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
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原文標(biāo)題:半導(dǎo)體老化:為何芯片會(huì)變慢?
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