負偏壓溫度不穩定性（Negative Bias Temperature Instability,NBTI）、熱載流子注入（Hot Carrier Injection,HCI）效應、電遷移（Electromigration,EM）效應、靜電放電（Electrostatic Discharge,ESD）和輻射效應等因素對于集成電路的可靠性有很大影響。可靠性設計就是通過設計階段的優化，降低這些因素對集成電路和性能的影響，從而提高集成電路的可靠性。

NBTI是指在較高溫度和負偏壓下，pMOS界面處的Si-H鍵斷裂產生界面陷阱，柵氧化層陷阱也會俘獲空穴，這些都會引起pMOS閾值電壓漂移，導致電路因時序無法滿足而出現功能錯誤。HCI效應則是因為溝道源漏電壓較高時，一部分載流子獲得足夠高的能量或因漏結附近的反射，進入氧化層造成閾值電壓的變化，對電路時序產生影響，甚至導致電路出現功能錯誤。隨著電路特征尺寸的下降，HCI效應也越來越顯著。

近年來NBTI和HCI效應引起的可靠性問題越來越受到重視。為了解決這一問題，首先需要建立NBTI和HCI效應對閾值電壓影響的模型，在電路設計階段對這兩個效應的影響進行仿真，在關鍵路徑等電路中引入額外裕量，以保證在這兩個效應的影響下，電路仍然可以正常工作。對于NBTI，還研究了通過改變電路工作方式，避免關鍵路徑中的晶體管長時間工作在負偏壓下的方法來消除偏壓溫度不穩定性的影響。

目前在22nm以下的工藝，FinFET器件被廣泛采用。相比傳統的平面晶體管，FinFET器件產生的熱量無法通過襯底散熱，會產生嚴重的自加熱現象。自加熱現象會導致FinFET集成電路出現可靠性問題，如溫度過高會導致電遷移效應更加嚴重，也會導致電路性能的下降等。FinFET的自加熱效應通常通過改進工藝、降低功耗等手段來緩解。

ESD是造成集成電路芯片受過度電應力破壞的主要因素。ESD保護電路提供了靜電放電的電流路徑，在放電時，可避免靜電電流流入芯片內部而使其造成損傷。

電離輻射也會引起集成電路工作的不穩定，因為輻射會誘生MOS管界面陷阱，引起閾值電壓、遷移率等參數的變化，從而影響電路功能和性能。這種輻射產生的失效是長期輻射導致的，因此又稱總劑量效應。輻射產生的瞬時電流還會引起敏感器件如SRAM單元的短時狀態翻轉，產生軟錯誤。這種輻射產生的失效是單粒子輻射引起的瞬時效應，因此也被稱為單粒子效應。抗輻射電路在軍事、航天等領域具有廣泛的應用。對于總劑量效應，可通過在工藝、器件、電路和版圖等方面進行抗輻射加固設計。對于輻射產生的瞬時電流引起的軟錯誤，可通過三模冗余電路、糾錯碼或檢測到錯誤后重新計算等方法進行加固設計。

對于NBTI、HCI效應和EM效應引起的可靠性問題，建立精確的物理模型和電路級、單元級的仿真方法更為重要。有了精確的分析結果，才能有針對性地對電路進行優化。目前，ESD保護電路已較為成熟。抗輻射電路設計是可靠性設計中較為專門的領域，主要在軍事和航天中應用，可通過電路和工藝上的加固，以及電路的冗余設計等方法降低輻射的影響，提高電路可靠性。
編輯：黃飛

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