一種基于標(biāo)準(zhǔn)庫單元的集成電路老化檢測(cè)方案

孫 權(quán)，付萌萌

（長(zhǎng)安大學(xué) 電控學(xué)院，陜西 西安 710064）

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(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，通過閱讀放置在每個(gè)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(cè)電路的故障。

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(cè)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(cè)來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?，這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。我們將說明一個(gè)經(jīng)典的CMOS 反相器。

熱載體注入發(fā)生時(shí)，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(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，越來越多的反相器將不會(huì)察覺到一個(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(hào)沒有通過最后一個(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。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熱載流子注入輸入“，熱載流子注入年齡代碼”寫在下一個(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]。

結(jié) 語

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)不容忽視的問題，監(jiān)測(cè)模塊附近有無熱源會(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。