在下面5 nm和老龄化问题

导致衰老的机制,在半导体已经知道了很长一段时间,但大多数人并不关心这个概念因为远远超过他们的预期寿命部分部署在该领域。在很短的时间内,所有这些已经改变了。

设备几何图形已经变得更小,这个问题变得越来越重要。5 nm时,开发流程与工具的重要组成部分和流动迅速发展新的问题被发现,理解和建模。

“我们看到它从精品技术,使用特定的设计团体,变成更常规的批准过程的一部分,“说艺术Schaldenbrand,高级产品经理节奏。“当我们沿着这些更高级的节点,问题你要处理的数量增加。在半微米你可能只需要担心热载流子注入(HCI)如果你做类似的电源芯片。当你沿着180海里你开始看到类似以下负偏压温度不稳定性(NBTI)。进一步进入自我加热等现象,而成为一个重要的可靠性问题。”

处理的方式在过去的不再是可行的。“直到最近,设计师非常保守处理保险设计的老化问题,留下大量的保证金在桌子上,“斋月艾哈迈德说,高级产品工程经理导师,西门子业务。“然而,推动设计所需的限制不仅是实现竞争优势,也需要满足新的应用需求的减少晶体管扩展的好处。所有这些要求准确的帐龄分析的必要性。”

虽然新现象被发现,旧的继续恶化。“衰老的司机,如温度和电应力,并没有改变,”安德烈·兰格说,小组经理质量和可靠性弗劳恩霍夫IIS的自适应系统的工程部门。“然而,密集活跃设备利润最低安全要求实现高级功能需求。这使得他们更容易受到可靠性问题引起的自热,增加磁场强度。考虑先进的包装技术和2.5 d和3 d集成、驱动程序的可靠性问题,特别是温度,将获得的重要性。”

促成因素
最大的因素是热量。“更高的速度往往会产生更高的温度和温度是最大的杀手,”丽塔霍纳说,3 d-ic高级产品营销经理Synopsys对此。“温度使电子迁移。预期寿命指数可以改变从一个微小的三角洲的温度。”

这成为了一个更大的问题finFETs。“在平面CMOS工艺,热量可以通过大量的逃生设备底物很容易,”节奏的Schaldenbrand说。“但是当你站的晶体管,并把它在一个毯子,这是有效栅氧化层和门就像,通道的经历更大的温度上升,因此,强调设备正在经历显著增加。”

越来越多的电子产品被发现自己在敌对环境中部署。“半导体芯片运行在极端条件下,如汽车(150°C)或高海拔(数据服务器在墨西哥城)的风险最高的可靠性和衰老相关的约束,“说Milind短小,高级副总裁在分子间的程序和操作。”2.5 d和3 d设计可以看到底层的硅芯片上额外的机械应力,这可能引起额外的机械应力老化。”

设备的属性日益恶化。“随着时间的推移,降低阈值电压的设备,这意味着需要更多的时间来打开设备,“哈兰Thanikasalam说,高级应用工程师在Synopsys对此AMS。“原因之一是负偏压不稳定。但随着设备规模下降,电压比例低于几何缩放。今天,我们达到物理极限。设备操作大约0.6到0.7伏在3海里,相比1.2 v 40 nm或28 nm。因此,电场的增加。大在一个很小的设备区域电场可以引起严重的崩溃。”

这是新的。“我们捕捉这种现象叫做时间介质击穿(TTDB),“Schaldenbrand说。“你看看,实地密度导致设备分解,并确保设备不经历过多场密度。”

另一个衰老的主要原因电迁移(EM)。“如果你执行可靠性仿真,如新兴市场或红外仿真,不仅设备降低但是你也有电迁移发生在互联,“Thanikasalam补充道。“你不仅要考虑设备,而且设备之间的互联。

模拟和数字
老化时,数字模拟的一个子集。“在数字,你最担心的,因为这改变了延迟,兴衰”Schaldenbrand说。”,涵盖了各种各样的罪恶。但是模拟更微妙和获得是你担心的。只知道Vt改变了这么多并不是要告诉你多少增益将会降低。这只是等式的一部分。”

图1:随着时间的推移模拟组件的失败。来源:Synopsys对此

老化可以通过数字掩盖了。“这取决于应用程序,系统可能会降低,或者它可能会失败的相同数量的老化,“导师的斋月说。“例如,微处理器恶化可能导致较低的性能,需要放缓,但不是必需的失败。在AI任务关键型应用程序中,如ADAS传感器退化可能直接导致AI失败,因此系统失败。”

简单退化的概念的数字往往会被隐藏。“很多这是捕获的细胞特征层面上,“Schaldenbrand补充道。“所以系统设计师并不担心太多。如果他正确的运行库,问题是覆盖他。”

工作周期
为了得到一个精确的画面,衰老,你必须考虑设计的活动,但通常这不是预期的方式。“负偏压温度稳定(电视台)影响一些设备,“Synopsys对此“霍纳说。“但不需要积极运行的设备。老化可以发生在设备关闭。”

在过去没有仿真分析。“你只能得到一定数量的可靠性数据做静态的,向量独立分析,“说Synopsys对此Thanikasalam。“这个分析不关心刺激你给您的系统。需要一个更广泛的外观和确定问题发生在哪里没有模拟设计。但这被证明是一个非常准确的做事方式,尤其是在更小的节点,因为一切都是依赖性活动。”

可以麻烦IP块。“问题是,如果有人在做自己的芯片,自己的软件在他们自己的设备,他们需要知道的所有信息,晶体管级,这工作周期,”库尔特·舒勒说,负责营销的副总裁Arteris IP。“但是如果你创建一个芯片,其他人将创建软件,或者你提供一个完整的SDK和修改它,然后你真的不知道。这些芯片供应商必须提供给客户一些分析的办法。”

设计的某些部分,占空比可以估计。“你永远不会想要找到一块水平的问题在系统层面上,“Schaldenbrand说。“人们可以做块级别的分析,这是相当便宜的。模拟块,如ADC或并行转换器或锁相环,你有一个好主意的操作是在系统。你知道它会经历什么样的压力。这并不是真正的大型数字设计,你可能有几个操作模式。改变数字活动很多。”

这是根本原因已经变成了一个用户的问题。“这给用户的责任,以确保你选择刺激激活的部分设计,你认为会更容易衰老和电迁移,你必须做你自己,”Thanikasalam说。“这创造了一个很大的警告信号终端用户因为铸造厂无法为您提供刺激。他们不知道什么您的设计。”

监视和检测
方法在不同层次变化。“正确评估老化芯片,制造商依赖于一个名为老化测试的函数,在晶片煮熟的人为年龄,之后可以进行可靠性测试,“赛义德·阿拉姆说,全球半导体埃森哲的铅。“热老化的主要因素在芯片,使用第二,特别是为flash只有这么多驱动器上可用重写。”

这仍然是一个技术,很多依赖。“AEC-Q100,汽车电子产品的一个重要标准,包含多个测试,不透露真实可靠性信息,”弗劳恩霍夫的兰格说。”例如,在高温使用寿命(HTOL)测试,3×77设备必须强调1000小时功能测试之前和之后的压力。即使所有设备通过,你不能告诉他们是否会失败1001小时后或者他们是否会持续10倍长。这些信息只能通过扩展测试或模拟。”

一个新兴的替代方法是构建衰老传感器芯片。“有传感器,通常包含一个定时循环,他们会提醒你什么时候需要更长时间的电子绕一个循环,“Arteris IP的舒勒说。”也有一个概念叫做“金丝雀”细胞,这些是为了过早死亡相比,一个标准的晶体管。这可以告诉你,老化是影响芯片。你正在试图做的是获取预测信息的芯片会死。在某些情况下,他们的信息从这些传感器,获得芯片,扔进大运行数据库和人工智能算法来做预测工作。”

细分市场,如数据中心和汽车需求扩展的可靠性。“传统方法来提高可靠性正在新技术的补充,后者利用芯片监测任务模式测量老化和捕获温度等关键信息和供应概要文件在死去的生命,”理查德·McPartland说Moortec技术营销经理。“这些可用于预测和自适应维护更换零件及时计划或调整供应电压保持性能。分析支持将关键信息聚集在任务模式从芯片监控可用于更广泛的系统,使个人的见解设备和更大的人口优化和扩展的可靠性。”

额外的3 d问题
许多相同的问题存在于2 d、2.5 d和3 d设计,除了热问题可能变得更加放大了一些架构。但也可能是一大堆新问题尚未完全了解。“当你堆垛设备最重要的彼此,你必须back-grind薄他们,”霍纳说。“瘦死的压力可能是一个问题,这需要理解和分析的研究和解决。此外,各种类型的硅时代不同。你谈论的异构环境中,你可能叠加DRAM,往往更为特定的技术或cpu和gpu,可能使用不同的技术流程节点。你可能有不同的类型的tsv或疙瘩已经使用在这个特殊的硅。它们如何相互作用?”

这些接口是一个问题。“模具上有压力,改变了设备的特点,“Schaldenbrand说。“但如果不同的模具加热到不同的温度,然后他们接口的地方会有很多的机械应力。这是一个大问题,和系统互连将是一个巨大的挑战。"

模型与分析
一切开始于铸造厂。“世界的台积电和三星已经开始提供这些信息,“舒勒说。“如下5纳米,甚至7海里,有很多变化在这些过程,使一切变得更糟糕。”

“铸造厂担心这个,因为他们意识到这些设备受到高电场降解比以前要快得多,”Thanikasalam说。“他们开始使用金属氧化物半导体可靠性和分析解决方案(MOSRA),适用于设备老化的一部分。最近,我们看到,转向客户开始使用老化模型。有些客户只做一个简单的运行使用退化模型,模拟账户的退化阈值电压。”

大容量芯片需要更广泛的分析。“为大批量生产,多PVT模拟成为一个无用的验证方法,“Thanikasalam补充道。每个人都有蒙特卡罗在这个级别。蒙特卡罗模拟的变化在下面5 nm和模型是关键。”

需要更多的模型。“有更多的模型被创建和优化,”霍纳说。“3 d的叠加,我们有知识的担心电迁移,红外光谱、热,和权力。这些都是关键的事情是理解和建模。机械方面,甚至层之间的材料,我们将和他们的影响而言,热,和稳定的结构,而有模型,它们不是增强,因为我们还没有看够了这些。”

Schaldenbrand表示同意。“我们不断更新和工作模型,添加新现象,人们意识到它们的发生。有很多的变化需要准备的高级节点。名义设备我们可以很好地描述老化,但之间的交互过程变异及其对可靠性的影响仍然是一个研究课题。这是一个非常具有挑战性的课题。”

finFETs,整个方法发生了变化。“规则已经变得如此复杂,以至于你需要一个工具,它可以解释规则,运用规则,和告诉我们两个可能有问题,三年下来,“Thanikasalam说。“FinFETs可以多阈值的设备,所以当你有整个的阈值电压被用于一个IP,我们有这么多的问题,因为每一个设备将在不同的方向走了。”

结论
不过,正在取得进展。“最近,我们看到了许多铸造厂,IDMs,制程和IP企业急于找到一个解决方案,”说,斋月。“他们覆盖范围广泛的应用程序和技术流程。而标准老化模型可以帮助新玩家作为起点,预计还将有进一步的定制根据目标应用程序和过程的技术。下的紧凑型建模联盟(CMC)硅集成计划(Si2),目前正在开发一个标准老化模型来帮助该行业。2018年,中央军委发布了第一个标准的开放模式接口(OMI),使老化模拟不同电路模拟器使用统一标准OMI接口。”

这是一个重要部分,但仍然有很长的路要走。在中央军委“标准化活动已经开始解决这些问题,”兰格说。”,但有相当多的工作要做的模型复杂性、鉴定工作,应用场景,和工具支持。”

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