半導(dǎo)體老化原因之芯片為何會(huì)變慢

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步令人矚目，在小小的芯片上集成了數(shù)十億個(gè)晶體管，實(shí)現(xiàn)了高速、高效、低功耗的計(jì)算和通信。但這些芯片并非永恒不變的，隨著時(shí)間和使用，會(huì)經(jīng)歷老化，性能下降、功耗增加、可靠性減弱，甚至出現(xiàn)故障。

這對(duì)依賴半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于那些對(duì)性能、可靠性和壽命要求極高的領(lǐng)域，比如汽車、航空航天和醫(yī)療等。半導(dǎo)體老化是如何發(fā)生的呢？背后的物理機(jī)制又是什么呢？又該如何應(yīng)對(duì)和緩解它呢？本文將為你揭示半導(dǎo)體老化的奧秘，讓你了解芯片為何會(huì)變慢。

中國(guó)市場(chǎng)的變化

作為全球最大的電子設(shè)備生產(chǎn)國(guó)，中國(guó)的動(dòng)向是舉足輕重的。

半導(dǎo)體老化的根源

半導(dǎo)體老化指的是半導(dǎo)體器件在工作過(guò)程中由于各種物理、化學(xué)或電學(xué)效應(yīng)而引起的參數(shù)變化或性能衰退。通常與電荷被困在諸如絕緣層或金屬間隙中，會(huì)影響器件的電學(xué)特性，如閾值電壓、電流、電阻等，從而影響器件和電路的功能和性能。

半導(dǎo)體老化有多種原因，一些是長(zhǎng)期研究的結(jié)果，而另一些則隨著技術(shù)進(jìn)步而出現(xiàn)。以下是一些最常見(jiàn)和最為重要的半導(dǎo)體老化機(jī)制：

1. 金屬遷移

指電流作用下金屬離子在金屬導(dǎo)線中發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致金屬導(dǎo)線出現(xiàn)空隙或斷裂。這會(huì)增加電阻，降低信號(hào)傳輸速度，甚至造成開(kāi)路故障。金屬遷移的程度受電流密度和溫度影響，因此可以通過(guò)增大金屬截面積或降低電流來(lái)減輕這種現(xiàn)象。

2.電荷泄漏：

絕緣體中的捕獲電荷導(dǎo)致泄漏，最終可能導(dǎo)致?lián)舸?。電子穿過(guò)電介質(zhì)的另一種機(jī)制是隧道效應(yīng)（福勒-諾德海姆隧道效應(yīng)），通過(guò)電介質(zhì)上的電壓使隧道勢(shì)壘變窄。電壓越高或氧化物越薄，電子就越容易隧道通過(guò)。隨著電子數(shù)量的增加，電介質(zhì)的擊穿電壓會(huì)下降，可能導(dǎo)致突然故障。

3. 熱載流子注入

指高能量的載流子（電子或空穴）穿過(guò)柵極氧化層并被捕獲在柵極氧化層或柵極/硅界面處。這會(huì)改變柵極氧化層的電荷分布，影響晶體管的閾值電壓和漏極電流，從而影響晶體管的開(kāi)關(guān)速度和功耗。

熱載流子注入主要取決于漏極電壓和溫度，可以通過(guò)降低漏極電壓或使用高介電常數(shù)（High-K）材料減輕這種影響。

4. 正/負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性

在負(fù)偏壓和高溫條件下，PMOS晶體管中的空穴向柵極氧化層漂移并被捕獲，導(dǎo)致閾值電壓下降。這使得晶體管的開(kāi)關(guān)速度變慢，功耗增加，甚至可能發(fā)生漏電或短路故障。降低柵極電壓或使用高介電常數(shù)材料可以減輕這種現(xiàn)象。

在正偏壓和高溫條件下，NMOS晶體管中的電子向柵極氧化層漂移并被捕獲，導(dǎo)致閾值電壓上升。這同樣會(huì)導(dǎo)致晶體管的開(kāi)關(guān)速度變慢，功耗增加，甚至可能發(fā)生漏電或短路故障。同樣，降低柵極電壓或使用高介電常數(shù)材料可以緩解這種現(xiàn)象。

5. 溫度循環(huán)疲勞

在先進(jìn)封裝中，溫度循環(huán)疲勞是一個(gè)重要的老化機(jī)制，源于復(fù)雜的多芯片封裝，其中多種材料具有不同的熱膨脹系數(shù)（CTE）。隨著溫度的變化，這些材料以不同的速率膨脹和收縮，導(dǎo)致了材料之間的不均勻應(yīng)力。隨著時(shí)間的推移，這些差異可能會(huì)引起金屬連接失效，導(dǎo)致連接的不連續(xù)性。如果設(shè)計(jì)中沒(méi)有充分解決這種長(zhǎng)期溫度循環(huán)問(wèn)題，那么具有機(jī)械元件的設(shè)備（例如MEMS芯片）可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部故障。這種故障可能導(dǎo)致設(shè)備精度下降或者甚至徹底報(bào)廢。

6.其他機(jī)制

其他機(jī)制，比如氧化物擊穿、熱循環(huán)、輻射損傷等，也可能影響半導(dǎo)體器件的壽命和可靠性。這些機(jī)制的影響程度和發(fā)生概率取決于器件的結(jié)構(gòu)、材料、工藝、工作條件和應(yīng)用環(huán)境等多種因素。

應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體老化的策略

盡管半導(dǎo)體老化是不可避免的，我們可以采取多種策略來(lái)緩解和補(bǔ)償其影響，以確保半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)的性能和可靠性。

1. 設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化

選擇合適的器件結(jié)構(gòu)、材料、工藝和參數(shù)等，以優(yōu)化半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)的性能和可靠性。采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，降低功耗和溫度；使用高介電常數(shù)材料，減小柵極氧化層的電場(chǎng)強(qiáng)度；引入冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，提高容錯(cuò)能力等，都是有效的手段。

2. 驗(yàn)證階段的評(píng)估

在驗(yàn)證階段，使用仿真、測(cè)試和建模等方法，評(píng)估半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)在老化過(guò)程中的性能變化和失效概率。借助老化模擬工具，預(yù)測(cè)晶體管的閾值電壓變化；利用加速老化測(cè)試方法，模擬長(zhǎng)期工作條件下的老化效應(yīng)；運(yùn)用可靠性建模方法，估計(jì)器件和系統(tǒng)的壽命，都有助于更好地了解老化的影響。

3. 運(yùn)行階段的監(jiān)控與調(diào)整

在器件運(yùn)行階段，通過(guò)內(nèi)部或外部的傳感器、探針和計(jì)數(shù)器等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)的工作狀態(tài)和老化程度。利用片上溫度傳感器監(jiān)測(cè)芯片的溫度分布，使用片上老化傳感器監(jiān)測(cè)晶體管的閾值電壓變化，應(yīng)用片上錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正（EDAC）電路監(jiān)測(cè)并糾正存儲(chǔ)器中的錯(cuò)誤等，都是常見(jiàn)的做法。

4. 老化引起的性能下降的修復(fù)和補(bǔ)償

在運(yùn)行階段，一旦發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體器件或系統(tǒng)出現(xiàn)了老化引起的性能下降或失效，可以通過(guò)硬件或軟件手段進(jìn)行修復(fù)或補(bǔ)償。采用備用電路替代受損的電路，使用自校準(zhǔn)電路修復(fù)受損的模擬電路，利用錯(cuò)誤恢復(fù)代碼修復(fù)受損的軟件等，都是應(yīng)對(duì)老化問(wèn)題的實(shí)際方法。

半導(dǎo)體老化雖然是一個(gè)復(fù)雜和嚴(yán)重的問(wèn)題，但并非無(wú)解。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、監(jiān)控、調(diào)整和修復(fù)，我們可以最大限度地延長(zhǎng)半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)的壽命，確保其性能和可靠性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，會(huì)發(fā)現(xiàn)更多更好的方法來(lái)應(yīng)對(duì)和緩解半導(dǎo)體老化問(wèn)題，為各種應(yīng)用提供更可靠的解決方案。

編輯：黃飛