半導(dǎo)體器件老化問題是如何出現(xiàn)的？如何解決半導(dǎo)體器件老化問題？

先進(jìn)特征尺寸節(jié)點(diǎn)上，芯片老化是個(gè)日益嚴(yán)重的問題，但到目前為止，大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都沒有必要處理它。隨著新的可靠性要求在汽車等市場的提出，這些需要對(duì)影響老化的因素進(jìn)行全面分析，這將發(fā)生重大變化。

冗余設(shè)計(jì)

Moortec公司首席執(zhí)行官Stephen Crosher說：“半導(dǎo)體器件隨著時(shí)間的推移逐漸老化，我們都知道，但通常不太了解老化機(jī)制或?qū)е滦酒У闹萍s因素。此外，根據(jù)應(yīng)用的不同，對(duì)器件的最短壽命有確定的要求。對(duì)于消費(fèi)類設(shè)備可能是2或3年，對(duì)于電信設(shè)備可能長達(dá)10年。鑒于老化過程復(fù)雜且通常難以完全預(yù)測，如今許多芯片設(shè)計(jì)經(jīng)常采取冗余設(shè)計(jì)的方法，以確保足夠的余量來滿足可靠壽命工作的要求。

理解底層物理特性至關(guān)重要，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致意外的結(jié)果和漏洞。常用方法中的冗余設(shè)計(jì)不再是可行的選擇，特別是當(dāng)競爭對(duì)手使用更好的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)，這些來限制對(duì)冗余設(shè)計(jì)的需要。

高可靠需求在增長

需要高可靠性的器件類型正在增長。Cadence高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Art Schaldenbrand指出：“用于基站或服務(wù)器場合的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備有非常嚴(yán)格的可靠性要求，它們每周7天，每天24小時(shí)運(yùn)營。這是持續(xù)的壓力。然后是關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用。很多人都關(guān)注汽車，但還包括工業(yè)應(yīng)用或失敗成本非常高的空間應(yīng)用，一旦衛(wèi)星被送入太空，你希望它能夠工作直到它的使用壽命結(jié)束?！?/p>

更令人不安的是，一些失敗模式是統(tǒng)計(jì)的。Crosher說：“如果老化過程可以變得更加確定，或你能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控老化過程，那么你可以減少冗余設(shè)計(jì)。你可以開發(fā)能夠?qū)匣龀龇磻?yīng)和調(diào)整的芯片，甚至可以預(yù)測何時(shí)可能發(fā)生芯片故障?！?/p>

老化的物理機(jī)制

首先我們必須了解老化的根本原因。ANSYS首席技術(shù)專家Jo?oGeada解釋道：“當(dāng)設(shè)計(jì)受到電應(yīng)力時(shí)會(huì)造成損壞，有些事情發(fā)生在金屬和晶體管上?！?/p>

晶體管在多個(gè)方面易受攻擊。隸屬西門子的Mentor的AMS集團(tuán)高級(jí)產(chǎn)品工程經(jīng)理Ahmed Ramadan說：“有三種主要退化機(jī)制影響MOSFET，F(xiàn)inFET或FD-SOI器件，會(huì)改變器件的閾值電壓，繼而影響器件的驅(qū)動(dòng)電流，導(dǎo)致器件減速，減慢整個(gè)電路的速度?！弊罱K，在持續(xù)的壓力下，器件可能會(huì)完全停止運(yùn)行。使晶體管易受攻擊的三個(gè)機(jī)制是：

負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）：這是由于在電介質(zhì)上施加足夠長時(shí)間的靜電電壓。

熱載流子注入（HCI）：如果你足夠快地?cái)[動(dòng)電壓，電子的速度非?？欤⒖蓪⒆陨砬度腚娊橘|(zhì)中。Geada表示。“事實(shí)證明，因?yàn)槲锢頇C(jī)制以及我們正在使用的電流和器件，這是一個(gè)很小的影響?！?/p>

與時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB）：這可能導(dǎo)致氧化層的擊穿并導(dǎo)致柵極泄漏和隨后的器件擊穿。Geada解釋道：“TDDB類似于靜電放電（ESD），但ESD通常是一個(gè)非常短、非常高脈沖、高能量事件，而TDDB則是長時(shí)間暴露于接近常規(guī)工作電壓的更溫和的場中，它最終將擊穿氧化層并具有相同的效果，即穿過柵極并阻止晶體管工作?！?/p>

圖為NBTI對(duì)SRAM單元的影響。資料來源：Synopsys

學(xué)術(shù)界對(duì)導(dǎo)致HCI和NBTI的基本機(jī)制看法一致，但對(duì)TDDB有不同的解釋，給其建模帶來困難。此外，在先進(jìn)的特征尺寸節(jié)點(diǎn)意味著尺寸和電壓的微縮。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)致了會(huì)產(chǎn)生這些效應(yīng)的電場的增加。其中一些效應(yīng)也受到溫度的影響，如NBTI，因此在PMOS器件上加上高溫和負(fù)偏壓時(shí)，NBTI非常重要。還有PBTI可能發(fā)生在NMOS晶體管上?！?/p>

新節(jié)點(diǎn)帶來新挑戰(zhàn)

德國夫瑯和費(fèi)研究所（Fraunhofer）IIS/EAS質(zhì)量和可靠性部門經(jīng)理AndréLange表示，“在我們遷移到這些節(jié)點(diǎn)時(shí)看到了許多新的挑戰(zhàn)。首先，這些技術(shù)往往比較大節(jié)點(diǎn)的可靠性差。其次，當(dāng)前的密度可能會(huì)上升并在局部超過關(guān)鍵值。第三，最近的技術(shù)進(jìn)步主要針對(duì)數(shù)字電路，使得模擬設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜。第四，新的應(yīng)用場景，如自動(dòng)駕駛，將引入全新的使用場景，每天大約工作22小時(shí)，而不是現(xiàn)階段的工作2小時(shí)。”

該行業(yè)仍在學(xué)習(xí)。Schaldenbrand說：“在先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，挑戰(zhàn)是所用技術(shù)是新的，我們對(duì)它們的了解并不多。因此，預(yù)測器件物理特性更具挑戰(zhàn)性。我們已經(jīng)對(duì)這些器件進(jìn)行了大量的建模工作，已經(jīng)看到與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)有點(diǎn)不同的特性?！?/p>

還有一個(gè)問題。Geada警告說：“因?yàn)槟阒皇窃谝粋€(gè)特定的時(shí)間段在特定的晶體管上施加特定的電壓，并不意味著它會(huì)自動(dòng)擊穿，它有大的擊穿幾率，部分原因是其是量子的。你正在處理非常小的幾何形狀，你正在處理一個(gè)或兩個(gè)原子厚的柵極，你正在處理量子效應(yīng)。沒有繞過一些隨機(jī)性?！盨chaldenbrand對(duì)此表示贊同。Schaldenbrand說：“有些設(shè)備的老化速度會(huì)比其他設(shè)備快，你必須考慮老化的統(tǒng)計(jì)變化?？紤]所有變化來源變得更加重要，而不僅僅是電氣變化?！?/p>

溫度正在成為一個(gè)更大的問題。Synopsys公司高級(jí)職員產(chǎn)品營銷經(jīng)理Anand Thiruvengadam補(bǔ)充說：“所有這些因素也影響平面器件，但并不明顯。使用平面器件，您不必為自熱而煩惱，有很多方法可以散熱，但FinFET并非如此。在FinFET中熱量被困住，幾乎沒有機(jī)會(huì)消散，這會(huì)對(duì)器件和上覆金屬都產(chǎn)生影響?！?/p>

電線

電線是許多與老化有關(guān)問題的根源。電線不會(huì)微縮，在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)處導(dǎo)致與電阻/電容相關(guān)的一大堆問題。老化的重要影響之一是電遷移（EM），這是由導(dǎo)體內(nèi)的材料傳輸引起的。Movellus首席執(zhí)行官M(fèi)o Faisal說：“電遷移是引起老化的問題之一，自16/14nm FinFET以來變得非常重要?，F(xiàn)在，7nm和5nm的導(dǎo)線變得非常脆，電流流過時(shí)，會(huì)隨著時(shí)間的推移而受損。”

這可能會(huì)在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中產(chǎn)生巨大的麻煩。Schaldebrand說：“物理上，隨著電線變小，效應(yīng)變得更加重要，余量變得越來越小。因此，我們看到了對(duì)高精度分析的更多需求。在28nm，正負(fù)30％可能已經(jīng)足夠好了。但是當(dāng)我們進(jìn)入先進(jìn)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要正負(fù)10％的精度。利潤率正在萎縮，因此人們希望得到更準(zhǔn)確的預(yù)測?！?/p>

所有這些都需要結(jié)合背景一起考慮。Thiruvengadam補(bǔ)充說：“如果我離開老化并關(guān)注可靠性，設(shè)備自熱是考慮電遷移的一個(gè)重要因素。在7納米處，這種情況更是如此，并且已基本成為停用的一個(gè)因素?！?/p>

同樣的一些問題也會(huì)影響存儲(chǔ)。Geada解釋道：“在寫入時(shí)需要通過柵極向底層電容注入一些電荷。由于它確實(shí)需要比正常情況稍高的電壓，這會(huì)造成損害，意味著最終你無法清除，導(dǎo)致阱嵌入到柵極中。損壞的根本原因是阱嵌入到柵極中，并且好像柵極上有永久電壓。這會(huì)降低器件的工作能力，無論是清除電荷，還是進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它不會(huì)像它原來的，新的無應(yīng)力形式一樣工作?！?/p>

工藝偏差

工藝偏差已經(jīng)成為28nm以下的持久性問題，并且在每個(gè)新節(jié)點(diǎn)都會(huì)變得更糟?，F(xiàn)在必須考慮設(shè)計(jì)流程的多個(gè)步驟以及每個(gè)新節(jié)點(diǎn)的每個(gè)特定設(shè)計(jì)。

Schaldenbrand說：“因?yàn)槲覀冊(cè)噲D在很長的生命周期內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，所以我們必須考慮工藝偏差將如何影響壽命。一些現(xiàn)象中，例如熱載流子注入，我們看到電子注入柵極，與柵極厚度有關(guān)，而柵極厚度因器件而異。你必須考慮工藝偏差對(duì)老化的統(tǒng)計(jì)影響?！?/p>

這需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用不同的思維方式。Geada補(bǔ)充道：“實(shí)際上，就像常規(guī)定時(shí)一樣，我們必須將偏差作為優(yōu)先效應(yīng)處理，并使設(shè)計(jì)能夠容忍變化，而不是嘗試和設(shè)計(jì)以去除變化。你無法改變偏差，這些器件太小了。這種偏差無法控制，老化也是如此。這不是晶圓廠可以避免的，這是器件和我們正在使用的物理機(jī)制的固有特性?！?/p>

影響

了解老化的影響需要區(qū)分模擬和數(shù)字。數(shù)字是較為容易的情況。

Movellus的Faisal說：“考慮一個(gè)簡單的逆變器。如果逆變器內(nèi)晶體管的閾值電壓在4年內(nèi)移動(dòng)50mV，它仍會(huì)實(shí)現(xiàn)逆變功能。它將比它的設(shè)計(jì)預(yù)期慢。隨著延遲的增加，它可能在某些時(shí)候成為一個(gè)問題。電路越快越活躍，它的老化速度就越快。然而，即使有一個(gè)時(shí)鐘，你只需要一個(gè)電壓，波形的幅度必須足以觸發(fā)電路-基本上是Vdd/2。所有這些都可以在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)。如果您要運(yùn)行1GHz時(shí)鐘并且預(yù)計(jì)會(huì)降低10％，可以設(shè)計(jì)出足夠的余量，即使降級(jí)了仍然在指定的速度范圍內(nèi)?！?/p>

這簡化了老化模型。Geada說：“數(shù)字化的好處在于電流只能在非常有限的時(shí)間內(nèi)流動(dòng)。因此，即使我們必須注重功率，與模擬相比，數(shù)字更加靜態(tài)。它具有短暫的高活動(dòng)間隔，然后等待直到下一個(gè)時(shí)鐘周期。模擬電路則永遠(yuǎn)不會(huì)打開或關(guān)閉。它們總是活躍的，并且以不同的方式累積熱應(yīng)力。模擬電路必須處理更高的電壓擺動(dòng)和更高的電流，這會(huì)導(dǎo)致金屬易受影響。模擬電路必須處理不同的事物。它必須處理熱效應(yīng)，因?yàn)殡娏骺偸窃诹鲃?dòng)?！?/p>

以類似于數(shù)字的方式，模擬電路隨時(shí)間老化。Schaldenbrand說：“模擬器件通常會(huì)改變其性能特征。在個(gè)別器件級(jí)別，它們對(duì)老化更敏感?？赡苡幸恍?dān)心增益變化的個(gè)別情況中，你可以采取對(duì)這些效應(yīng)相對(duì)不敏感的設(shè)計(jì)。在模擬設(shè)計(jì)中你可以做一些事情來使其對(duì)老化不敏感，但由于你直接依賴于器件參數(shù)，模擬設(shè)備更敏感?！?/p>

但這可能變得非常難以實(shí)現(xiàn)。Faisal說：“以運(yùn)算放大器為例，它是很多東西的基礎(chǔ)。運(yùn)算放大器必須正確偏置，并且必須在過驅(qū)動(dòng)電壓中留有一些余量。然后你必須確保留下足夠的余量，這樣隨著時(shí)間的推移，運(yùn)算放大器的老化將保持在晶體管的飽和區(qū)域內(nèi)。晶體管的過驅(qū)動(dòng)余量正在縮小，因?yàn)?nm的電源電壓為750mV，閾值約為350mV，因此幾乎沒有任何空間來保留較大余量。隨著老化，閾值電壓可以偏移多達(dá)50mV。如果運(yùn)算放大器偏置電路偏移50mV，它可能會(huì)從飽和區(qū)域變?yōu)榫€性區(qū)域或三極管區(qū)，晶體管會(huì)變?yōu)?a target="_blank">電阻器而不再具有增益。運(yùn)算放大器的功能是提供增益，那時(shí)電路變得毫無用處。”

模擬設(shè)計(jì)很難開始。Ramadan說：“老化和可靠性是模擬設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)。今天的設(shè)計(jì)可能不會(huì)在明天運(yùn)行，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)可能會(huì)發(fā)生降級(jí)，你必須確保滿足所有老化和可靠性要求?！?/p>