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资料介绍
芯片可靠性设计与老化效应分析
摘要
芯片可靠性设计是保证芯片在长期使用中稳定工作的关键，老化效应在先进工艺节点下对芯片性能的影响日益显著。本文系统分析了芯片可靠性设计的基本原理和方法，深入探讨了负偏置温度不稳定性、热载流子注入、电迁移和时间相关介质击穿等核心老化效应的物理机制，详细阐述了可靠性仿真、老化预测和寿命评估等关键技术，并对先进工艺节点下可靠性设计的挑战进行了深入分析。
一、引言
在芯片的长期使用过程中，各种老化效应导致芯片的性能逐渐退化，最终可能导致芯片失效。在3纳米工艺节点，芯片的功耗密度和工作温度增加，老化效应的影响更加显著。在汽车电子和航空航天等关键应用中，芯片的可靠性要求在15年以上。芯片可靠性设计在芯片设计流程中已成为与性能、功耗和面积同等重要的设计约束。
二、老化效应
2.1 负偏置温度不稳定性
NBTI在PMOS器件中在负栅压偏置下引起阈值电压漂移，在NBTI中通过界面态和氧化层陷阱的产生导致退化。在芯片设计中，NBTI在数字电路和模拟电路中都存在，在NBTI中通过应力时间和温度的依赖关系预测退化程度。在芯片设计中，NBTI的影响在老化分析中需要特别关注。
2.2 热载流子注入
HCI在MOSFET中由高能载流子注入栅氧化层引起，在HCI中导致阈值电压漂移和跨导退化。在芯片设计中，HCI在开关频率较高的电路中更显著，在HCI中通过沟道电场和载流子能量的控制降低退化速度。
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