如何正确评估芯片的老化程度?

5nm及以下制程的老化问题-第二部分

本文就5nm及以下制程的老化问题进行进一步说明。

监视和测试

行业方法正在多层次变化。埃森哲全球半导体业务负责人Syed Alam表示：“为了正确评估芯片的老化程度，制造商依靠了一种称为老化测试的功能，即对晶圆进行人工老化以对其进行熟化，然后再对其进行可靠性测试。” 。“热是芯片老化的主要因素，其使用时间紧随其后，尤其是闪存，因为驱动器上只有这么多的可重写空间。”

这仍然是许多人依赖的技术。Fraunhofer的Lange说：“ AEC-Q100是汽车电子的重要标准，它包含的多项测试不能揭示真实的可靠性信息。” “例如，在高温工作寿命（HTOL）测试中，必须对3×77器件在应力前后进行1000小时的功能测试。即使所有设备通过测试，您也无法确定它们是否会在1001小时后失效，或者使用寿命会延长10倍。这些信息只能通过扩展测试或模拟获得。”

一个新兴的替代方案是在芯片中内置老化传感器。Arteris IP的Shuler说：“有些传感器通常包含一个定时环路，当电子绕过环路所需的时间更长时，它们会警告您。” “还有一个称为金丝雀单元的概念，与标准晶体管相比，它们的寿命过短。这可以告诉您老化正在影响芯片。您要做的是获取芯片即将失效的预测信息。在某些情况下，他们会从这些传感器中获取信息，将其从芯片上拿走，扔进大型数据库中，然后运行AI算法来尝试进行预测工作。”

数据中心和汽车等细分市场要求扩展可靠性。Moortec技术行销经理Richard McPartland表示：“提高可靠性的传统方法现在已得到新技术的补充，这些新技术可在任务模式下利用芯片监视功能来测量老化并捕获整个芯片寿命内的其他关键信息，例如温度和供应状况，” 这些可用于预测性和自适应维护，以计划的及时方式更换零件或调整电源电压以保持性能。分析功能的启用将使在任务模式下从芯片监视器中收集的关键信息可用于更广泛的系统，并使从单个设备和更多人群中获得的见解能够优化和扩展可靠性。”

额外的3D问题

2D，2.5D和3D设计中存在许多相同的问题，除了散热问题在某些体系结构中可能会更加严重。但是，可能还存在许多尚未完全理解的新问题。“当将设备堆叠在一起时，必须对它们进行背面研磨以使它们变薄，”霍纳说。“更薄的模具上的应力可能是一个问题，需要通过分析来理解，研究和解决。您所谈论的是一个异构环境，其中您可能在堆叠DRAM，而这往往更多是一种特定技术，或者是CPU和GPU，它们可能利用不同的技术处理节点。您可能有不同类型的TSV或已在此特定硅片中使用的凸块。他们如何互相影响？”

这些接口是一个问题。Schaldenbrand说：“芯片上有压力，这会改变器件的特性。” “但是，如果不同的模具加热到不同的温度，那么它们接触的地方将承受很大的机械应力。这是一个大问题，系统互连将是一个巨大的挑战。”

模型和分析

一切都从制造厂开始。舒勒说：“全世界的台积电和三星必须开始提供这些信息。” “当您达到5nm及以下，甚至7nm时，这些工艺会有很多可变性，这会使一切变得更糟。”

Thanikasalam说：“制造厂对此感到担心，因为他们意识到受到更高电场的器件的降解速度比以前快得多。” “他们开始使用适用于设备老化部分的MOS可靠性和分析解决方案（MOSRA）。最近，我们看到这种趋势转向了开始使用老化模型的最终客户。有些客户只会使用降级的模型进行简单的运行，以便模拟考虑阈值电压的降级。”

大批量芯片将需要更广泛的分析。Thanikasalam补充说：“对于大批量生产，多重PVT模拟已成为验证这一点的无用方法。” 每个人都必须在此级别上运行蒙特卡洛。采用变异模型进行蒙特卡洛仿真是5nm及以下工艺的关键。”

需要更多模型。“有更多的模型正在创建和优化中，”霍纳说。“在3D堆叠方面，我们了解有关电迁移，红外，热和功率的问题。这些是可以理解和建模的关键事物。对于机械方面-甚至我们放置在各层之间的材料及其对热量的影响，以及稳定性结构-虽然存在模型，但它们并未得到增强，因为我们还没有看到足够的模型。”

沙登布兰德对此表示赞同。“我们一直在研究模型并对其进行更新，随着人们意识到它们，添加了新现象。为高级节点做准备需要进行很多更改。对于标称器件，我们可以很好地描述老化，但是过程变化及其对可靠性的影响之间的相互作用仍然是一个研究主题。这是一个非常具有挑战性的主题。”

使用finFET，整个方法改变了。Thanikasalam说：“规则变得如此复杂，以至于您需要拥有一个可以真正解释的规则，应用规则告诉我们在两三年后可能出现问题的地方。” “ FinFET可以是多阈值器件，因此当您在单个IP中使用整个阈值电压域时，我们会遇到很多问题，因为每个单个器件都将朝着不同的方向发展。”

结论

尽管如此，5nm正在取得进展。斋月表示：“最近，我们看到许多代工厂，IDM，无晶圆厂和IP公司急于寻找解决方案。” “它们涵盖了广泛的应用和技术流程。尽管标准的老化模型可以作为新玩家的起点，但根据目标应用和技术流程，可以期望进一步定制。在硅集成计划（Si2）下，紧凑模型联盟（CMC）目前正在开发一种标准的老化模型，以帮助该行业。在2018年，CMC发布了第一个标准开放模型接口（OMI），它可以使用统一的标准OMI接口对不同的电路模拟器进行老化仿真。”

这是重要的一环，但仍有很长的路要走。“ CMC内的标准化活动已经开始解决其中一些问题，”兰格说。“但是在模型复杂性，特性描述工作，应用场景和工具支持方面，还有很多工作要做。”
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