驯服NBTI来提高设备的可靠性

负偏压温度不稳定性是一个日益严重的问题在最先进的流程节点,但也使用传统的方法已经被证明很难驯服。最终可能会开始改变。

NBTI是场效应晶体管的老化机制导致改变晶体管的特性曲线在操作期间。结果可以转向功能的晶体管电路的意想不到的行为。

更具体地说,NBTI可以在数字应用程序增加门延迟时间,进而可能导致时间违规,腐败的计算结果。在模拟电路中,即使是小的变化场效应晶体管特性对电路可以有一个负面影响精度。例如,他们场效应晶体管年龄不同,可能导致不准确的模拟数字转换器,解释Kay-Uwe层面,研究员弗劳恩霍夫东亚峰会。

“另一个难题是先进技术节点的小场效应晶体管的脸NBTI变异性的问题,而NBTI-relevant缺陷的数量随栅氧化层区域,”层面说。“缺陷属性仍然广为传播,场效应晶体管相同的几何时代非常不同。因此,NBTI退化的统计变化,从而在较大的平均晶体管。”

(Vt)阈值电压漂移的速度从NBTI加速在高电压可能需要对许多设计来满足其性能目标和更高的温度,这是由高频开关活动和地方热的影响,指出吉姆•Dodrill物理设计集团高级技术总监手臂。“时机效应最为明显,当设备电压降低为低功耗操作。”

Magdy Abadir,负责营销的副总裁Helic表示同意。“作为设备的年龄,NBTI增加PMOS器件的阈值电压。这将导致增加的时间延误和失败。NBTI高先进节点的影响。此外,NBTI随VDD的影响减少,这是一个常见的趋势先进节点减少权力。”

理解NBTI
负偏压温度不稳定性是一种退化机制,影响PMOS晶体管。它源于改变在栅氧化层之间的接口和通道。结果可以是任何东西,从阈值电压和泄漏电流的增加,减少流动性,漏极电流和跨导。

“NBTI已经成为更重要的过程扩展的结果,“艺术Schaldenbrand说,高级产品经理节奏。“流程扩展导致增加电场在栅极氧化物。设备在高温下运转由于更高的功耗和更复杂的栅氧化层堆栈。所有这些因素NBTI易感性增加。比例持续下降,n沟道晶体管也开始显示易正偏置温度不稳定性(PBTI)。”

但NBTI也难以预测。“分析问题更复杂的是,根据设备操作/强调,英国国际贸易局的设备是可以恢复的效果,“Schaldenbrand说。“既然NBTI增加阈值电压和降低流动性,它影响时间、动态功率,泄漏电路的数字标准细胞。”

电磁(EM)耦合只会使问题变得复杂。它可以导致非常大的延迟变化,根据大量的耦合信号的交换条件。

“这些利润减少时间延迟变化显著,因此耐老化NBTI效应越来越失败可能发生之前,“Helic的Abadir说。“磁耦合和电容耦合不同,非常深远,很难抵御。结果,更多的延迟变化可能发生由于磁耦合与电容耦合相比。这些磁耦合引起的变化也会影响时钟抖动和最糟糕的倾斜,进一步加剧了时机利润紧缩。随后NBTI宽容的保证金是显著降低由于电磁耦合”。

同时,磁耦合和配电网络中固有的电感效应(生产)生产的结果会枯萎,减少供应的有效价值互补金属氧化物半导体门。与降低供应,NBTI效应增加,他说。

磁耦合会导致过冲和跌进一个信号,在最坏的切换条件下可显著信号开关时创建一个附加磁场方向相同,根据Yehea伊斯梅尔开罗美国大学的教授。

“这些过激的,除了可以通过几种机制容易加剧NBTI效应,”伊斯说。“过度导致高电场会导致热电子效应改变阈值电压的方式增加了NBTI效应显著。此外,这些信号波动VDD的输入门导致一个有效的价值' 1 '除了VDD和NBTI效应的变化。此外,过度导致双向电流在PMOS晶体管超越典型的单向的CMOS电流需要VDD的输出电容充电,导致过度加热PMOS晶体管和NBTI增加。”

提高可靠性
因此,提高设计可靠性可以通过多种方式实现,伊斯梅尔说。“首先,正确建模设计的物理性质(如RLCK提取)和合并这些准确的模型在计算设计的关键性能指标(VDD延迟,有效,功耗,耦合噪声,等等),而不是使用简单的模型的惯例,然后依靠任意的和昂贵的利润率。注意,如果有一些变异的来源不准确建模,使用任意的保证金将不会解决关键设计问题,可以非常昂贵。”

此外,也可以增加使用适当的设计可靠性老化模型估计的预期年龄设备实际使用情况和环境条件下,他补充说。

Arm的Dodrill认为最简单的方法占晶体管老化在SoC水平包括额外的时间余地设置和保存。“占一个稍微复杂的方法是设置临界范围至少10%的时钟周期的设置和保存路径,包括包括额外的时间余地封闭的时钟。描述IP包括老化的影响,像NBTI,不是没有路径水平STA的解决方案非常有用。最终的解决方案是EDA软件在执行静态时序分析时考虑了老化,这是一个不小的任务;每个晶体管都有一个独特的上下文切换。额外的特性,建模和分析将添加到已经cpu密集型设计和验证的IP和设计,但它是必需的,如果我们要正确占NBTI效应的没有添加利润过于悲观。”

先进NBTI模型,包括NBTI可变性,正在开发和提供给电路设计师,指出弗劳恩霍夫的层面。与传统的经验NBTI模型、先进模型利用物理的见解,允许NBTI老化的高精度预测。

即使有一些技术使用,艾哈迈德斋月,高级产品AMS铸造项目工程经理导师,西门子业务说,NBTI是最重要的威胁之一MOSFET devices-whether NMOS或PMOS-in今天超大规模集成电路。“随着晶体管的电应力增加,有硅die-side接口有关的问题。高的压力和高温量应用于这个接口,陷阱将会生成在氧化,导致逐渐穿的设备。这是一个渐进的磨损。这不是一个突然的磨损可能发生在原设备和相应的测试。这就是为什么它很危险。你不能摆脱它瞬间当设备是在压力之下。”

它只会变得更糟。“最终,所有电路都将失败,因为随着晶体管变得缓慢,“说斋月。“还有两台设备之间的不匹配问题。你可以有一个退化的比其他的设备,它可以像一对差动的一部分,所以他们不再匹配。的一个陷阱,可以发生在一个电路漏电电流可以变得更大。”

预测复苏NBTI并不简单。“预测复苏,必须有一个良好的动态模型,该模型可用于模拟和能占这次复苏效果,”他说。“当我们谈论的是先进的技术节点,你会发现集成电路工作的时间也要超过他们之前,这可能会导致芯片温度随时间增加。”

高温对NBTI效应。所以做超薄栅氧化物。

“很多先进技术设备的节点使用超薄氧化物盖茨,和技术减轻使用超薄氧化物会造成泄漏,“说斋月。漏”来解决这个问题,high-k电介质+金属大门。如果你使用high-k电介质,意味着您可以引入更多的二氧化硅界面陷阱。这些,反过来,可以创建一个高概率因为类似NBTI退化。这就是为什么它更更重要在先进技术节点使用high-k薄氧化物电介质使用。”

图1:可靠性浴缸曲线。来源:维基百科/怀亚特衍生著作

向更多的标准
今天没有帮助,每个EDA工具提供者使用自己的专有复苏的预测模型,但进步是发生了。

“没有标准模型,在今天,“斋月说。“EDA供应商各自开发模型。但整个行业,铸造厂正在开发自己的模型,机构正在开发自己的模型,所以很多工作目前由标准化委员会包括发生紧凑的模型联合(CMC)来开发一个标准模型老化,不仅目标NBTI还热载流子注入,TDDB(含时栅氧化层击穿)和其他退化机制。这是不同公司之间的合作,包括厂、EDA供应商,一,和教育机构如加州大学伯克利分校、广岛大学等等。”

再次,随着老化可靠性仿真和与先进的节点重要性,NBTI是设计和制造的一个关键部分,必须加以解决。

在铸造方面,一些半导体制造商可能处理从提供技术和优化模型。这些模型可能是物理模型,或部分物理、和部分经验匹配技术。甚至一些铸造厂开发自己的老化的接口,可用于运行电路模拟在每个今天EDA供应商的解决方案。

这个老接口需要老化模拟运行,最大的EDA工具,今天每个供应商都有自己的解决方案老化。人们越来越担心铸造厂可能不希望继续支持所有这些解决方案,因此,中央军委已经过去七年一直致力于开发一种老化标准接口,打开模型接口(OMI)。这是模拟器不可知论者,所以如果它支持任何EDA供应商从不同的EDA工具提供商,它可以提供一个接口,可以使用的铸造厂。所有他们需要做的就是开发自己的模型,将它放在接口和它应该工作在不同的EDA供应商。

支持者认为这也免费客户不依赖于一个单一的解决方案从一个EDA供应商。而不是关注界面本身,行业努力可以解决如何准确模型代表了行业和客户所需的技术。

直到标准讨论解决,多个政党将锐意进取提高设备的可靠性,解决衰老和NBTI方式。