半导体器件老化问题是如何出现的？如何解决半导体器件老化问题？

先进特征尺寸节点上，芯片老化是个日益严重的问题，但到目前为止，大多数设计团队都没有必要处理它。随着新的可靠性要求在汽车等市场的提出，这些需要对影响老化的因素进行全面分析，这将发生重大变化。

冗余设计

Moortec公司首席执行官Stephen Crosher说：“半导体器件随着时间的推移逐渐老化，我们都知道，但通常不太了解老化机制或导致芯片失效的制约因素。此外，根据应用的不同，对器件的最短寿命有确定的要求。对于消费类设备可能是2或3年，对于电信设备可能长达10年。鉴于老化过程复杂且通常难以完全预测，如今许多芯片设计经常采取冗余设计的方法，以确保足够的余量来满足可靠寿命工作的要求。

理解底层物理特性至关重要，因为它可能导致意外的结果和漏洞。常用方法中的冗余设计不再是可行的选择，特别是当竞争对手使用更好的设计和分析技术，这些来限制对冗余设计的需要。

高可靠需求在增长

需要高可靠性的器件类型正在增长。Cadence高级产品经理Art Schaldenbrand指出：“用于基站或服务器场合的先进节点设备有非常严格的可靠性要求，它们每周7天，每天24小时运营。这是持续的压力。然后是关键任务应用。很多人都关注汽车，但还包括工业应用或失败成本非常高的空间应用，一旦卫星被送入太空，你希望它能够工作直到它的使用寿命结束。”

更令人不安的是，一些失败模式是统计的。Crosher说：“如果老化过程可以变得更加确定，或你能够实时监控老化过程，那么你可以减少冗余设计。你可以开发能够对老化做出反应和调整的芯片，甚至可以预测何时可能发生芯片故障。”

老化的物理机制

首先我们必须了解老化的根本原因。ANSYS首席技术专家JoãoGeada解释道：“当设计受到电应力时会造成损坏，有些事情发生在金属和晶体管上。”

晶体管在多个方面易受攻击。隶属西门子的Mentor的AMS集团高级产品工程经理Ahmed Ramadan说：“有三种主要退化机制影响MOSFET，FinFET或FD-SOI器件，会改变器件的阈值电压，继而影响器件的驱动电流，导致器件减速，减慢整个电路的速度。”最终，在持续的压力下，器件可能会完全停止运行。使晶体管易受攻击的三个机制是：

负偏压温度不稳定性（NBTI）：这是由于在电介质上施加足够长时间的静电电压。

热载流子注入（HCI）：如果你足够快地摆动电压，电子的速度非常快，并可将自身嵌入电介质中。Geada表示。“事实证明，因为物理机制以及我们正在使用的电流和器件，这是一个很小的影响。”

与时间相关的介质击穿（TDDB）：这可能导致氧化层的击穿并导致栅极泄漏和随后的器件击穿。Geada解释道：“TDDB类似于静电放电（ESD），但ESD通常是一个非常短、非常高脉冲、高能量事件，而TDDB则是长时间暴露于接近常规工作电压的更温和的场中，它最终将击穿氧化层并具有相同的效果，即穿过栅极并阻止晶体管工作。”

图为NBTI对SRAM单元的影响。资料来源：Synopsys

学术界对导致HCI和NBTI的基本机制看法一致，但对TDDB有不同的解释，给其建模带来困难。此外，在先进的特征尺寸节点意味着尺寸和电压的微缩。Ramadan指出，“然而，电压并没有像器件的物理尺寸那样微缩，这导致了会产生这些效应的电场的增加。其中一些效应也受到温度的影响，如NBTI，因此在PMOS器件上加上高温和负偏压时，NBTI非常重要。还有PBTI可能发生在NMOS晶体管上。”

新节点带来新挑战

德国夫琅和费研究所（Fraunhofer）IIS/EAS质量和可靠性部门经理AndréLange表示，“在我们迁移到这些节点时看到了许多新的挑战。首先，这些技术往往比较大节点的可靠性差。其次，当前的密度可能会上升并在局部超过关键值。第三，最近的技术进步主要针对数字电路，使得模拟设计变得越来越复杂。第四，新的应用场景，如自动驾驶，将引入全新的使用场景，每天大约工作22小时，而不是现阶段的工作2小时。”

该行业仍在学习。Schaldenbrand说：“在先进的节点，挑战是所用技术是新的，我们对它们的了解并不多。因此，预测器件物理特性更具挑战性。我们已经对这些器件进行了大量的建模工作，已经看到与传统节点有点不同的特性。”

还有一个问题。Geada警告说：“因为你只是在一个特定的时间段在特定的晶体管上施加特定的电压，并不意味着它会自动击穿，它有大的击穿几率，部分原因是其是量子的。你正在处理非常小的几何形状，你正在处理一个或两个原子厚的栅极，你正在处理量子效应。没有绕过一些随机性。”Schaldenbrand对此表示赞同。Schaldenbrand说：“有些设备的老化速度会比其他设备快，你必须考虑老化的统计变化。考虑所有变化来源变得更加重要，而不仅仅是电气变化。”

温度正在成为一个更大的问题。Synopsys公司高级职员产品营销经理Anand Thiruvengadam补充说：“所有这些因素也影响平面器件，但并不明显。使用平面器件，您不必为自热而烦恼，有很多方法可以散热，但FinFET并非如此。在FinFET中热量被困住，几乎没有机会消散，这会对器件和上覆金属都产生影响。”

电线

电线是许多与老化有关问题的根源。电线不会微缩，在先进节点处导致与电阻/电容相关的一大堆问题。老化的重要影响之一是电迁移（EM），这是由导体内的材料传输引起的。Movellus首席执行官Mo Faisal说：“电迁移是引起老化的问题之一，自16/14nm FinFET以来变得非常重要。现在，7nm和5nm的导线变得非常脆，电流流过时，会随着时间的推移而受损。”

这可能会在整个设计流程中产生巨大的麻烦。Schaldebrand说：“物理上，随着电线变小，效应变得更加重要，余量变得越来越小。因此，我们看到了对高精度分析的更多需求。在28nm，正负30％可能已经足够好了。但是当我们进入先进节点时，需要正负10％的精度。利润率正在萎缩，因此人们希望得到更准确的预测。”

所有这些都需要结合背景一起考虑。Thiruvengadam补充说：“如果我离开老化并关注可靠性，设备自热是考虑电迁移的一个重要因素。在7纳米处，这种情况更是如此，并且已基本成为停用的一个因素。”

同样的一些问题也会影响存储。Geada解释道：“在写入时需要通过栅极向底层电容注入一些电荷。由于它确实需要比正常情况稍高的电压，这会造成损害，意味着最终你无法清除，导致阱嵌入到栅极中。损坏的根本原因是阱嵌入到栅极中，并且好像栅极上有永久电压。这会降低器件的工作能力，无论是清除电荷，还是进行转换。它不会像它原来的，新的无应力形式一样工作。”

工艺偏差

工艺偏差已经成为28nm以下的持久性问题，并且在每个新节点都会变得更糟。现在必须考虑设计流程的多个步骤以及每个新节点的每个特定设计。

Schaldenbrand说：“因为我们试图在很长的生命周期内进行准确的预测，所以我们必须考虑工艺偏差将如何影响寿命。一些现象中，例如热载流子注入，我们看到电子注入栅极，与栅极厚度有关，而栅极厚度因器件而异。你必须考虑工艺偏差对老化的统计影响。“

这需要设计团队采用不同的思维方式。Geada补充道：“实际上，就像常规定时一样，我们必须将偏差作为优先效应处理，并使设计能够容忍变化，而不是尝试和设计以去除变化。你无法改变偏差，这些器件太小了。这种偏差无法控制，老化也是如此。这不是晶圆厂可以避免的，这是器件和我们正在使用的物理机制的固有特性。”

影响

了解老化的影响需要区分模拟和数字。数字是较为容易的情况。

Movellus的Faisal说：“考虑一个简单的逆变器。如果逆变器内晶体管的阈值电压在4年内移动50mV，它仍会实现逆变功能。它将比它的设计预期慢。随着延迟的增加，它可能在某些时候成为一个问题。电路越快越活跃，它的老化速度就越快。然而，即使有一个时钟，你只需要一个电压，波形的幅度必须足以触发电路-基本上是Vdd/2。所有这些都可以在预计范围内。如果您要运行1GHz时钟并且预计会降低10％，可以设计出足够的余量，即使降级了仍然在指定的速度范围内。”

这简化了老化模型。Geada说：“数字化的好处在于电流只能在非常有限的时间内流动。因此，即使我们必须注重功率，与模拟相比，数字更加静态。它具有短暂的高活动间隔，然后等待直到下一个时钟周期。模拟电路则永远不会打开或关闭。它们总是活跃的，并且以不同的方式累积热应力。模拟电路必须处理更高的电压摆动和更高的电流，这会导致金属易受影响。模拟电路必须处理不同的事物。它必须处理热效应，因为电流总是在流动。”

以类似于数字的方式，模拟电路随时间老化。Schaldenbrand说：“模拟器件通常会改变其性能特征。在个别器件级别，它们对老化更敏感。可能有一些担心增益变化的个别情况中，你可以采取对这些效应相对不敏感的设计。在模拟设计中你可以做一些事情来使其对老化不敏感，但由于你直接依赖于器件参数，模拟设备更敏感。”

但这可能变得非常难以实现。Faisal说：“以运算放大器为例，它是很多东西的基础。运算放大器必须正确偏置，并且必须在过驱动电压中留有一些余量。然后你必须确保留下足够的余量，这样随着时间的推移，运算放大器的老化将保持在晶体管的饱和区域内。晶体管的过驱动余量正在缩小，因为7nm的电源电压为750mV，阈值约为350mV，因此几乎没有任何空间来保留较大余量。随着老化，阈值电压可以偏移多达50mV。如果运算放大器偏置电路偏移50mV，它可能会从饱和区域变为线性区域或三极管区，晶体管会变为电阻器而不再具有增益。运算放大器的功能是提供增益，那时电路变得毫无用处。”

模拟设计很难开始。Ramadan说：“老化和可靠性是模拟设计师面临的挑战。今天的设计可能不会在明天运行，因为这些设计可能会发生降级，你必须确保满足所有老化和可靠性要求。”