電路可靠性 , 亦即電路抗電氣故障的魯棒性(robustness) , 已日益成為IC設(shè)計(jì)師的關(guān)注點(diǎn)。其中的很多問題多年來已為人所知,有時(shí)人們覺得可靠性風(fēng)險(xiǎn)主要是最新制程世代才會(huì)面臨的問題。誠然 , 越小的器件、越細(xì)的導(dǎo)線、越薄的柵氧化層越容易受到過度電性應(yīng)力（EOS）的影響 , 而新制程世代 , 對特定版圖形狀和圖案也更為敏感。然而 , 如果設(shè)計(jì)師認(rèn)為在成熟節(jié)點(diǎn)上不存在電路可靠性問題的話 , 那他今后的項(xiàng)目(project)很可能會(huì)面臨一些潛在風(fēng)險(xiǎn)。
這是為何？
因?yàn)榧词故窃诔墒斓闹瞥躺?, 工程師們也會(huì)從上面不斷榨取性能、功能、面積及其他相關(guān)指標(biāo) , 以期獲得更高的投資回報(bào)（ROI）。越老的制程的不確定性可能會(huì)越少 , 但每一輪新的設(shè)計(jì)浪潮都會(huì)因?yàn)橛胁煌膽?yīng)用需求、及環(huán)境條件而引發(fā)新的可靠性問題。例如 , 汽車和醫(yī)療相關(guān)應(yīng)用芯片設(shè)計(jì)目前是采用成熟制程技術(shù)的新驅(qū)動(dòng)力量。這些應(yīng)用和采用前沿制程的常見消費(fèi)型應(yīng)用相比 , 具有完全不同的設(shè)計(jì)需求及工作環(huán)境。
沒有一家汽車廠商會(huì)接受未在嚴(yán)格的高溫條件下進(jìn)行了驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)控制芯片,而醫(yī)療廠商所生產(chǎn)的起搏器(pacemaker)則必須在很長的壽命期內(nèi)可靠地工作。
此外 , 還有一些新的電路架構(gòu)在成熟的節(jié)點(diǎn)被首次推出時(shí) , 還尚未被發(fā)明出來。包含更多模擬電路、更高電壓（比如汽車上的50V）、更高的頻率還僅僅是電路設(shè)計(jì)師所面臨的、不斷變化的設(shè)計(jì)要求中的一部分。
這樣就需要有新的工具和方法 , 來確保新制程和成熟制程的電路可靠性。例如, 汽車設(shè)備上更高的電壓導(dǎo)致了更高的EOS風(fēng)險(xiǎn) , 因此設(shè)計(jì)師需要更努力來確保具有較薄的柵氧化層的數(shù)字晶體管不會(huì)連接到50伏的電源上。不僅如此,采用高壓設(shè)計(jì)的電路也需要增大特定位置上的版圖圖案間間距。
針對這樣設(shè)計(jì)的驗(yàn)證 , 我們只需要檢查某些特定區(qū)域即可 , 如果將整個(gè)芯片都執(zhí)行符合高壓設(shè)計(jì)規(guī)則的較大間距DRC檢查 , 則將導(dǎo)致極端保守的設(shè)計(jì)考慮 , 以及過大的裸片面積和更高的制造成本。
有限的傳統(tǒng)方法
很多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用用戶生成(user-generated)的標(biāo)志層(marker layers)或文本點(diǎn)(text points)來檢查EOS問題 , 但這是容易出錯(cuò)的方法 , 需要設(shè)計(jì)師人工判定電壓如何在電路節(jié)點(diǎn)之間變化、并人工標(biāo)出需要符合高壓設(shè)計(jì)規(guī)則的正確區(qū)域。隨著電路功能的密集改版更新 , 標(biāo)志層(marker layers)是極難保持的。
在芯片設(shè)計(jì)日益復(fù)雜的今天 , 我們也面臨了其他的風(fēng)險(xiǎn)：靜電放電（ESD）、閂鎖（latch-up）、電遷移（EM）等已知故障機(jī)制不能為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)做法所完全防止。
其中電遷移在很多代IC上一直是困擾設(shè)計(jì)師的問題。然而 , 結(jié)合了更高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和采用更細(xì)導(dǎo)線在14/16nm實(shí)現(xiàn)的FinFET技術(shù) , 成為因電遷移而產(chǎn)生的電路故障的另一個(gè)起因。采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行EM檢查 , 將耗費(fèi)巨大的運(yùn)算資源 , 需要在整個(gè)芯片的每一個(gè)部分都提取寄生模型、進(jìn)行電流仿真和標(biāo)注最后結(jié)果。常見的16nm/14nm片上系統(tǒng)會(huì)有數(shù)十億個(gè)組件 , 想當(dāng)然耳 , 而進(jìn)行這樣的傳統(tǒng)檢查過程將非常緩慢 , 是不可接受的。
此外也因?yàn)槟壳八圃斓木w管柵極下的氧化層更薄 , 使得相關(guān)器件更容易受到EOS的影響。更困難的是 , 由于現(xiàn)代省電芯片的設(shè)計(jì) , 大多數(shù)都采用多電源域(multi-power-domain)的策略 , 意味著一個(gè)芯片可能有著數(shù)十個(gè)不同的電源供電。這種更大的復(fù)雜性使得檢查出完整的潛在EOS問題變得極度困難。實(shí)際上 , 整個(gè)芯片的EOS檢查超出了以往各種工具所提供的標(biāo)準(zhǔn)電路仿真和驗(yàn)證方法的能力。
圖1：電路檢查包括去耦電容布局、幾何尺寸匹配及電流密度檢查。
解決老問題 , 需要新方法
過去 , 設(shè)計(jì)師們依賴電路仿真(circuit simulation)、設(shè)計(jì)復(fù)核(desgin review)、也使用了 標(biāo)志層(marker layers)或文本點(diǎn)(text points)進(jìn)行特定區(qū)塊的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)、當(dāng)然還有其他“自創(chuàng)”方法來查找可能的電路可靠性問題。
但是今天,由于上述所有挑戰(zhàn) , 要確保一個(gè)設(shè)計(jì)能不出現(xiàn)潛在的可靠性問題 , 就需要一種整體的驗(yàn)證策略 , 這種策略要能夠?qū)崿F(xiàn) 電路架構(gòu)的分類及其相關(guān)版圖位置的搜尋、金屬導(dǎo)線的寄生電阻測量、金屬導(dǎo)線的電流密度計(jì)算 以及特定區(qū)塊的DRC檢查等。
人工方法即將被取代 , 轉(zhuǎn)而使用可執(zhí)行電路架構(gòu)的分類 , 并能識別出相關(guān)的電路節(jié)點(diǎn)及其版圖位置 , 然后對各種電路類型或問題 , 執(zhí)行相對應(yīng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析的工具。
這些工具能快速并完整地分析每一器件以及其每個(gè)端點(diǎn)的可能的電壓。有了這個(gè)信息 , 即可計(jì)算整個(gè)芯片 , 每一電路節(jié)點(diǎn)及其相對應(yīng)的版圖位置的所有可能電壓、并能進(jìn)行非常精確和高效的OVD檢查 , 這也就是說可以根據(jù)兩個(gè)版圖圖案間不同的電壓差,定義出不同的最小可容許距離的設(shè)計(jì)規(guī)則并用此一工具進(jìn)行驗(yàn)證。
這些工具還可識別易受到電遷移影響的電路節(jié)點(diǎn)及其相對應(yīng)的版圖位置、測量兩點(diǎn)間金屬導(dǎo)線的寄生電阻、并執(zhí)行相對應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)則驗(yàn)證、來檢測潛在問題。
此外,由于這些問題很多都出現(xiàn)于大型芯片里 , 因此除了完整的功能外, 更需要高效、簡潔的驗(yàn)證工具 , 以便快速找出電路錯(cuò)誤的原因。隨著具有這些功能的新工具出現(xiàn) , 我們現(xiàn)在看到了有數(shù)家晶圓代工廠,已開始在提供這一領(lǐng)域的相關(guān)驗(yàn)證解決方案。
但這僅僅是EDA一個(gè)新領(lǐng)域的肇始,預(yù)計(jì)在很長的一段時(shí)間里, 我們將會(huì)持續(xù)使用這樣的工具, 處理以前“無法檢查的”電路可靠性問題的驗(yàn)證。
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