5nm及以下制程的老化問題-第一部分

半導體老化已從鑄造問題轉變為用戶問題。隨著我們達到5nm及以下，無矢量方法變得越來越不準確。

導致半導體老化的機制已為人所知，但這一概念并未引起大多數人的關注，因為部件的預期壽命遠遠超過其在現場的預期部署時間。在短時間內，所有這些都改變了。

隨著設備的幾何尺寸變得越來越小，這個問題變得更加嚴重。在5納米工藝中，隨著發現，理解和建模新問題，工具和流程迅速發展，它已成為開發流程的重要組成部分。

Cadence的高級產品經理Art Schaldenbrand表示：“我們已經看到它已從特定設計團隊使用的一種精品技術轉變為更重要的簽發流程的一部分。” “當我們進入這些更高級的節點時，您必須處理的問題數量就會增加。如果您正在做類似電源芯片的事情，則只需半微米，您就不必擔心熱載流子注入（HCI）。當您降至180nm以下時，您會開始看到諸如負偏置溫度不穩定性（NBTI）之類的東西。再往下，您會遇到其他現象，例如自熱，這成為一個嚴重的可靠性問題。”

過去處理它的方法不再可行。西門子業務部門Mentor的高級產品工程經理艾哈邁德·拉馬丹（Ahmed Ramadan）表示：“直到最近，設計師們還是通過過度設計來保守地解決老化問題，因此仍有很大余地。” “但是，在將設計推到極限的過程中，不僅需要獲得競爭優勢，而且鑒于晶體管縮放優勢的日益減小，還需要滿足新的應用要求。所有這些都要求進行準確的老化分析。”

在發現新現象的同時，舊現象繼續惡化。Fraunhofer IIS自適應系統工程部負責質量和可靠性的部門經理AndréLange說：“溫度和電應力等老化驅動因素并未真正改變。” “但是，要實現高級功能要求，就必須使用安全系數最小的密集型有源設備。這使它們更容易受到自熱和場強增加引起的可靠性問題的影響。考慮到具有2.5D和3D集成的先進封裝技術，可靠性問題（尤其是溫度）的驅動因素將變得越來越重要。”

影響因素

最大的因素是熱量。Synopsys的 3D-IC高級產品營銷經理Rita Horner表示：“更高的速度往往會產生更高的溫度，而溫度是最大的殺手。” 溫度會加劇電子遷移。預期壽命可能會隨溫度的微小變化而呈指數變化。”

對于finFET，這已成為更大的問題。Cadence的Schaldenbrand說：“在平面CMOS工藝中，熱量可以很容易地通過器件的大部分散逸到基板中。” “但是當您將晶體管側放并包裹在毯子中時，這實際上就是柵極氧化物和柵極的作用，溝道會經歷更大的溫升，因此器件承受的應力會大大增加。”

越來越多的電子設備正被部署在惡劣的環境中。“在極端條件下運行的半導體芯片，例如汽車（150°C）或高海拔環境（墨西哥城的數據服務器），具有最高的可靠性和與老化相關的風險，”程序和運營高級副總裁Milind Weling說， “ 2.5D和3D設計可能會在底層硅芯片上看到額外的機械應力，這可能會導致額外的機械應力老化。”

Synopsys的AMS高級應用工程師Haran Thanikasalam說：“隨著時間的流逝，器件的閾值電壓會降低，這意味著需要更多的時間才能打開設備的電源。” “造成這種情況的原因之一是負偏差不穩定。但是隨著器件的縮小，電壓縮放比幾何縮放慢。今天，我們正在達到物理極限。器件在3nm處的工作電壓約為0.6至0.7伏，而40nm或28nm處的工作電壓為1.2V。因此，電場增加了。在很小的設備區域上產生的大電場會導致嚴重的故障。”

Schaldenbrand說：“我們捕獲這種現象的方式稱為時變電介質擊穿（TTDB）。” “您正在研究場密度如何導致設備崩潰的情況，并確保設備不會出現太大的場密度。”

老化的另一個主要原因是電遷移（EM）。“如果執行諸如EM或IR降落仿真之類的可靠性仿真，不僅設備會退化，而且互連上也會發生電遷移，” Thanikasalam補充道。“您不僅要考慮設備，還要考慮設備之間的互連。”

模擬和數字

在老化方面，數字是模擬的子集。“在數字領域，您最擔心驅動器，因為這會改變上升和下降延遲，” Schaldenbrand說。“這涵蓋了各種各樣的罪過。但是模擬要微妙得多，增益是您擔心的事情。僅僅知道Vt改變了這么多并不能告訴您增益會降低多少。”

Mentor的齋月表示：“根據應用程序的不同，系統可能會退化，或者它可能會因相同的老化量而失敗。” “例如，微處理器的性能下降可能會導致性能降低，有必要減慢速度，但沒有必要的故障。在關鍵任務AI應用中，例如ADAS，傳感器性能下降可能直接導致AI故障，進而導致系統故障。”

數字降級這一更簡單的概念通常可以被隱藏。Schaldenbrand補充說：“其中很多是在單元表征水平上捕獲的。” “因此，系統設計師不必為此擔心很多。如果他管理正確的library，那么他的問題就解決了。”

占空比

為了獲得準確的老化圖，您必須考慮設計中的活動，但這通常不是預期的方式。Synopsys的Horner說：“負偏置溫度穩定性（NBTS）正在影響某些器件。” “但是設備不必主動運行。設備關閉時可能會發生老化。”

過去，分析是在沒有模擬的情況下完成的。Synopsys的Thanikasalam說：“通過靜態，矢量無關的分析，您只能獲得一定數量的可靠性數據。” “該分析并不關心您對系統的刺激。它可以更廣泛地查看并確定問題出在哪里，而無需模擬設計。但這被證明是做事的一種非常不準確的方式，尤其是在較小的節點上，因為一切都取決于活動。”

這對于IP塊可能很麻煩。“問題是，如果有人在自己的設備上做自己的芯片，自己的軟件，他們將擁有所需的全部信息，直到晶體管級，直到占空比達到多少為止，” Kurt Shuler說道。 “但是，如果您正在創建其他人將要為其開發軟件的芯片，或者如果您正在提供整個SDK，并且他們正在對其進行修改，那么您真的不知道。這些芯片供應商必須向他們的客戶提供一些進行分析的方法。”

對于設計的某些部分，可以估算占空比。“您永遠都不想在系統級別上找到塊級別的問題，” Schaldenbrand說。人們可以在塊級進行分析，在那做起來是相當便宜的。對于模擬模塊，例如ADC或SerDes或PLL，您應該很好地了解其在系統中的運行方式。對于大型數字設計（您可能具有幾種操作模式）而言，情況并非如此。這將大大改變數字活動。”

這是它已變成用戶問題的根本原因。Thanikasalam說：“這給用戶帶來了責任，以確保您選擇能夠激活設計中那些您認為更容易老化和電遷移的部分的刺激，而您必須自己這樣做。” “這在最終用戶中造成了很大的警告信號，因為鑄造廠將無法為您提供刺激。他們不知道您的設計做什么。”

結論

本文闡述了5nm制程在芯片設計中應該考慮的因素，并對其中的因素進行了討論。第二部分將就對這些問題的監測方法和額外的問題進行說明。
責任編輯：tzh