半導體技術已經發展到沒有人可以假設芯片將永遠存在的地步。如果不仔細考慮，老化會縮短 IC 的壽命，使其低于預期應用的需求。

老齡化在技術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問題，但原因并不總是很明顯。那么衰老背后的物理機制究竟是什么？

“老化基本上取決于我們通過晶體管通道驅動電子的速度，”西門子 EDA的 AMS 產品管理負責人 Sathish Balasubramanian 說。

這反過來又會帶來一些權衡。“從設計的角度來看，幾乎每個設計師都對老化方面的不同事物感興趣，”自適應系統部 Fraunhofer IIS Engineering 的質量和可靠性小組經理 André Lange 說。

也就是說，它的形象已經上升為一個關鍵的驗證目標。“我們一直專注于 PPA，”Balasubramanian 說。“應該是 PPA 2 ”，考慮到四個關鍵因素——性能、功率、面積和老化。

只有少數已知會縮短芯片壽命的效應，其中許多都涉及電荷被困在不屬于它們的地方。有些可以通過技術改進來緩解，而有些則需要仔細設計和驗證。老化模擬已被證明對設計師有很大幫助，但沒有快速簡便的解決方案。最終，隨著系統老化，片內監控有助于密切關注現場系統。

為什么我們現在擔心老化

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。“老化效應和降解機制在理論上一直存在，”proteanTecs 產品營銷高級總監 Marc Hutner 說。“我們開始看到的是它們在高性能應用程序中的廣泛表現，例如數據中心。大型超大規模企業正在報告他們不習慣看到的計算故障和隨機缺陷。我們預計，隨著設計的縮小、技術節點的進步以及性能和可靠性要求的激增，這一趨勢將會增加。”

過去，由于老化導致的設備故障可能會在芯片的預期壽命之后很久才出現——如果有的話。然而，隨著節點越來越激進，材料的推動力越來越大，出錯的空間也越來越小。老化可能發生得更快，如果處理不當，設備的預期壽命甚至比其預期系統的壽命更短。

雖然半導體老化會影響任何應用，但一個市場比其他任何市場都更關注它。“汽車是在設計中考慮設備老化的主要驅動力，”Fraunhofer 的 Lange 說。

這是由于兩個因素——汽車的使用壽命必須比普通智能手機長得多，而且故障可能會產生安全后果。因此，原始設備制造商和一級供應商不得不仔細研究老化效應以及如何保護系統免受老化影響。

但除了汽車之外，任何必須持續很長時間的芯片都會受到影響。Balasubramanian 說：“我們正在嘗試進行城市規劃，例如污水控制系統、工業物聯網中的關鍵任務或邊緣系統，在這些系統中，給定芯片的每個最終應用都決定了如何加固它們以防老化。”

雖然有許多關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定材料會以何種方式磨損。事實證明，導致衰老的影響相對較少，并且大多數與移動電子遇到物體時所傳遞的能量有關。

金屬遷移

第一個已知影響是一個古老的影響，可以追溯到幾十年前。這里的問題是，當電子在導體中碰撞時，它們實際上可以推動金屬離子。效果是漸進的，但隨著時間的推移，導體中會出現間隙。即使沒有完全斷開連接，它的電阻也會隨著它變窄而增加。

這種效應是由電流密度驅動的。隨著空隙的形成，這會產生正反饋效應。電流密度與流過導體橫截面的電流量有關。如果該導體因電遷移而變窄，則可用橫截面會減少，從而增加電流密度并使問題惡化。

緩解涉及管理電流密度。可以通過增加金屬橫截面（通過加寬金屬，因為高度是固定的）或降低電流來減少它。長期以來，仿真工具使運行檢查成為可能，以確保電流密度在整個設計中保持在界限內。

還有另一種形式的金屬遷移可能會或可能不會成為問題。金屬-介電界面可能是物理應力的來源，這會導致金屬移動。這是雙鑲嵌銅工藝早期的一個問題，金屬壁上的應力。

這通常被認為是一個固定的問題，但尚不清楚它是否會在最具攻擊性的節點上再次抬頭。

被俘獲電荷

的影響 導體和絕緣體的概念簡單地假設電荷載流子僅在導體中移動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。它可能會四處移動，但最有可能留在原地。因為這些電荷不是流動的，它們不會直接參與任何電流流動，但它們會導致泄漏并最終導致擊穿。

在大多數情況下，電荷俘獲是一種不受歡迎的現象。雖然一些應用程序（如閃存）可以利用電荷捕獲作為存儲機制，但在其他方面無濟于事。

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

有在制造過程中產生的內在陷阱，也有在操作過程中產生的外在陷阱。由于后者，捕獲的電荷會隨著時間的推移而積累，這確實是導致大多數老化的原因。

本征陷阱可能由不完美的電介質形成以及電介質與硅之間的界面引起。在電介質中，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量的氧化物，但它所花費的時間可能會使這種工藝變得不經濟。“當你有良好的柵極氧化物時，你內部不會有太多的陷阱，”朗格說。“盡管如此，擁有這些良好的柵極氧化物需要付出更多的努力。”

由于涉及的溫度和時間，退火可能不實用，具體取決于過程中的位置。“是否可以進行高溫工藝步驟總是取決于之前的工藝步驟，”朗格指出。“一些高 K 電介質并不真正喜歡高溫。”

現實仍然是電介質中總會存在一些缺陷。

界面處的陷阱 在

硅界面處，會有開放的或“懸空的”硅鍵。這些用氫鈍化。但并不是每一個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誘使氫氣遠離其位置，從而打開陷阱。“這主要是因為位于氧化硅界面的硅/氫鍵斷裂，”西門子 EDA 模擬和混合信號產品工程總監 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）的轉換并沒有消除本征陷阱。

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

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。雖然它們占主流應用程序老化的大部分原因，但某些應用程序——尤其是那些必須經受住嚴酷太空考驗的應用程序——可能還有其他貢獻。

“例如，由于 α 粒子，你會遇到單事件擾動，”Lange 指出。“由于高能離子也會導致永久性降解，因此總電離劑量也是一個問題。”

熱載流子注入

電流中的載流子會有能量分布，其中一些會比其他的更有活力——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發生的高電場，”Ramadan 說。“這種高電場實際上會推動獲得足夠能量的電子與硅晶格原子碰撞并產生電子/空穴對。孔通常會到達 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，產生更多的電子/空穴對，這種效應稱為“碰撞電離”。這些電子既可以駐留在二氧化硅界面內，也可以傳遞到柵極。”

當漏極電壓相對于柵極較高時，這往往會成為更大的問題。“據說當漏極電壓是柵極電壓的兩倍時，這是一個問題，”Ramadan 指出。

圖 1：高能載流子撞擊硅原子，產生電子/空穴對，電子被困在附近的電介質中。新電子可能會在此過程中產生其他電子對。孔將向基板移動。資料來源：Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

這種機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象。

負偏壓和正偏壓溫度不穩定性

這是一種可以逐漸降低晶體管閾值電壓的效應。負偏壓溫度不穩定性（NBTI） 會影響 PMOS 晶體管，并且隨著時間的推移越來越受到關注。正極版本 （PBTI） 會影響 NMOS 晶體管，并且它也被考慮用于激進節點。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原因。一種是柵極電介質內存在簡單的本征陷阱。這也是 PBTI 背后的主要機制。

NBTI 的另一個俘獲電子來源是通道/氧化物界面。與涉及熱電子的 HCI 不同，這些現象會導致電子在電場的影響下緩慢漂移進入并通過柵極電介質。請注意，這方面不被認為是影響 PBTI 的機制。

這些電子改變了晶體管的閾值。“閾值電壓會下降，這會影響電路的整體延遲，這將變得更糟，”Ramadan 說。

圖 2：從硅漂移到電介質中的載流子（藍色圓圈）。黑色圓圈是陷阱，其中一些被占領。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隨著時間逐漸釋放。“如果制造過程中存在預先存在的陷阱，它們將被孔洞填滿，”Ramadan 說。“當你消除［電壓］壓力時，它就會消失。”

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間可以從毫秒到幾小時不等。就工作集成電路的時間尺度而言，這些時間尺度很長。這意味著，即使這種效應在技術上是可逆的，但在某些電路中可能沒有機會這樣做。在這種情況下，它還可以有效地起到老化機制的作用。

目前尚不清楚界面陷阱是否會釋放它們的電荷。“與對應于硅/氫鍵的空穴碰撞產生的陷阱。去除氫鍵會留下一個懸空的硅鍵，”Ramadan 說。“這些都沒有恢復。”

或者換句話說，即使消除了壓力，氫氣也不會返回現場。

“NBTI/PBTI］ 和 HCI 對電路設計人員來說很重要，因為它們都會導致晶體管性能的逐漸轉變，從而導致電路性能的逐漸轉變，”Lange 說。

增加泄漏

電子穿過電介質的另一種機制是隧道效應，而 Fowler-Nordheim 隧道效應是一種非常特殊的機制，通過該機制，電介質上的電壓會縮小隧道勢壘。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，沒有施加電壓，勢壘太寬而無法穿過。在右側，在施加電壓的情況下，較薄的部分可以實現隧道效應。資料來源：Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

這種效應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柵極的位單元的閃存編程機制的一側（另一側使用 HCI）。但是，只要有電壓穿過薄勢壘，就會發生隧穿，無論是否需要。

這些電子可能會被沿途的缺陷捕獲，這意味著它們可能無法穿過電介質。但它們確實降低了進一步隧穿的勢壘，這可能導致通過電介質的漏電流增加。

與時間相關的電介質擊穿

隨著更多被俘獲的電子在電介質中積累，其整體擊穿電壓會下降。雖然電荷緩慢積累，但在某些時候會形成“滲透路徑”，從而使電介質失效。這會導致“時間相關的介電擊穿”或 TDDB。

與典型的老化機制不同，這意味著會出現突然故障，而不是性能逐漸降低導致故障。雖然已經對這種效果進行了建模，但對于某些設計來說，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 TDDB 模型會預測電路在開啟后會立即出現故障，”Lange 說。“實驗表明情況并非如此。問題是您的高壓尖峰非常快，以至于它們不會導致您期望從該高度的直流應力中產生的損壞。”

模型沒有很好地捕捉到這一點，因此如果當今射頻設計受到過度約束，則需要做更多的工作。

溫度循環疲勞

先進封裝帶來了其自身的挑戰，與可能封裝在其中的單個裸片無關。“在討論退化和老化源時，我們需要考慮的另一個因素是先進的異質封裝，”Hutner 說。“這意味著我們實際上正在擴展‘老化’這個術語，以包括新現象。”

對于復雜的多芯片封裝，有多種材料具有不同的熱膨脹系數 （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。隨著時間的推移，這些差異可能會導致金屬連接失效時的不連續性。

如果設計中沒有充分解決這種長期溫度循環問題，那么帶有機械元件的設備（如 MEMS 芯片）也可能出現內部故障。這樣的故障將導致精度下降或設備徹底死亡。

設計前分析和設計后監控

雖然了解底層機制有助于減輕芯片的老化效應，但應通過分析工具抽象出細節。這些工具的質量將取決于它們使用的模型的質量。

“如果設計人員想將他們的設計推向極限，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。“大多數代工廠實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用的 TDDB 模型。”

但驗證老化并不像按下按鈕那么簡單。“這些模擬取決于您使用的任務配置文件，”Lange 警告說。“電路的用途是什么？什么是關鍵或典型的使用條件？另一個問題是，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波形。他們必須準確評估您感興趣的 IV 曲線中的所有點。”

隨著對衰老的了解越來越多，應該更新這些模型，從而更容易圍繞衰老進行設計——即使每一代人的影響都會變得更糟。

“對物理上發生的事情的基本了解已經相當不錯了，即使對于非常非常小的節點也是如此，”Lange 說。“但要使這些模型可用于不同的技術或不同的晶體管類型，還有很多工作要做。”

硅前驗證雖然很關鍵，但還不夠。老化是監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，嵌入智能監控解決方案，以提供有關其健康狀況和性能下降預測的實時反饋，”Hutner 說。

可以觀察關鍵參數，分析指向可能因老化而出現故障的設備。在適當的情況下，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致更大的問題之前被更換。

那么，老化效應似乎會持續存在。但是，在減緩老化的設計驗證和觀察老化過程的實時監控之間，系統可以得到更好的保護，因為它們越來越多地滲透到我們的生活中。