5nm及以下制程的老化問題-第二部分

本文就5nm及以下制程的老化問題進(jìn)行進(jìn)一步說明。

監(jiān)視和測試

行業(yè)方法正在多層次變化。埃森哲全球半導(dǎo)體業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Syed Alam表示：“為了正確評估芯片的老化程度，制造商依靠了一種稱為老化測試的功能，即對晶圓進(jìn)行人工老化以對其進(jìn)行熟化，然后再對其進(jìn)行可靠性測試?！??！盁崾切酒匣闹饕蛩?，其使用時(shí)間緊隨其后，尤其是閃存，因?yàn)?a target="_blank">驅(qū)動器上只有這么多的可重寫空間?！?/p>

這仍然是許多人依賴的技術(shù)。Fraunhofer的Lange說：“ AEC-Q100是汽車電子的重要標(biāo)準(zhǔn)，它包含的多項(xiàng)測試不能揭示真實(shí)的可靠性信息?！?“例如，在高溫工作壽命（HTOL）測試中，必須對3×77器件在應(yīng)力前后進(jìn)行1000小時(shí)的功能測試。即使所有設(shè)備通過測試，您也無法確定它們是否會在1001小時(shí)后失效，或者使用壽命會延長10倍。這些信息只能通過擴(kuò)展測試或模擬獲得?！?/p>

一個(gè)新興的替代方案是在芯片中內(nèi)置老化傳感器。Arteris IP的Shuler說：“有些傳感器通常包含一個(gè)定時(shí)環(huán)路，當(dāng)電子繞過環(huán)路所需的時(shí)間更長時(shí)，它們會警告您?！?“還有一個(gè)稱為金絲雀單元的概念，與標(biāo)準(zhǔn)晶體管相比，它們的壽命過短。這可以告訴您老化正在影響芯片。您要做的是獲取芯片即將失效的預(yù)測信息。在某些情況下，他們會從這些傳感器中獲取信息，將其從芯片上拿走，扔進(jìn)大型數(shù)據(jù)庫中，然后運(yùn)行AI算法來嘗試進(jìn)行預(yù)測工作?！?/p>

數(shù)據(jù)中心和汽車等細(xì)分市場要求擴(kuò)展可靠性。Moortec技術(shù)行銷經(jīng)理Richard McPartland表示：“提高可靠性的傳統(tǒng)方法現(xiàn)在已得到新技術(shù)的補(bǔ)充，這些新技術(shù)可在任務(wù)模式下利用芯片監(jiān)視功能來測量老化并捕獲整個(gè)芯片壽命內(nèi)的其他關(guān)鍵信息，例如溫度和供應(yīng)狀況，” 這些可用于預(yù)測性和自適應(yīng)維護(hù)，以計(jì)劃的及時(shí)方式更換零件或調(diào)整電源電壓以保持性能。分析功能的啟用將使在任務(wù)模式下從芯片監(jiān)視器中收集的關(guān)鍵信息可用于更廣泛的系統(tǒng)，并使從單個(gè)設(shè)備和更多人群中獲得的見解能夠優(yōu)化和擴(kuò)展可靠性?！?/p>

額外的3D問題

2D，2.5D和3D設(shè)計(jì)中存在許多相同的問題，除了散熱問題在某些體系結(jié)構(gòu)中可能會更加嚴(yán)重。但是，可能還存在許多尚未完全理解的新問題?！爱?dāng)將設(shè)備堆疊在一起時(shí)，必須對它們進(jìn)行背面研磨以使它們變薄，”霍納說?！案〉哪＞呱系膽?yīng)力可能是一個(gè)問題，需要通過分析來理解，研究和解決。您所談?wù)摰氖且粋€(gè)異構(gòu)環(huán)境，其中您可能在堆疊DRAM，而這往往更多是一種特定技術(shù)，或者是CPU和GPU，它們可能利用不同的技術(shù)處理節(jié)點(diǎn)。您可能有不同類型的TSV或已在此特定硅片中使用的凸塊。他們?nèi)绾位ハ嘤绊?？?/p>

這些接口是一個(gè)問題。Schaldenbrand說：“芯片上有壓力，這會改變器件的特性?！?“但是，如果不同的模具加熱到不同的溫度，那么它們接觸的地方將承受很大的機(jī)械應(yīng)力。這是一個(gè)大問題，系統(tǒng)互連將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)?！?/p>

模型和分析

一切都從制造廠開始。舒勒說：“全世界的臺積電和三星必須開始提供這些信息?！?“當(dāng)您達(dá)到5nm及以下，甚至7nm時(shí)，這些工藝會有很多可變性，這會使一切變得更糟。”

Thanikasalam說：“制造廠對此感到擔(dān)心，因?yàn)樗麄円庾R到受到更高電場的器件的降解速度比以前快得多?！?“他們開始使用適用于設(shè)備老化部分的MOS可靠性和分析解決方案（MOSRA）。最近，我們看到這種趨勢轉(zhuǎn)向了開始使用老化模型的最終客戶。有些客戶只會使用降級的模型進(jìn)行簡單的運(yùn)行，以便模擬考慮閾值電壓的降級?！?/p>

大批量芯片將需要更廣泛的分析。Thanikasalam補(bǔ)充說：“對于大批量生產(chǎn)，多重PVT模擬已成為驗(yàn)證這一點(diǎn)的無用方法?！?每個(gè)人都必須在此級別上運(yùn)行蒙特卡洛。采用變異模型進(jìn)行蒙特卡洛仿真是5nm及以下工藝的關(guān)鍵?！?/p>

需要更多模型?！坝懈嗟哪Ｐ驼趧?chuàng)建和優(yōu)化中，”霍納說。“在3D堆疊方面，我們了解有關(guān)電遷移，紅外，熱和功率的問題。這些是可以理解和建模的關(guān)鍵事物。對于機(jī)械方面-甚至我們放置在各層之間的材料及其對熱量的影響，以及穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)-雖然存在模型，但它們并未得到增強(qiáng)，因?yàn)槲覀冞€沒有看到足夠的模型。”

沙登布蘭德對此表示贊同。“我們一直在研究模型并對其進(jìn)行更新，隨著人們意識到它們，添加了新現(xiàn)象。為高級節(jié)點(diǎn)做準(zhǔn)備需要進(jìn)行很多更改。對于標(biāo)稱器件，我們可以很好地描述老化，但是過程變化及其對可靠性的影響之間的相互作用仍然是一個(gè)研究主題。這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的主題?！?/p>

使用finFET，整個(gè)方法改變了。Thanikasalam說：“規(guī)則變得如此復(fù)雜，以至于您需要擁有一個(gè)可以真正解釋的規(guī)則，應(yīng)用規(guī)則告訴我們在兩三年后可能出現(xiàn)問題的地方。” “ FinFET可以是多閾值器件，因此當(dāng)您在單個(gè)IP中使用整個(gè)閾值電壓域時(shí)，我們會遇到很多問題，因?yàn)槊總€(gè)單個(gè)器件都將朝著不同的方向發(fā)展?！?/p>

結(jié)論

盡管如此，5nm正在取得進(jìn)展。齋月表示：“最近，我們看到許多代工廠，IDM，無晶圓廠和IP公司急于尋找解決方案?！?“它們涵蓋了廣泛的應(yīng)用和技術(shù)流程。盡管標(biāo)準(zhǔn)的老化模型可以作為新玩家的起點(diǎn)，但根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用和技術(shù)流程，可以期望進(jìn)一步定制。在硅集成計(jì)劃（Si2）下，緊湊模型聯(lián)盟（CMC）目前正在開發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)的老化模型，以幫助該行業(yè)。在2018年，CMC發(fā)布了第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)開放模型接口（OMI），它可以使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)OMI接口對不同的電路模擬器進(jìn)行老化仿真?！?/p>

這是重要的一環(huán)，但仍有很長的路要走?！?CMC內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化活動已經(jīng)開始解決其中一些問題，”蘭格說。“但是在模型復(fù)雜性，特性描述工作，應(yīng)用場景和工具支持方面，還有很多工作要做?！?br /> 責(zé)任編輯：tzh