September 2015 Theme: 集成电路老化问题
客座编辑导言: Cecilia Metra

根据摩尔定律,微电子技术可通过不断缩小尺寸来提高系统性能和复杂度,这为几年前都不敢想象的创新应用铺平了道路。然而,特征尺寸的缩小也使得集成电路(IC)对老化现象更加脆弱,如偏压温度不稳定性(bias temperature instability, BTI),从而给集成电路的可靠性提出了新挑战。

今日计算九月主题探讨这些挑战以及解决这些问题的一些方法。

新时期的集成电路老化问题

特征尺寸的日益微型化增加了制造过程中出现物理缺陷和参数发生变化的可能性,对测试和可靠性提出了新挑战。传统测试技术,如老化试验(burn-in),因为电源和电压限制,正在变得不太有效,而且可能很快变得不可行。在发现集成电路使用的第一年就可能出现的线路故障方面,老化测试的作用有限。随着晶体管栅极绝缘体尺寸的缩小,老化现象对电路的影响愈加严重,可能会损害其运行,加大可靠性风险。

界面态产生和电荷陷阱都可能导致BTI。BTI在金属氧化物半导体场效应(MOSFET)晶体管中会产生明显的阈值电压偏移,使用铪基highk电介质材料和使用纯二氧化硅(SiO2)都是如此。在N型和P型MOS(NMOS和PMOS)晶体管中分别观测到负BTI(NBTI)和正BTI(PBTI)。

当晶体管在强反转(加压阶段)被偏置时,亦即形成通道时,BTI引起的阈值电压偏移将显著降低晶体管性能,从而导致信号转换延迟。在高性能系统的数据通路出现这种性能退化会破坏信号喂入触发器的建立和保持时间,进而导致错误的数据采样和输出。BTI引起的性能退化在晶体管关闭时(恢复阶段)会部分抵消。

尽管BTI退化的精确建模几年前就得到了高度关注,但对电路的场内运作影响分析以及避免错误后果产生的设计研究还是最近的事情,主要动因是微电子技术特征尺度的连续下降和老化测试效果有限。

本期文章

本月主题文章是关于IC老化分析、监测和补偿的重要文献,既关乎技术,也关乎制造。

开篇 NBTI老化和工艺差异对触发器噪声容限的综合影响,Usman Khalid和他的同事们分析了工艺差异和NBTI对不同触发器噪声容限的综合影响。他们的评价采用晶体管级蒙特卡罗仿真法,根据待评触发器的噪声容限生成标称值和标准差。他们的研究结果表明,就老化和变异联合作用下的噪声容限鲁棒性而言,伪静态和动态触发器胜过全静态触发器。

接下来,Xiaofei Wang等提出了一种测量BTI的方法。硅表:用于鲁棒性系统设计的紧凑性原位老化传感器 创新性地提出了被称为“硅表”的片上老化监测器。硅表由环形振荡器组成,其中一些作为基准,其它的则在制造完成时再加压。通过比较基准振荡器和后加压振荡器各自产生的信号频率来估计BTI。这种设计已经在六个芯片测试项目中得到采用,涉及的工艺范围为32纳米至130纳米。

最后,在 低成本NBTI退化检测和掩蔽方法 中,Martin Omaña和他的同事提出了一种场内监测NBTI并保障系统正常运行的方法。就关键数据通路上组合电路部分因NBTI退化导致的信号转换滞后问题,提出了两种监测和掩蔽方法。通过在数据通路的终端对触发器进行采样,阻止特定晶体管产生错误数据,从而保证输出数据的正确性。在低面积和功耗方法(LAP)中,在NBTI引起转换滞后时,专门布置的监测线路会发出报警消息,该消息激活一个时钟频率调适阶段,从而避免错误数据的产生。LAP方法的特点是面积开销和功耗比先前方法低(或类似),而获得的性能影响相同。在高性能(HP)方法中,监视线路在被监控触发器的输出端对有差错的数据进行改写。HP方法相对于先前方案对系统性能的影响更小,但面积和功耗有所增加。

延伸阅读

有兴趣的读者可以在IEEE Xplore数字图书馆(需要登录)获得解决芯片老化挑战的更多文献。我和Daniele Rossi、Martin Omaña以及Alessandro Paccagnella撰写的 偏压温度不稳定性对软错误率的影响 是个不错的起点。在讨论了物理现象对BTI退化的影响后,我们分析了BTI如何影响组合电路对场内辐射引发误差(软错误)的脆弱性。BTI增加了IC的脆弱性,在IC寿命周期的前两三年影响最大。但在传统软错误脆弱模型中,芯片寿命周期和老化并未考虑在内。我们提出一种对软错误和电路老化对IC脆弱性影响的动态估计模型,电气级别的仿真(electrical-level simulation)验证了准确性。根据这一模型,可以设计自适应解决方案,抵销BTI对IC软错误脆弱性的不利影响。

在 基于SRAM单元的FinFET器件的偏压温度不稳定性分析 中,Seyab Khan和他的同事们分析了BIT对存储元件特别是MOSFET和FinFET晶体管SRAM元件的影响。他们评估了仅NBTI、仅PBTI和BTI(NBTI和PBTI)对两种SRAM设计(六晶体管和八晶体管SRAM单元)的影响,结果显示基于FinFET比基于MOSFET的SRAM单元更容易受到BTI退化的影响。

在 面向High-k/金属栅工艺中NBTI和PBTI隔离测量的基于环形振荡器的可靠性监测中,Tony Tae-Hyoung Kim和他的同事们提出了基于环形振荡器的测试结构,可以对采用High-k金属栅晶体管数字电路在制造完成时分别测量NBTI和PBTI退化的影响。因为在加压一段时间后,NBTI和PBTI的幅度不同,因此它们对电路性能的影响也应独立估计。为了估计老化效应,作者比较了来自加压环形振荡器和参考环形振荡器的数字化结果。这种数字化输出数据可以进一步用于控制各种电路参数,产生系统故障报警或进行退化补偿。

Perspective Video
Dan Alexandrescu on aging semiconductor devices. Video transcript (pdf).

深入透视

本月主题还包括一段来自iRoC Technologies的Dan Alexandrescu的视频,深入探讨了本期问题。

希望本期今日计算作为解决IC老化主要挑战的文献源,激发对这一领域的更多研究。

引用

C. Metra, “Are Our Electronic Circuits Getting Older?,” Computing Now, vol. 8, no. 9, September 2015, IEEE Computer Society [online]; http://www.computer.org/publications/tech-news/computing-now/are-our-electronic-circuits-getting-older.

客座编辑

Cecilia Metra is Computing Now’s editor in chief and a full professor of electronics at the University of Bologna. Her research interests are the design and test of digital systems, reliable and error-resilient system design, fault tolerance, online testing, fault modeling, diagnosis and debugging, emergent technologies and nanocomputing, secure systems, energy-harvesting systems, and photovoltaic systems. Metra received a PhD in electronic engineering and computer science from the University of Bologna. She is a member of the IEEE Computer Society’s Board of Governors and Executive Committee, and has been the society’s Vice President for Technical and Conference Activities. She has also been associate editor in chief of IEEE Transactions on Computers. She’s on the editorial boards of several professional journals and has served as a general chair, program chair, program cochair, or technical-program committee member for numerous IEEE-sponsored conferences, symposia, and workshops. In 2002, she was a visiting faculty consultant for Intel in the US. She’s an IEEE Fellow and a Golden Core member of the IEEE Computer Society, from which she has received three Meritorious Service Awards and two Certificates of Appreciation. 与她联系在cecilia.metra@unibo.it。

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Translations by Osvaldo Perez and Tiejun Huang


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