一種基于標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)單元的集成電路老化檢測(cè)方案

孫權(quán)　付萌萌

摘 要：集成電路老化的影響，隨著集成工藝尺寸越來(lái)越小而越來(lái)越明顯。其主要影響表現(xiàn)在增加了電路元件的輸入-輸出信號(hào)的延遲，從而降低了電路工作能力。提出一種基于標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)單元的老化監(jiān)測(cè)，并介紹本設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性和靈活性。設(shè)計(jì)集成電路時(shí)可以設(shè)計(jì)使用不同的老化監(jiān)測(cè)模塊，通過(guò)閱讀放置在每個(gè)監(jiān)控寄存器中的“年齡代碼”來(lái)確定電路元器件的“年齡”，從而預(yù)防和監(jiān)測(cè)電路的故障。

關(guān)鍵詞：集成電路老化；熱載流子注入；負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性；電路監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TN453 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

由于集成電路的老化問(wèn)題給電路帶來(lái)了許多的問(wèn)題[1]。在本文中，試圖觀測(cè)柵氧化層老化給集成電路帶來(lái)的影響，并提出一種低復(fù)雜度的老化監(jiān)測(cè)來(lái)觀察電路的老化情況，同時(shí)它可以用作電路故障預(yù)測(cè)。它通過(guò)一個(gè)可以判斷電路輸入輸出信號(hào)延遲的反相器鏈（或其他的標(biāo)準(zhǔn)器件），通過(guò)把n個(gè)反相器輸出的信號(hào)延遲保存在N位寄存器中，就明確地給出電路的“年齡代碼”。這樣可以在集成電路的任意位置加入老化監(jiān)測(cè)模塊，從而得到整個(gè)集成電路精確地老化圖，當(dāng)電路老化達(dá)到臨界值時(shí)就可以采取恰當(dāng)?shù)拇胧@在微處理器中是非常有用的。本方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在其設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單且非常靈活。

1 柵氧化層老化具體影響

司倫德[2]給出了一個(gè)非常好的審查和描述的柵氧化層老化影響。圖1簡(jiǎn)單明了地闡述這些影響。我們將說(shuō)明一個(gè)經(jīng)典的CMOS反相器。

圖1 CMOS反相器及電流隨電壓變化情況

熱載體注入發(fā)生時(shí)，反相器開(kāi)關(guān)狀態(tài)從開(kāi)變?yōu)殛P(guān)，反之亦然。在轉(zhuǎn)變瞬間過(guò)程中，兩個(gè)晶體管電流是從VDD到地。實(shí)際上這個(gè)電流比較大，攜帶熱電子。通過(guò)晶體管通道一些熱電子會(huì)撞擊柵氧化層并侵蝕它們。熱載體注入會(huì)影響NMOS和PMOS晶體管。并且不好的一點(diǎn)是熱載體注入是不可逆的。

負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí)，反相器是處于穩(wěn)定狀態(tài)，其輸出為邏輯0（0 V）。由于輸入在邏輯1（VDD），PMOS晶體管是關(guān)閉的，處于負(fù)偏壓。這個(gè)負(fù)偏壓觸發(fā)一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，這削弱了柵氧化層。負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性只影響PMOS晶體管，隨著工藝尺寸不斷的變小，負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性也開(kāi)始影響NMOS晶體管[3]。

總之，這些柵氧化層老化增加了晶體管的閾值電壓，進(jìn)而增加他們的輸入輸出的延遲。

2 集成電路老化監(jiān)測(cè)

完整的老化監(jiān)測(cè)由兩個(gè)獨(dú)立的部分：熱載體注射監(jiān)測(cè)和負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。我們通過(guò)熱載體注射和負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性引起的輸入輸出響應(yīng)延遲，評(píng)估熱載體注射效應(yīng)和負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的影響。

2.1 “年齡代碼”的意義

由于柵氧化層老化的影響，在傳播周期內(nèi)將阻礙信號(hào)在反相器鏈中傳播。由于電路不斷老化，越來(lái)越多的反相器將不會(huì)察覺(jué)到一個(gè)時(shí)鐘周期信號(hào)的變化。因此，電路受到熱載體注射和負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)影響老化程度的信息，可以通過(guò)相應(yīng)的“年齡代碼”表示。

例如，在一個(gè)檢測(cè)器由4個(gè)反向器和4位寄存器組成，0100表示信號(hào)成功通過(guò)所有4反相器的“年齡代碼”，即電路沒(méi)有老化；代碼0101表示信號(hào)沒(méi)有通過(guò)最后一個(gè)反相器；代碼0111表示最后的兩個(gè)反相器等，這就是它們相應(yīng)的年齡[4]。

2.2 負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)時(shí)，正常使用壽命操作期間的輸入是地（也就是0）。因此，反相器將是負(fù)偏置PMOS晶體管。在熱載體注射的情況下，當(dāng)你想讀取狀態(tài)，首先要提高傳播周期的一個(gè)時(shí)鐘周期的輸入。在同一周期可以使寄存器掃描負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性，在下一個(gè)時(shí)鐘邊緣“負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性年齡代碼”將被在相應(yīng)的寄存器。這樣，該代碼是“幾乎”可以從寄存器中讀出。這里明確的周期是不需要的，因?yàn)榉聪嗥麈溤谀挲g周期內(nèi)狀態(tài)是不會(huì)變化的。

2.3 熱載體注射監(jiān)測(cè)

集成電路正常工作時(shí)，熱載體注射監(jiān)測(cè)器的輸入端接到高電平（Vdd），因此，翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器狀態(tài)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿改變，集成電路剩下的反相器頻繁的改變它輸出信號(hào)的電平，這時(shí)熱載體注射在這時(shí)會(huì)有最大的影響。我們就監(jiān)測(cè)此時(shí)信號(hào)的延遲，將它記錄下來(lái)。把“熱載體注射年齡代碼”存放在一組寄存器中。該寄存器首先將熱載體注射監(jiān)測(cè)器的輸入端降到零至少2個(gè)時(shí)鐘周期（命名為清零周期），然后恢復(fù)到Vdd為一個(gè)時(shí)鐘周期（命名為傳播周期）。在傳播周期中寄存器是通過(guò)熱載流子注入輸入，“熱載流子注入年齡代碼”寫(xiě)在下一個(gè)時(shí)鐘邊緣。這樣“熱載流子注入年齡代碼”幾乎可以從寄存器讀出[5]。

3 結(jié) 語(yǔ)

在本文中，我們提出了一個(gè)新的集成電路老化監(jiān)測(cè)，旨在觀察電路老化即預(yù)測(cè)電路故障。它是由于晶體管負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性和熱載體注射造成柵氧化層降解從而增加輸入輸出響應(yīng)延遲。最直觀的老化影響是柵氧化層降解，并且隨著技術(shù)尺寸的不斷變小，這種影響還會(huì)變得更加明顯。

本文提出的方案相比其他的解決方案主要優(yōu)點(diǎn)是使用和設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性、靈活性。主要缺點(diǎn)是功耗，因?yàn)闄z測(cè)模塊必須實(shí)時(shí)運(yùn)行。該老化監(jiān)測(cè)在微處理器中是特別有用的，不同的監(jiān)測(cè)模塊可以觀察到不同的電路元件老化。其次，溫度是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，監(jiān)測(cè)模塊附近有無(wú)熱源會(huì)有兩種完全不同的結(jié)果。溫度的增加會(huì)增加的輸入輸出的延遲，可能會(huì)影響結(jié)果，這是監(jiān)測(cè)模塊必須分散在整個(gè)集成電路的原因之一。

參考文獻(xiàn)

[1]賀梅.半導(dǎo)體器件的老化試驗(yàn)[J]. 世界導(dǎo)彈與航天，1988（9）：22-24.

[2] C. Schluender. Device reliability challenges for modern semiconductor circuit design[R]. 2009.

[3]嚴(yán)魯明.數(shù)字電路老化失效預(yù)測(cè)與防護(hù)技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[4]徐勇軍.集成電路功耗估計(jì)及低功耗設(shè)計(jì)[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所），2006.

[5] Paul Newman. Leakage oscillator based aging monitor[P]. United States Patent 7592876， 2009.