5nm及以下制程的老化問題-第一部分

半導(dǎo)體老化已從鑄造問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩魡栴}。隨著我們達(dá)到5nm及以下，無矢量方法變得越來越不準(zhǔn)確。

導(dǎo)致半導(dǎo)體老化的機(jī)制已為人所知，但這一概念并未引起大多數(shù)人的關(guān)注，因?yàn)椴考念A(yù)期壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其在現(xiàn)場的預(yù)期部署時間。在短時間內(nèi)，所有這些都改變了。

隨著設(shè)備的幾何尺寸變得越來越小，這個問題變得更加嚴(yán)重。在5納米工藝中，隨著發(fā)現(xiàn)，理解和建模新問題，工具和流程迅速發(fā)展，它已成為開發(fā)流程的重要組成部分。

Cadence的高級產(chǎn)品經(jīng)理Art Schaldenbrand表示：“我們已經(jīng)看到它已從特定設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用的一種精品技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦匾暮灠l(fā)流程的一部分。” “當(dāng)我們進(jìn)入這些更高級的節(jié)點(diǎn)時，您必須處理的問題數(shù)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?fù)?dān)心熱載流子注入（HCI）。當(dāng)您降至180nm以下時，您會開始看到諸如負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性（NBTI）之類的東西。再往下，您會遇到其他現(xiàn)象，例如自熱，這成為一個嚴(yán)重的可靠性問題。”

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

在發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的同時，舊現(xiàn)象繼續(xù)惡化。Fraunhofer IIS自適應(yīng)系統(tǒng)工程部負(fù)責(zé)質(zhì)量和可靠性的部門經(jīng)理AndréLange說：“溫度和電應(yīng)力等老化驅(qū)動因素并未真正改變。” “但是，要實(shí)現(xiàn)高級功能要求，就必須使用安全系數(shù)最小的密集型有源設(shè)備。這使它們更容易受到自熱和場強(qiáng)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(jìn)封裝技術(shù)，可靠性問題（尤其是溫度）的驅(qū)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(chǎn)品營銷經(jīng)理Rita Horner表示：“更高的速度往往會產(chǎn)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(yù)期壽命可能會隨溫度的微小變化而呈指數(shù)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(dāng)您將晶體管側(cè)放并包裹在毯子中時，這實(shí)際上就是柵極氧化物和柵極的作用，溝道會經(jīng)歷更大的溫升，因此器件承受的應(yīng)力會大大增加。”

越來越多的電子設(shè)備正被部署在惡劣的環(huán)境中。“在極端條件下運(yùn)行的半導(dǎo)體芯片，例如汽車（150°C）或高海拔環(huán)境（墨西哥城的數(shù)據(jù)服務(wù)器），具有最高的可靠性和與老化相關(guān)的風(fēng)險，”程序和運(yùn)營高級副總裁Milind Weling說， “ 2.5D和3D設(shè)計(jì)可能會在底層硅芯片上看到額外的機(jī)械應(yīng)力，這可能會導(dǎo)致額外的機(jī)械應(yīng)力老化。”

Synopsys的AMS高級應(yīng)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(shè)備的電源。” “造成這種情況的原因之一是負(fù)偏差不穩(wěn)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(dá)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(shè)備區(qū)域上產(chǎn)生的大電場會導(dǎo)致嚴(yán)重的故障。”

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

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

模擬和數(shù)字

在老化方面，數(shù)字是模擬的子集。“在數(shù)字領(lǐng)域，您最擔(dān)心驅(qū)動器，因?yàn)檫@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(dān)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(jù)應(yīng)用程序的不同，系統(tǒng)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(dǎo)致性能降低，有必要減慢速度，但沒有必要的故障。在關(guān)鍵任務(wù)AI應(yīng)用中，例如ADAS，傳感器性能下降可能直接導(dǎo)致AI故障，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。”

數(shù)字降級這一更簡單的概念通常可以被隱藏。Schaldenbrand補(bǔ)充說：“其中很多是在單元表征水平上捕獲的。” “因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不必為此擔(dān)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(zhǔn)確的老化圖，您必須考慮設(shè)計(jì)中的活動，但這通常不是預(yù)期的方式。Synopsys的Horner說：“負(fù)偏置溫度穩(wěn)定性（NBTS）正在影響某些器件。” “但是設(shè)備不必主動運(yùn)行。設(shè)備關(guān)閉時可能會發(fā)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(tài)，矢量無關(guān)的分析，您只能獲得一定數(shù)量的可靠性數(shù)據(jù)。” “該分析并不關(guān)心您對系統(tǒng)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(shè)計(jì)。但這被證明是做事的一種非常不準(zhǔn)確的方式，尤其是在較小的節(jié)點(diǎn)上，因?yàn)橐磺卸既Q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(shè)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(dá)到多少為止，” Kurt Shuler說道。 “但是，如果您正在創(chuàng)建其他人將要為其開發(fā)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(jìn)行修改，那么您真的不知道。這些芯片供應(yīng)商必須向他們的客戶提供一些進(jìn)行分析的方法。”

對于設(shè)計(jì)的某些部分，可以估算占空比。“您永遠(yuǎn)都不想在系統(tǒng)級別上找到塊級別的問題，” Schaldenbrand說。人們可以在塊級進(jìn)行分析，在那做起來是相當(dāng)便宜的。對于模擬模塊，例如ADC或SerDes或PLL，您應(yīng)該很好地了解其在系統(tǒng)中的運(yùn)行方式。對于大型數(shù)字設(shè)計(jì)（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(shù)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(zé)任，以確保您選擇能夠激活設(shè)計(jì)中那些您認(rèn)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?yàn)殍T造廠將無法為您提供刺激。他們不知道您的設(shè)計(jì)做什么。”

結(jié)論

本文闡述了5nm制程在芯片設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的因素，并對其中的因素進(jìn)行了討論。第二部分將就對這些問題的監(jiān)測方法和額外的問題進(jìn)行說明。
責(zé)任編輯：tzh