反向。但它的速度會比設(shè)計的慢，這可以進行測算。隨著延遲的增加，它可能會在某個時刻成為一個問題。電路越快、越活躍，老化速度就越快。然而，即使有時鐘，你也只有一個邊緣，波形的振幅必須足以觸發(fā)電路——通常是Vdd/2。所有這些都可以測算。如果你要運行1GHz的時鐘，并且預(yù)計會有10%的退化，那么我就可以設(shè)計足夠的裕度，即使它退化，我仍然可以保持在指定的速度范圍內(nèi)。 ”

這簡化了老化模型。Geada說：“數(shù)字電路的好處是電流只在非常有限的時間內(nèi)流動。因此，盡管我們必須注重功率，但與模擬器件相比，數(shù)字器件要靜態(tài)得多。它有短暫的高活動區(qū)間，但要等到下一個時鐘周期才會有下一次。模擬電路永遠不會打開或關(guān)閉，它們總是活躍的，并且以不同的方式積累熱應(yīng)力。模擬電路必須處理更大的電壓波動和更大的電流，這使得金屬容易受到影響。模擬電路要處理不同的事物集合。它必須處理熱效應(yīng)，因為電流總是在流動。”

類似于數(shù)字電路，模擬電路也隨著時間的推移而老化。Schaldenbrand說：“模擬器件的性能特征通常會發(fā)生漂移。在單個器件層面，它們對老化更敏感。在一些罕見的情況下，你可能會擔(dān)心增益的變化，如果設(shè)計得當(dāng)，你可以做出對這些影響相對不敏感的設(shè)計。在模擬設(shè)計中，你可以采取一些手段讓它對老化不敏感，但是因為你直接依賴于器件參數(shù)，所以模擬器件更加敏感。”

但這可能變得非常難以實現(xiàn)。Faisal說：“請考慮運算放大器，它是很多東西的基礎(chǔ)。運算放大器必須正確偏置，并且必須在過驅(qū)動電壓上留出一些裕度。你必須確保有足夠的裕度，這樣隨著運算放大器的老化，它會停留在晶體管的飽和區(qū)。晶體管的過驅(qū)動電壓裕度正在減小，因為7nm的供電電壓為750mV，閾值約為350mV，因此幾乎沒有任何空間留下很大的裕度。隨著老化，閾值電壓可以偏移多達50mV。如果運算放大器偏置電路偏移50mV，它可能會從飽和區(qū)轉(zhuǎn)移到線性區(qū)，此時晶體管變成了電阻，不再具有增益。運算放大器的功能是提供增益，所以這種影響相當(dāng)致命。此時，電路變得毫無用處。”

模擬設(shè)計從一開始就很難。Ramadan說：“老化和可靠性是模擬設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)。今天的設(shè)計可能明天就不能用了，因為設(shè)計可能會退化。你必須確保所有老化和可靠性要求都得到滿足。”