一種基于標準庫單元的集成電路老化檢測方案

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越小而越來越明顯。其主要影響表現(xiàn)在增加了電路元件的輸入-輸出信號的延遲，從而降低了電路工作能力。提出一種基于標準庫單元的老化監(jiān)測，并介紹本設(shè)計的簡單性和靈活性。設(shè)計集成電路時可以設(shè)計使用不同的老化監(jiān)測模塊，通過閱讀放置在每個監(jiān)控寄存器中的“年齡代碼”來確定電路元器件的“年齡”，從而預(yù)防和監(jiān)測電路的故障。

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

中圖分類號：TN453 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

由于集成電路的老化問題給電路帶來了許多的問題[1]。在本文中，試圖觀測柵氧化層老化給集成電路帶來的影響，并提出一種低復(fù)雜度的老化監(jiān)測來觀察電路的老化情況，同時它可以用作電路故障預(yù)測。它通過一個可以判斷電路輸入輸出信號延遲的反相器鏈（或其他的標準器件），通過把n個反相器輸出的信號延遲保存在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)測模塊，從而得到整個集成電路精確地老化圖，當電路老化達到臨界值時就可以采取恰當?shù)拇胧?，這在微處理器中是非常有用的。本方法的主要優(yōu)點是在其設(shè)計非常簡單且非常靈活。

1 柵氧化層老化具體影響

司倫德[2]給出了一個非常好的審查和描述的柵氧化層老化影響。圖1簡單明了地闡述這些影響。我們將說明一個經(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，反相器開關(guān)狀態(tài)從開變?yōu)殛P(guān)，反之亦然。在轉(zhuǎn)變瞬間過程中，兩個晶體管電流是從VDD到地。實際上這個電流比較大，攜帶熱電子。通過晶體管通道一些熱電子會撞擊柵氧化層并侵蝕它們。熱載體注入會影響NMOS和PMOS晶體管。并且不好的一點是熱載體注入是不可逆的。

負偏壓溫度不穩(wěn)定性發(fā)生時，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，處于負偏壓。這個負偏壓觸發(fā)一個電化學(xué)過程，這削弱了柵氧化層。負偏壓溫度不穩(wěn)定性只影響PMOS晶體管，隨著工藝尺寸不斷的變小，負偏壓溫度不穩(wěn)定性也開始影響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，進而增加他們的輸入輸出的延遲。

2 集成電路老化監(jiān)測

完整的老化監(jiān)測由兩個獨立的部分：熱載體注射監(jiān)測和負偏壓溫度不穩(wěn)定性監(jiān)測。我們通過熱載體注射和負偏壓溫度不穩(wěn)定性引起的輸入輸出響應(yīng)延遲，評估熱載體注射效應(yīng)和負偏壓溫度不穩(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)將阻礙信號在反相器鏈中傳播。由于電路不斷老化，越來越多的反相器將不會察覺到一個時鐘周期信號的變化。因此，電路受到熱載體注射和負偏壓溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)影響老化程度的信息，可以通過相應(yīng)的“年齡代碼”表示。

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

2.2 負偏壓溫度不穩(wěn)定性監(jiān)測

負偏壓溫度不穩(wěn)定性監(jiān)測時，正常使用壽命操作期間的輸入是地（也就是0）。因此，反相器將是負偏置PMOS晶體管。在熱載體注射的情況下，當你想讀取狀態(tài)，首先要提高傳播周期的一個時鐘周期的輸入。在同一周期可以使寄存器掃描負偏壓溫度不穩(wěn)定性，在下一個時鐘邊緣“負偏壓溫度不穩(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，因為反相器鏈在年齡周期內(nèi)狀態(tài)是不會變化的。

2.3 熱載體注射監(jiān)測

集成電路正常工作時，熱載體注射監(jiān)測器的輸入端接到高電平（Vdd），因此，翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器狀態(tài)在每個時鐘的上升沿改變，集成電路剩下的反相器頻繁的改變它輸出信號的電平，這時熱載體注射在這時會有最大的影響。我們就監(jiān)測此時信號的延遲，將它記錄下來。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)測器的輸入端降到零至少2個時鐘周期（命名為清零周期），然后恢復(fù)到Vdd為一個時鐘周期（命名為傳播周期）。在傳播周期中寄存器是通過熱載流子注入輸入，“熱載流子注入年齡代碼”寫在下一個時鐘邊緣。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

在本文中，我們提出了一個新的集成電路老化監(jiān)測，旨在觀察電路老化即預(yù)測電路故障。它是由于晶體管負偏壓溫度不穩(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)點是使用和設(shè)計的簡單性、靈活性。主要缺點是功耗，因為檢測模塊必須實時運行。該老化監(jiān)測在微處理器中是特別有用的，不同的監(jiān)測模塊可以觀察到不同的電路元件老化。其次，溫度是一個不容忽視的問題，監(jiān)測模塊附近有無熱源會有兩種完全不同的結(jié)果。溫度的增加會增加的輸入輸出的延遲，可能會影響結(jié)果，這是監(jiān)測模塊必須分散在整個集成電路的原因之一。

參考文獻

[1]賀梅.半導(dǎo)體器件的老化試驗[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]嚴魯明.數(shù)字電路老化失效預(yù)測與防護技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

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

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