芯片老化成为设计问题

芯片老化是一个日益严重的问题在高级节点,但到目前为止,大多数设计团队没有处理它。会显著改变为新的可靠性要求各地推出市场,如汽车,需要一个完整的分析影响衰老的因素。

理解底层物理是至关重要的,因为它会导致意想不到的结果和漏洞。芯片和过度设计的一般方法不再是一个可行的选择,特别是当竞争者利用更好的设计和分析技术,限制保险设计的必要性。

“半导体器件时代随着时间的推移,我们都知道,但什么是经常不清楚是衰老的机制或将导致芯片的限制失败,”斯蒂芬•Crosher说首席执行官Moortec。“此外,必然要求有一个最小生存期的设备,这取决于应用程序。这可能是2或3年消费设备,和10年电信设备。鉴于衰老过程是复杂的,往往很难完全预测,今天许多芯片设计往往过度设计的保证金来满足要求,以确保有足够的可靠的终生操作。”

类型的设备,高可靠性的需求正在增长。“高级节点设备,进入一个基站或一个服务器群,该群中有相当严格的可靠性要求,“艺术Schaldenbrand指出,高级产品经理节奏。“他们一天工作24小时,一周7天。这是连续的压力。还有关键任务的应用程序。很多关注汽车,但这就像工业应用,或空间应用失败的代价非常高。一旦卫星进入太空,你想要工作到年底其有用的一生。”

是什么让这一切更令人不安的是,一些失效模式统计。“如果衰老过程可能成为更多的确定性,或者更好的是,如果你可以在实时监控老化过程,然后你可以减少过多,“Crosher说。“你可以为老化的影响,开发芯片的反应和调整,甚至预测芯片故障可能发生的时候。”

的物理老化
但首先我们必须理解的根本原因老化。“伤害是导致设计时受到电动压力,”解释若昂Geada的解释,首席技术专家有限元分析软件。“有一些事情发生在金属和晶体管的事情发生。”

晶体管是脆弱的在多个领域。“这三个主要的降解机制,可以影响一个MOSFET, finFET,或一个FD-SOI装置,”艾哈迈德说斋月,AMS group的高级产品工程经理导师,西门子业务。”,他们将改变阈值电压的影响的设备。影响设备的驱动电流,导致减速装置,因此减慢整个电路。”

最终,在持续的压力下,设备可能完全停止操作。

使晶体管脆弱的三个问题是:

• 负偏压温度不稳定性(NBTI)。这是由于有一个静态电压穿过介质在很长一段时间。
• 热载流子注入(HCI)。如果你摇摆的电压足够快,电子有很高的速度和可以嵌入自己发射地进入介质。“事实证明,这是一个小得多的效果只是因为物理的性质和水流和设备我们正在处理,“断言Geada的解释。
• 含时绝缘击穿(TDDB)。这可能会导致分解氧化,导致门泄漏和后续设备的故障。“TDDB类似于静电放电(ESD),但委托人通常很短,高压脉冲,高能事件,而TDDB长时间暴露于更温和的领域接近常规操作电压,”解释了Geada的解释。“这最终将打破二氧化碳和有相同的效果,这是通过门吹和阻止晶体管操作。”

图1所示。NBTI效应对SRAM单元组成。来源:Synopsys对此

研究社区是对齐的底层机制,导致人机交互和NBTI,但TDDB有不同的解释。这将创建建模困难。

此外,与先进的技术节点,扩展的维度和电压。“然而,电压不是扩展设备的物理维度,这是导致电场的增加,导致这些影响,”笔记斋月。”他们中的一些人也受温度的影响,如NBTI,所以添加了高温加上PMOS器件上的负偏压,NBTI是显著的。还有PBTI可以发生在一个NMOS晶体管”。

安德烈•兰格集团经理质量和可靠性弗劳恩霍夫IIS /东亚峰会认为多个新的挑战我们搬到这些节点。“首先,这些技术往往是可靠的略低于大型技术节点。第二,电流密度可能上升,本地超过临界值。第三,最近的技术进步主要目标数字电路,模拟电路设计变得越来越复杂。第四,新应用程序场景,如自主驾驶,将引入全新的使用场景,他们可以看到大约22小时的操作相比,每天大约2个小时的操作。”

该行业仍在学习。“高级节点,技术是新的挑战,我们没有理解他们一样好,”Schaldenbrand说。“因此,预测设备物理有点更大的挑战。建模这些设备我们已经做了很多工作,我们已经看到一些特点,我们看到传统节点现在有点不同。”

有一个额外的问题。“仅仅因为你某一特定电压申请特定的时间特定的晶体管并不意味着它会自动休息,”警告Geada的解释。“它有很好的打破的几率。一定程度上它是量子。你处理的是很小的几何图形。你正在处理一个门一个分子或两根粗粗的一开始,和你处理的是量子效应。没有出行的一些随机性。”

Schaldenbrand表示同意。“一些设备年龄会比其他人快,你必须考虑到统计变化衰老。变得更重要的帐户的所有来源的变异,不仅电变化。”

温度是成为一个更大的问题。“所有这些因素影响平面设备,但不那么明显,”Anand Thiruvengadam补充道,高级产品营销经理的工作人员Synopsys对此。“与平面设备,你不必烦恼自热。有很多方法与平面设备散热,但finFETs事实并非如此。热量被困,很少有机会热量消散。这影响设备本身,同时也影响上覆金属。”

电线
下降一个级别,电线是许多与衰老相关的问题的来源。电线没有规模,先进的节点,导致很多问题与电阻/电容有关。

的一个关键影响老化电迁移(EM),它是由导体材料的运输。“电迁移是影响老化的问题之一,已成为非常重要的自16/14nm finFET,“莫费萨尔说,首席执行官Movellus。“现在,7和5 nm电线变得非常瘦,他们随着时间的推移会损伤电流流经他们。”

这可以创建大头痛的整个设计流程。“身体,电线变小,影响变得更加重要和利润越来越小,“Schaldebrand说。“我们看到更多对高精度的需求分析。在28 nm,正负30%可能是不够好。但当我们进入高级节点,人们希望精度+ / - 10%。利润缩水,所以人们想要更准确的预测。”

所有这一切需要考虑上下文,。“如果我远离衰老和可靠性,设备自动加热是一个重要的因素要考虑即使对电迁移,”Thiruvengadam补充道。“在7海里这是更是如此,已经基本上成为结果的一个因素。”

一些同样的问题也会影响记忆。“做一个写需要注入一些电荷通过一扇门进入潜在的电容器,”解释了Geada的解释。“因为它需要电压略高于正常,造成损害。最终这意味着你可以不清楚它,和它引起的陷阱,成为嵌入到大门。损坏的根本原因是陷阱被嵌入到门,好像有一个永久的电压门。降解的能力无论从操作设备,清理收费,从做一个过渡。它几乎不会操作,以及在最初时,新的轻形式。”

变异
过程变化已成为一个持续的问题28 nm以下,在每个新节点问题变得更糟。现在必须占在多个步骤为每个具体的设计流程和设计在每一个新的节点。

“因为我们正试图在很长的生命周期,准确的预测,我们必须思考过程变化将如何影响一生,“Schaldenbrand说。”等现象,热载流子注入,在那里我们看到电子注入到门,门厚度和门有关厚度因设备而异。你必须考虑老龄统计过程变化的影响。”

这对设计团队需要不同的心态。“现实,就像常规的时机,我们必须处理方差作为一阶效应,使设计能够耐受方差与尝试和工程师,“Geada的解释补充道。“你不能工程师方差。设备太小了。不可控的影响。这同样适用于衰老。这不是工厂可以消失。这是一个设备的固有属性和物理处理。”

的影响
理解衰老的影响需要分离模拟计算机和数字计算机两种。数字是简单的情况。

说,“考虑一个简单的逆变器Movellus费萨尔。“如果逆变器中的晶体管的阈值电压变化由50 mv 4年来,它仍然会反转。这将是低于设计,和预算。随着延迟的增长,它可能成为一个问题。电路电路的越快,越活跃,越快,它将年龄。然而,即使有一个时钟,你就有优势,和波形的振幅足以触发电路-基本上Vdd / 2。所有这些事情可以预算。如果你要运行一个1 ghz的时钟和预计下降10%,我可以设计足够的保证金,这样即使它降解我仍然在指定的速度范围。”

这简化了老化模型。“数字的优点是,电流只流很有限的一段时间,“Geada的解释说。”所以即使我们必须有意识的力量,数字与模拟相比更多的静态。短暂的高度活跃的时间间隔,然后等待,直到下一个时钟周期。模拟从不打开或关闭。他们总是活跃,他们积累热应力不同。模拟必须处理高电压波动和高电流,导致金属敏感。模拟必须处理不同的事物的集合。它必须处理热影响,因为当前总是流动。”

以类似的方式向数字,模拟电路年龄。“模拟设备通常在他们的性能特征,漂移”Schaldenbrand说。“在个体设备水平,他们更敏感的衰老。可能会有一些罕见的情况下,你是担心获得改变,如果设计得当,可以使这些影响设计,相对不敏感。有一些事情你可以做模拟电路设计,降低衰老,但因为你是直接依赖于设备参数,模拟设备更敏感。”

但这可以变得非常难以实现。“考虑一个运放,这是许多事情的构建块,“费萨尔说。”一个运放是有偏见的正确,你必须建立一些保证金到超速档电压。然后你必须确保你留下足够的保证金,运放年龄等,随着时间的推移,它会保持在晶体管的饱和区域。晶体管的超速利润萎缩,因为在7海里750 mv,电源电压阈值约350 mv,所以几乎没有任何空间留下大量的保证金。与衰老,阈值电压可以改变多达50 mv。如果放大器偏置电路变化由50 mv,它可以从饱和区域线性区域或三极管,晶体管成为电阻和不再有收获。一个运放的功能是提供利益,所以这是非常激烈的。此时电路变得没用。”

模拟电路设计是困难的。“老龄化挑战模拟和可靠性是设计师,“说斋月。“今天的设计可能不操作相同的明天,因为可能发生的降解这些设计。你必须确保所有的老化和可靠性需求满足。”

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