先進特征尺寸節點上，芯片老化是個日益嚴重的問題，但到目前為止，大多數設計團隊都沒有必要處理它。隨著新的可靠性要求在汽車等市場的提出，這些需要對影響老化的因素進行全面分析，這將發生重大變化。

冗余設計

Moortec公司首席執行官Stephen Crosher說：“半導體器件隨著時間的推移逐漸老化，我們都知道，但通常不太了解老化機制或導致芯片失效的制約因素。此外，根據應用的不同，對器件的最短壽命有確定的要求。對于消費類設備可能是2或3年，對于電信設備可能長達10年。鑒于老化過程復雜且通常難以完全預測，如今許多芯片設計經常采取冗余設計的方法，以確保足夠的余量來滿足可靠壽命工作的要求。

理解底層物理特性至關重要，因為它可能導致意外的結果和漏洞。常用方法中的冗余設計不再是可行的選擇，特別是當競爭對手使用更好的設計和分析技術，這些來限制對冗余設計的需要。

高可靠需求在增長

需要高可靠性的器件類型正在增長。Cadence高級產品經理Art Schaldenbrand指出：“用于基站或服務器場合的先進節點設備有非常嚴格的可靠性要求，它們每周7天，每天24小時運營。這是持續的壓力。然后是關鍵任務應用。很多人都關注汽車，但還包括工業應用或失敗成本非常高的空間應用，一旦衛星被送入太空，你希望它能夠工作直到它的使用壽命結束。”

更令人不安的是，一些失敗模式是統計的。Crosher說：“如果老化過程可以變得更加確定，或你能夠實時監控老化過程，那么你可以減少冗余設計。你可以開發能夠對老化做出反應和調整的芯片，甚至可以預測何時可能發生芯片故障。”

老化的物理機制

首先我們必須了解老化的根本原因。ANSYS首席技術專家Jo?oGeada解釋道：“當設計受到電應力時會造成損壞，有些事情發生在金屬和晶體管上。”

晶體管在多個方面易受攻擊。隸屬西門子的Mentor的AMS集團高級產品工程經理Ahmed Ramadan說：“有三種主要退化機制影響MOSFET，FinFET或FD-SOI器件，會改變器件的閾值電壓，繼而影響器件的驅動電流，導致器件減速，減慢整個電路的速度。”最終，在持續的壓力下，器件可能會完全停止運行。使晶體管易受攻擊的三個機制是：

負偏壓溫度不穩定性（NBTI）：這是由于在電介質上施加足夠長時間的靜電電壓。

熱載流子注入（HCI）：如果你足夠快地擺動電壓，電子的速度非常快，并可將自身嵌入電介質中。Geada表示。“事實證明，因為物理機制以及我們正在使用的電流和器件，這是一個很小的影響。”

與時間相關的介質擊穿（TDDB）：這可能導致氧化層的擊穿并導致柵極泄漏和隨后的器件擊穿。Geada解釋道：“TDDB類似于靜電放電（ESD），但ESD通常是一個非常短、非常高脈沖、高能量事件，而TDDB則是長時間暴露于接近常規工作電壓的更溫和的場中，它最終將擊穿氧化層并具有相同的效果，即穿過柵極并阻止晶體管工作。”

圖為NBTI對SRAM單元的影響。資料來源：Synopsys

學術界對導致HCI和NBTI的基本機制看法一致，但對TDDB有不同的解釋，給其建模帶來困難。此外，在先進的特征尺寸節點意味著尺寸和電壓的微縮。Ramadan指出，“然而，電壓并沒有像器件的物理尺寸那樣微縮，這導致了會產生這些效應的電場的增加。其中一些效應也受到溫度的影響，如NBTI，因此在PMOS器件上加上高溫和負偏壓時，NBTI非常重要。還有PBTI可能發生在NMOS晶體管上。”

新節點帶來新挑戰

德國夫瑯和費研究所（Fraunhofer）IIS/EAS質量和可靠性部門經理AndréLange表示，“在我們遷移到這些節點時看到了許多新的挑戰。首先，這些技術往往比較大節點的可靠性差。其次，當前的密度可能會上升并在局部超過關鍵值。第三，最近的技術進步主要針對數字電路，使得模擬設計變得越來越復雜。第四，新的應用場景，如自動駕駛，將引入全新的使用場景，每天大約工作22小時，而不是現階段的工作2小時。”

該行業仍在學習。Schaldenbrand說：“在先進的節點，挑戰是所用技術是新的，我們對它們的了解并不多。因此，預測器件物理特性更具挑戰性。我們已經對這些器件進行了大量的建模工作，已經看到與傳統節點有點不同的特性。”

還有一個問題。Geada警告說：“因為你只是在一個特定的時間段在特定的晶體管上施加特定的電壓，并不意味著它會自動擊穿，它有大的擊穿幾率，部分原因是其是量子的。你正在處理非常小的幾何形狀，你正在處理一個或兩個原子厚的柵極，你正在處理量子效應。沒有繞過一些隨機性。”Schaldenbrand對此表示贊同。Schaldenbrand說：“有些設備的老化速度會比其他設備快，你必須考慮老化的統計變化。考慮所有變化來源變得更加重要，而不僅僅是電氣變化。”

溫度正在成為一個更大的問題。Synopsys公司高級職員產品營銷經理Anand Thiruvengadam補充說：“所有這些因素也影響平面器件，但并不明顯。使用平面器件，您不必為自熱而煩惱，有很多方法可以散熱，但FinFET并非如此。在FinFET中熱量被困住，幾乎沒有機會消散，這會對器件和上覆金屬都產生影響。”

電線

電線是許多與老化有關問題的根源。電線不會微縮，在先進節點處導致與電阻/電容相關的一大堆問題。老化的重要影響之一是電遷移（EM），這是由導體內的材料傳輸引起的。Movellus首席執行官Mo Faisal說：“電遷移是引起老化的問題之一，自16/14nm FinFET以來變得非常重要。現在，7nm和5nm的導線變得非常脆，電流流過時，會隨著時間的推移而受損。”

這可能會在整個設計流程中產生巨大的麻煩。Schaldebrand說：“物理上，隨著電線變小，效應變得更加重要，余量變得越來越小。因此，我們看到了對高精度分析的更多需求。在28nm，正負30％可能已經足夠好了。但是當我們進入先進節點時，需要正負10％的精度。利潤率正在萎縮，因此人們希望得到更準確的預測。”

所有這些都需要結合背景一起考慮。Thiruvengadam補充說：“如果我離開老化并關注可靠性，設備自熱是考慮電遷移的一個重要因素。在7納米處，這種情況更是如此，并且已基本成為停用的一個因素。”

同樣的一些問題也會影響存儲。Geada解釋道：“在寫入時需要通過柵極向底層電容注入一些電荷。由于它確實需要比正常情況稍高的電壓，這會造成損害，意味著最終你無法清除，導致阱嵌入到柵極中。損壞的根本原因是阱嵌入到柵極中，并且好像柵極上有永久電壓。這會降低器件的工作能力，無論是清除電荷，還是進行轉換。它不會像它原來的，新的無應力形式一樣工作。”

工藝偏差

工藝偏差已經成為28nm以下的持久性問題，并且在每個新節點都會變得更糟。現在必須考慮設計流程的多個步驟以及每個新節點的每個特定設計。

Schaldenbrand說：“因為我們試圖在很長的生命周期內進行準確的預測，所以我們必須考慮工藝偏差將如何影響壽命。一些現象中，例如熱載流子注入，我們看到電子注入柵極，與柵極厚度有關，而柵極厚度因器件而異。你必須考慮工藝偏差對老化的統計影響。“

這需要設計團隊采用不同的思維方式。Geada補充道：“實際上，就像常規定時一樣，我們必須將偏差作為優先效應處理，并使設計能夠容忍變化，而不是嘗試和設計以去除變化。你無法改變偏差，這些器件太小了。這種偏差無法控制，老化也是如此。這不是晶圓廠可以避免的，這是器件和我們正在使用的物理機制的固有特性。”

影響

了解老化的影響需要區分模擬和數字。數字是較為容易的情況。

Movellus的Faisal說：“考慮一個簡單的逆變器。如果逆變器內晶體管的閾值電壓在4年內移動50mV，它仍會實現逆變功能。它將比它的設計預期慢。隨著延遲的增加，它可能在某些時候成為一個問題。電路越快越活躍，它的老化速度就越快。然而，即使有一個時鐘，你只需要一個電壓，波形的幅度必須足以觸發電路-基本上是Vdd/2。所有這些都可以在預計范圍內。如果您要運行1GHz時鐘并且預計會降低10％，可以設計出足夠的余量，即使降級了仍然在指定的速度范圍內。”

這簡化了老化模型。Geada說：“數字化的好處在于電流只能在非常有限的時間內流動。因此，即使我們必須注重功率，與模擬相比，數字更加靜態。它具有短暫的高活動間隔，然后等待直到下一個時鐘周期。模擬電路則永遠不會打開或關閉。它們總是活躍的，并且以不同的方式累積熱應力。模擬電路必須處理更高的電壓擺動和更高的電流，這會導致金屬易受影響。模擬電路必須處理不同的事物。它必須處理熱效應，因為電流總是在流動。”

以類似于數字的方式，模擬電路隨時間老化。Schaldenbrand說：“模擬器件通常會改變其性能特征。在個別器件級別，它們對老化更敏感。可能有一些擔心增益變化的個別情況中，你可以采取對這些效應相對不敏感的設計。在模擬設計中你可以做一些事情來使其對老化不敏感，但由于你直接依賴于器件參數，模擬設備更敏感。”

但這可能變得非常難以實現。Faisal說：“以運算放大器為例，它是很多東西的基礎。運算放大器必須正確偏置，并且必須在過驅動電壓中留有一些余量。然后你必須確保留下足夠的余量，這樣隨著時間的推移，運算放大器的老化將保持在晶體管的飽和區域內。晶體管的過驅動余量正在縮小，因為7nm的電源電壓為750mV，閾值約為350mV，因此幾乎沒有任何空間來保留較大余量。隨著老化，閾值電壓可以偏移多達50mV。如果運算放大器偏置電路偏移50mV，它可能會從飽和區域變為線性區域或三極管區，晶體管會變為電阻器而不再具有增益。運算放大器的功能是提供增益，那時電路變得毫無用處。”

模擬設計很難開始。Ramadan說：“老化和可靠性是模擬設計師面臨的挑戰。今天的設計可能不會在明天運行，因為這些設計可能會發生降級，你必須確保滿足所有老化和可靠性要求。”