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?.doc
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1、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,
2、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
3、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JooGeada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
4、。”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
5、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AndrL
6、ange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
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