半導(dǎo)體老化的影響和原因分析

半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到?jīng)]有人可以假設(shè)芯片將永遠(yuǎn)存在的地步。如果不仔細(xì)考慮，老化會(huì)縮短 IC 的壽命，使其低于預(yù)期應(yīng)用的需求。

老齡化在技術(shù)界得到了很好的研究，但是雖然其他不太直接參與的人可能在一般層面上理解這是一個(gè)問題，但原因并不總是很明顯。那么衰老背后的物理機(jī)制究竟是什么？

“老化基本上取決于我們通過晶體管通道驅(qū)動(dòng)電子的速度，”西門子 EDA的 AMS 產(chǎn)品管理負(fù)責(zé)人 Sathish Balasubramanian 說。

這反過來又會(huì)帶來一些權(quán)衡。“從設(shè)計(jì)的角度來看，幾乎每個(gè)設(shè)計(jì)師都對老化方面的不同事物感興趣，”自適應(yīng)系統(tǒng)部 Fraunhofer IIS Engineering 的質(zhì)量和可靠性小組經(jīng)理 André Lange 說。

也就是說，它的形象已經(jīng)上升為一個(gè)關(guān)鍵的驗(yàn)證目標(biāo)?！拔覀円恢睂Ｗ⒂?PPA，”Balasubramanian 說?！皯?yīng)該是 PPA 2 ”，考慮到四個(gè)關(guān)鍵因素——性能、功率、面積和老化。

只有少數(shù)已知會(huì)縮短芯片壽命的效應(yīng)，其中許多都涉及電荷被困在不屬于它們的地方。有些可以通過技術(shù)改進(jìn)來緩解，而有些則需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。老化模擬已被證明對設(shè)計(jì)師有很大幫助，但沒有快速簡便的解決方案。最終，隨著系統(tǒng)老化，片內(nèi)監(jiān)控有助于密切關(guān)注現(xiàn)場系統(tǒng)。

為什么我們現(xiàn)在擔(dān)心老化

電路老化一直存在。然而，在過去，硅和其他材料可以做的事情有更多的余地和更少的限制?！袄匣?yīng)和降解機(jī)制在理論上一直存在，”proteanTecs 產(chǎn)品營銷高級總監(jiān) Marc Hutner 說。“我們開始看到的是它們在高性能應(yīng)用程序中的廣泛表現(xiàn)，例如數(shù)據(jù)中心。大型超大規(guī)模企業(yè)正在報(bào)告他們不習(xí)慣看到的計(jì)算故障和隨機(jī)缺陷。我們預(yù)計(jì)，隨著設(shè)計(jì)的縮小、技術(shù)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步以及性能和可靠性要求的激增，這一趨勢將會(huì)增加。”

過去，由于老化導(dǎo)致的設(shè)備故障可能會(huì)在芯片的預(yù)期壽命之后很久才出現(xiàn)——如果有的話。然而，隨著節(jié)點(diǎn)越來越激進(jìn)，材料的推動(dòng)力越來越大，出錯(cuò)的空間也越來越小。老化可能發(fā)生得更快，如果處理不當(dāng)，設(shè)備的預(yù)期壽命甚至比其預(yù)期系統(tǒng)的壽命更短。

雖然半導(dǎo)體老化會(huì)影響任何應(yīng)用，但一個(gè)市場比其他任何市場都更關(guān)注它?！捌囀窃谠O(shè)計(jì)中考慮設(shè)備老化的主要驅(qū)動(dòng)力，”Fraunhofer 的 Lange 說。

這是由于兩個(gè)因素——汽車的使用壽命必須比普通智能手機(jī)長得多，而且故障可能會(huì)產(chǎn)生安全后果。因此，原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商不得不仔細(xì)研究老化效應(yīng)以及如何保護(hù)系統(tǒng)免受老化影響。

但除了汽車之外，任何必須持續(xù)很長時(shí)間的芯片都會(huì)受到影響。Balasubramanian 說：“我們正在嘗試進(jìn)行城市規(guī)劃，例如污水控制系統(tǒng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵任務(wù)或邊緣系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，給定芯片的每個(gè)最終應(yīng)用都決定了如何加固它們以防老化。”

雖然有許多關(guān)于如何減輕衰老影響的信息來源，但對衰老根源的挖掘卻很少。目前尚不清楚具有電子穿過它們的穩(wěn)定材料會(huì)以何種方式磨損。事實(shí)證明，導(dǎo)致衰老的影響相對較少，并且大多數(shù)與移動(dòng)電子遇到物體時(shí)所傳遞的能量有關(guān)。

金屬遷移

第一個(gè)已知影響是一個(gè)古老的影響，可以追溯到幾十年前。這里的問題是，當(dāng)電子在導(dǎo)體中碰撞時(shí)，它們實(shí)際上可以推動(dòng)金屬離子。效果是漸進(jìn)的，但隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)間隙。即使沒有完全斷開連接，它的電阻也會(huì)隨著它變窄而增加。

這種效應(yīng)是由電流密度驅(qū)動(dòng)的。隨著空隙的形成，這會(huì)產(chǎn)生正反饋效應(yīng)。電流密度與流過導(dǎo)體橫截面的電流量有關(guān)。如果該導(dǎo)體因電遷移而變窄，則可用橫截面會(huì)減少，從而增加電流密度并使問題惡化。

緩解涉及管理電流密度?？梢酝ㄟ^增加金屬橫截面（通過加寬金屬，因?yàn)楦叨仁枪潭ǖ模┗蚪档碗娏鱽頊p少它。長期以來，仿真工具使運(yùn)行檢查成為可能，以確保電流密度在整個(gè)設(shè)計(jì)中保持在界限內(nèi)。

還有另一種形式的金屬遷移可能會(huì)或可能不會(huì)成為問題。金屬-介電界面可能是物理應(yīng)力的來源，這會(huì)導(dǎo)致金屬移動(dòng)。這是雙鑲嵌銅工藝早期的一個(gè)問題，金屬壁上的應(yīng)力。

這通常被認(rèn)為是一個(gè)固定的問題，但尚不清楚它是否會(huì)在最具攻擊性的節(jié)點(diǎn)上再次抬頭。

被俘獲電荷

的影響 導(dǎo)體和絕緣體的概念簡單地假設(shè)電荷載流子僅在導(dǎo)體中移動(dòng)并且絕緣體是電惰性的。雖然這可能是真的，但普遍存在的被困電荷問題違反了這一原則。

俘獲電荷是一種以某種方式嵌入絕緣體中的電荷。它可能會(huì)四處移動(dòng)，但最有可能留在原地。因?yàn)檫@些電荷不是流動(dòng)的，它們不會(huì)直接參與任何電流流動(dòng)，但它們會(huì)導(dǎo)致泄漏并最終導(dǎo)致?lián)舸?/p>

在大多數(shù)情況下，電荷俘獲是一種不受歡迎的現(xiàn)象。雖然一些應(yīng)用程序（如閃存）可以利用電荷捕獲作為存儲(chǔ)機(jī)制，但在其他方面無濟(jì)于事。

陷阱可以被認(rèn)為是吸引和保持電子的缺陷。這是柵極電介質(zhì)中最受關(guān)注的問題，其中捕獲的電荷會(huì)影響閾值電壓。它們還使通道中的載流子更容易穿過門。

有在制造過程中產(chǎn)生的內(nèi)在陷阱，也有在操作過程中產(chǎn)生的外在陷阱。由于后者，捕獲的電荷會(huì)隨著時(shí)間的推移而積累，這確實(shí)是導(dǎo)致大多數(shù)老化的原因。

本征陷阱可能由不完美的電介質(zhì)形成以及電介質(zhì)與硅之間的界面引起。在電介質(zhì)中，電荷可以被捕獲在絕緣體晶格中存在缺陷的任何地方。

雖然有可能生長出極高質(zhì)量的氧化物，但它所花費(fèi)的時(shí)間可能會(huì)使這種工藝變得不經(jīng)濟(jì)?！爱?dāng)你有良好的柵極氧化物時(shí)，你內(nèi)部不會(huì)有太多的陷阱，”朗格說?！氨M管如此，擁有這些良好的柵極氧化物需要付出更多的努力?！?/p>

由于涉及的溫度和時(shí)間，退火可能不實(shí)用，具體取決于過程中的位置?！笆欠窨梢赃M(jìn)行高溫工藝步驟總是取決于之前的工藝步驟，”朗格指出?！耙恍└?K 電介質(zhì)并不真正喜歡高溫?！?/p>

現(xiàn)實(shí)仍然是電介質(zhì)中總會(huì)存在一些缺陷。

界面處的陷阱 在

硅界面處，會(huì)有開放的或“懸空的”硅鍵。這些用氫鈍化。但并不是每一個(gè)懸空的債券都可能被填滿，剩下的那些將是陷阱。

此外，通道中的空洞可能會(huì)誘使氫氣遠(yuǎn)離其位置，從而打開陷阱?！斑@主要是因?yàn)槲挥谘趸杞缑娴墓?氫鍵斷裂，”西門子 EDA 模擬和混合信號產(chǎn)品工程總監(jiān) Ahmed Ramadan 說。

一般來說，疏水閥將取決于用于防止泄漏的材料和任何添加劑。從二氧化硅到氧化鉿（或其他高 K 電介質(zhì)）的轉(zhuǎn)換并沒有消除本征陷阱。

除非電子進(jìn)入其中，否則這些缺陷不會(huì)引起問題。即便如此，單個(gè)被捕獲的電子也不太可能被注意到。老化效應(yīng)與這樣一個(gè)事實(shí)有關(guān)，即一旦被捕獲，電子可能難以脫離，這可能是一種累積效應(yīng)。

以下是具有不同名稱的電荷捕獲的具體原因和影響，具體取決于它們的影響。雖然它們占主流應(yīng)用程序老化的大部分原因，但某些應(yīng)用程序——尤其是那些必須經(jīng)受住嚴(yán)酷太空考驗(yàn)的應(yīng)用程序——可能還有其他貢獻(xiàn)。

“例如，由于 α 粒子，你會(huì)遇到單事件擾動(dòng)，”Lange 指出?！坝捎诟吣茈x子也會(huì)導(dǎo)致永久性降解，因此總電離劑量也是一個(gè)問題。”

熱載流子注入

電流中的載流子會(huì)有能量分布，其中一些會(huì)比其他的更有活力——或者說“熱”。這些載流子可以使電子穿過相鄰的絕緣體，將自己嵌入（甚至產(chǎn)生）陷阱中。這稱為熱載流子注入 （HCI）。

“熱載流子注入是由于漏極側(cè)發(fā)生的高電場，”Ramadan 說。“這種高電場實(shí)際上會(huì)推動(dòng)獲得足夠能量的電子與硅晶格原子碰撞并產(chǎn)生電子/空穴對。孔通常會(huì)到達(dá) NMOS 器件的襯底。電子將被推向硅/二氧化硅界面。它們將與其他硅原子碰撞，產(chǎn)生更多的電子/空穴對，這種效應(yīng)稱為“碰撞電離”。這些電子既可以駐留在二氧化硅界面內(nèi)，也可以傳遞到柵極。”

當(dāng)漏極電壓相對于柵極較高時(shí)，這往往會(huì)成為更大的問題?！皳?jù)說當(dāng)漏極電壓是柵極電壓的兩倍時(shí)，這是一個(gè)問題，”Ramadan 指出。

圖 1：高能載流子撞擊硅原子，產(chǎn)生電子/空穴對，電子被困在附近的電介質(zhì)中。新電子可能會(huì)在此過程中產(chǎn)生其他電子對?？讓⑾蚧逡苿?dòng)。資料來源：Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

這種機(jī)制被明確地用于閃存編程的一方面。除此之外，這是一種不受歡迎的現(xiàn)象。

負(fù)偏壓和正偏壓溫度不穩(wěn)定性

這是一種可以逐漸降低晶體管閾值電壓的效應(yīng)。負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI） 會(huì)影響 PMOS 晶體管，并且隨著時(shí)間的推移越來越受到關(guān)注。正極版本 （PBTI） 會(huì)影響 NMOS 晶體管，并且它也被考慮用于激進(jìn)節(jié)點(diǎn)。兩者都在較高溫度下加劇。

對于 NBTI，捕獲載波的陷阱可能有兩個(gè)原因。一種是柵極電介質(zhì)內(nèi)存在簡單的本征陷阱。這也是 PBTI 背后的主要機(jī)制。

NBTI 的另一個(gè)俘獲電子來源是通道/氧化物界面。與涉及熱電子的 HCI 不同，這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電子在電場的影響下緩慢漂移進(jìn)入并通過柵極電介質(zhì)。請注意，這方面不被認(rèn)為是影響 PBTI 的機(jī)制。

這些電子改變了晶體管的閾值?！伴撝惦妷簳?huì)下降，這會(huì)影響電路的整體延遲，這將變得更糟，”Ramadan 說。

圖 2：從硅漂移到電介質(zhì)中的載流子（藍(lán)色圓圈）。黑色圓圈是陷阱，其中一些被占領(lǐng)。資料來源：Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

如果去除氧化物兩端的電壓，體陷阱捕獲的電荷會(huì)隨著時(shí)間逐漸釋放。“如果制造過程中存在預(yù)先存在的陷阱，它們將被孔洞填滿，”Ramadan 說。“當(dāng)你消除［電壓］壓力時(shí)，它就會(huì)消失?！?/p>

從理論上講，PBTI 和部分 NBTI 可能是可逆的——這使得它們不是真正的老化問題。

但是解除電荷俘獲的弛豫時(shí)間可以從毫秒到幾小時(shí)不等。就工作集成電路的時(shí)間尺度而言，這些時(shí)間尺度很長。這意味著，即使這種效應(yīng)在技術(shù)上是可逆的，但在某些電路中可能沒有機(jī)會(huì)這樣做。在這種情況下，它還可以有效地起到老化機(jī)制的作用。

目前尚不清楚界面陷阱是否會(huì)釋放它們的電荷?！芭c對應(yīng)于硅/氫鍵的空穴碰撞產(chǎn)生的陷阱。去除氫鍵會(huì)留下一個(gè)懸空的硅鍵，”Ramadan 說。“這些都沒有恢復(fù)?！?/p>

或者換句話說，即使消除了壓力，氫氣也不會(huì)返回現(xiàn)場。

“NBTI/PBTI］ 和 HCI 對電路設(shè)計(jì)人員來說很重要，因?yàn)樗鼈兌紩?huì)導(dǎo)致晶體管性能的逐漸轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致電路性能的逐漸轉(zhuǎn)變，”Lange 說。

增加泄漏

電子穿過電介質(zhì)的另一種機(jī)制是隧道效應(yīng)，而 Fowler-Nordheim 隧道效應(yīng)是一種非常特殊的機(jī)制，通過該機(jī)制，電介質(zhì)上的電壓會(huì)縮小隧道勢壘。電壓越高或氧化物越薄，電子越容易通過隧道。

圖 3：說明 Fowler-Nordheim 隧穿的簡化能帶圖。在左側(cè)，沒有施加電壓，勢壘太寬而無法穿過。在右側(cè)，在施加電壓的情況下，較薄的部分可以實(shí)現(xiàn)隧道效應(yīng)。資料來源：Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

這種效應(yīng)被有意用于原始的電可擦除可編程 ROM （E 2 PROM），并且仍然用于使用浮動(dòng)?xùn)艠O的位單元的閃存編程機(jī)制的一側(cè)（另一側(cè)使用 HCI）。但是，只要有電壓穿過薄勢壘，就會(huì)發(fā)生隧穿，無論是否需要。

這些電子可能會(huì)被沿途的缺陷捕獲，這意味著它們可能無法穿過電介質(zhì)。但它們確實(shí)降低了進(jìn)一步隧穿的勢壘，這可能導(dǎo)致通過電介質(zhì)的漏電流增加。

與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿

隨著更多被俘獲的電子在電介質(zhì)中積累，其整體擊穿電壓會(huì)下降。雖然電荷緩慢積累，但在某些時(shí)候會(huì)形成“滲透路徑”，從而使電介質(zhì)失效。這會(huì)導(dǎo)致“時(shí)間相關(guān)的介電擊穿”或 TDDB。

與典型的老化機(jī)制不同，這意味著會(huì)出現(xiàn)突然故障，而不是性能逐漸降低導(dǎo)致故障。雖然已經(jīng)對這種效果進(jìn)行了建模，但對于某些設(shè)計(jì)來說，這些模型可能過于保守。

“我們有從事 RF 工作的合作伙伴告訴我們，靜態(tài) TDDB 模型會(huì)預(yù)測電路在開啟后會(huì)立即出現(xiàn)故障，”Lange 說?！皩?shí)驗(yàn)表明情況并非如此。問題是您的高壓尖峰非?？?，以至于它們不會(huì)導(dǎo)致您期望從該高度的直流應(yīng)力中產(chǎn)生的損壞?！?/p>

模型沒有很好地捕捉到這一點(diǎn)，因此如果當(dāng)今射頻設(shè)計(jì)受到過度約束，則需要做更多的工作。

溫度循環(huán)疲勞

先進(jìn)封裝帶來了其自身的挑戰(zhàn)，與可能封裝在其中的單個(gè)裸片無關(guān)?！霸谟懻撏嘶屠匣磿r(shí)，我們需要考慮的另一個(gè)因素是先進(jìn)的異質(zhì)封裝，”Hutner 說?！斑@意味著我們實(shí)際上正在擴(kuò)展‘老化’這個(gè)術(shù)語，以包括新現(xiàn)象。”

對于復(fù)雜的多芯片封裝，有多種材料具有不同的熱膨脹系數(shù) （CTE）。這意味著隨著溫度的變化，材料將以不同的速度膨脹和收縮。隨著時(shí)間的推移，這些差異可能會(huì)導(dǎo)致金屬連接失效時(shí)的不連續(xù)性。

如果設(shè)計(jì)中沒有充分解決這種長期溫度循環(huán)問題，那么帶有機(jī)械元件的設(shè)備（如 MEMS 芯片）也可能出現(xiàn)內(nèi)部故障。這樣的故障將導(dǎo)致精度下降或設(shè)備徹底死亡。

設(shè)計(jì)前分析和設(shè)計(jì)后監(jiān)控

雖然了解底層機(jī)制有助于減輕芯片的老化效應(yīng)，但應(yīng)通過分析工具抽象出細(xì)節(jié)。這些工具的質(zhì)量將取決于它們使用的模型的質(zhì)量。

“如果設(shè)計(jì)人員想將他們的設(shè)計(jì)推向極限，他們需要確保他們擁有能夠捕捉這些可靠性影響的良好模型，”Ramadan 指出?！按蠖鄶?shù)代工廠實(shí)際上都熱衷于在他們的模型中加入 NBTI 和熱載流子注入。我們還看到了專門用于汽車應(yīng)用的 TDDB 模型?！?/p>

但驗(yàn)證老化并不像按下按鈕那么簡單?！斑@些模擬取決于您使用的任務(wù)配置文件，”Lange 警告說?！半娐返挠猛臼鞘裁?？什么是關(guān)鍵或典型的使用條件？另一個(gè)問題是，使用哪些模型來模擬器件退化或電路性能的影響？這些模型必須支持仿真中的其他瞬態(tài)波形。他們必須準(zhǔn)確評估您感興趣的 IV 曲線中的所有點(diǎn)。”

隨著對衰老的了解越來越多，應(yīng)該更新這些模型，從而更容易圍繞衰老進(jìn)行設(shè)計(jì)——即使每一代人的影響都會(huì)變得更糟。

“對物理上發(fā)生的事情的基本了解已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了，即使對于非常非常小的節(jié)點(diǎn)也是如此，”Lange 說?！暗惯@些模型可用于不同的技術(shù)或不同的晶體管類型，還有很多工作要做?！?/p>

硅前驗(yàn)證雖然很關(guān)鍵，但還不夠。老化是監(jiān)控電路被包含在高級 IC 中的主要原因之一。“SoC 需要變得智能，嵌入智能監(jiān)控解決方案，以提供有關(guān)其健康狀況和性能下降預(yù)測的實(shí)時(shí)反饋，”Hutner 說。

可以觀察關(guān)鍵參數(shù)，分析指向可能因老化而出現(xiàn)故障的設(shè)備。在適當(dāng)?shù)那闆r下，這些芯片——或者它們被焊接到的電路板——可以在它們的故障導(dǎo)致更大的問題之前被更換。

那么，老化效應(yīng)似乎會(huì)持續(xù)存在。但是，在減緩老化的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和觀察老化過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控之間，系統(tǒng)可以得到更好的保護(hù)，因?yàn)樗鼈冊絹碓蕉嗟貪B透到我們的生活中。