在高級節點上，芯片老化（chip-aging）是一個日益嚴重的問題。但是到目前為止，大多數設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重要的，因為它可能導致意想不到的結果和漏洞。通常的過度設計芯片的方法不再是可行的選擇，特別是當競爭對手使用更好的設計和分析技術來限制過度設計的需求的時候。

Moortec公司首席執行官Stephen Crosher表示：“我們都知道，半導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雜，而且往往難以完全預測，所以今天的許多芯片設計往往采用過度設計，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公司高級產品經理Art Schaldenbrand指出：“進入基站或服務器機群的高級節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。這是持續的壓力。此外還有關鍵任務型應用。很多人都關注汽車，但它就像工業應用和太空應用，失敗的代價非常高。一旦一顆衛星被送入太空，你就希望它能一直工作到使用壽命結束。”

更麻煩的是，一些故障模式是統計學問題。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控老化過程，那么你就可以減少過度設計。你可以開發能夠對老化效應做出反應和調整的芯片，甚至可以預測芯片何時會出現故障。”

老化的物理學分析

首先，我們必須了解衰老的根本原因。ANSYS公司的首席技術專家Jo?o Geada解釋說：“當設計受到電應力時，就會造成損壞。有的發生在金屬上，有的發生在晶體管上。”

晶體管在多個方面都很脆弱。西門子Mentor子公司AMS集團高級產品工程經理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，影響器件的驅動電流，導致器件減速，從而減慢整個電路的速度。”

最終，在持續的壓力下，器件可能會完全失效。

使晶體管脆弱的三個問題是：

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

熱載流子注入效應（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中。Geada斷言：“事實證明，這個效應弱得多，僅僅是因為物理性質，以及我們正在處理的電流和器件。”

時間依賴性介質擊穿效應（TDDB）。這可能導致氧化物的擊穿，并導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，采用先進的技術節點，可以實現尺寸和電壓的微縮。Ramadan指出：“然而，電壓并沒有像器件的物理尺寸那樣微縮，這導致了引發這些效應的電場的增加。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效應非常顯著。同樣，PBTI也可能發生在NMOS晶體管上。”

Fraunhofer IIS / EAS公司質量和可靠性部門經理André Lange看到了我們遷移到這些節點時面臨的諸多新挑戰。“首先，這些技術比大型技術節點的可靠性稍差。其次，電流密度可能上升，并在局部超過臨界值。第三，最近的技術進步主要針對數字電路，使得模擬設計變得越來越復雜。第四，新的應用場景，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，而現在只有2小時左右。”

行業仍在學習中。Schaldenbrand表示：“先進節點上的挑戰在于，技術是新的，而我們對它們沒有太多了解。因此，預測器件的物理特性是一項更大的挑戰。我們對這些器件做了大量建模工作，我們已經看到，傳統節點上的一些特性現在有些不同了。”

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。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。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計學變化。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公司高級產品營銷經理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的問題的根源。線不能微縮，在先進的節點上，它導致了一系列與電阻/電容有關的問題。

老化的關鍵影響之一是電遷移（EM），這是由導體內的材料傳輸引起的。Movellus公司首席執行官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。現在，在7nm和5nm工藝中，連線已經變得很細，”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。但是當我們進入高級節點時，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測。”

所有這一切都需要結合實際情況考慮。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，從本質上說已經成為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

制程變異已經成為28nm以下一個持續存在的問題，并且在每個新節點上問題都會變得更糟。現在必須在設計流程的多個步驟以及每個新節點上的每個特定設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確的預測，所以我們必須考慮制程變異會如何影響使用壽命。一些現象，例如熱載流子注入，我們看到電子被注入到柵極，這種現象與柵極厚度有關，而柵極厚度因器件而異。你必須考慮制程變異對老化的統計學影響。”

這要求設計團隊有不同的思維模式。Geada補充說：“實際上，就像常規計時一樣，我們必須將制程變異作為一階效應處理，并使設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的固有特性。”

老化的影響

了解老化的影響需要將模擬和數字分開討論，數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年內變化50mV，那么它仍然可以反向。但它的速度會比設計的慢，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，并且預計會有10%的退化，那么我就可以設計足夠的裕度，即使它退化，我仍然可以保持在指定的速度范圍內。 ”

這簡化了老化模型。Geada說：“數字電路的好處是電流只在非常有限的時間內流動。因此，盡管我們必須注重功率，但與模擬器件相比，數字器件要靜態得多。它有短暫的高活動區間，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閉，它們總是活躍的，并且以不同的方式積累熱應力。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，因為電流總是在流動。”

類似于數字電路，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，你可能會擔心增益的變化，如果設計得當，你可以做出對這些影響相對不敏感的設計。在模擬設計中，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，所以模擬器件更加敏感。”

但這可能變得非常難以實現。Faisal說：“請考慮運算放大器，它是很多東西的基礎。運算放大器必須正確偏置，并且必須在過驅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。晶體管的過驅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，它可能會從飽和區轉移到線性區，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，所以這種影響相當致命。此時，電路變得毫無用處。”

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