一种基于标准库单元的集成电路老化检测方案

孙权　付萌萌

摘 要：集成电路老化的影响，随着集成工艺尺寸越来越小而越来越明显。其主要影响表现在增加了电路元件的输入-输出信号的延迟，从而降低了电路工作能力。提出一种基于标准库单元的老化监测，并介绍本设计的简单性和灵活性。设计集成电路时可以设计使用不同的老化监测模块，通过阅读放置在每个监控寄存器中的“年龄代码”来确定电路元器件的“年龄”，从而预防和监测电路的故障。

关键词：集成电路老化；热载流子注入；负偏压温度不稳定性；电路监测

中图分类号：TN453 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

由于集成电路的老化问题给电路带来了许多的问题[1]。在本文中，试图观测栅氧化层老化给集成电路带来的影响，并提出一种低复杂度的老化监测来观察电路的老化情况，同时它可以用作电路故障预测。它通过一个可以判断电路输入输出信号延迟的反相器链（或其他的标准器件），通过把n个反相器输出的信号延迟保存在N位寄存器中，就明确地给出电路的“年龄代码”。这样可以在集成电路的任意位置加入老化监测模块，从而得到整个集成电路精确地老化图，当电路老化达到临界值时就可以采取恰当的措施，这在微处理器中是非常有用的。本方法的主要优点是在其设计非常简单且非常灵活。

1 栅氧化层老化具体影响

司伦德[2]给出了一个非常好的审查和描述的栅氧化层老化影响。图1简单明了地阐述这些影响。我们将说明一个经典的CMOS反相器。

图1 CMOS反相器及电流随电压变化情况

热载体注入发生时，反相器开关状态从开变为关，反之亦然。在转变瞬间过程中，两个晶体管电流是从VDD到地。实际上这个电流比较大，携带热电子。通过晶体管通道一些热电子会撞击栅氧化层并侵蚀它们。热载体注入会影响NMOS和PMOS晶体管。并且不好的一点是热载体注入是不可逆的。

负偏压温度不稳定性发生时，反相器是处于稳定状态，其输出为逻辑0（0 V）。由于输入在逻辑1（VDD），PMOS晶体管是关闭的，处于负偏压。这个负偏压触发一个电化学过程，这削弱了栅氧化层。负偏压温度不稳定性只影响PMOS晶体管，随着工艺尺寸不断的变小，负偏压温度不稳定性也开始影响NMOS晶体管[3]。

总之，这些栅氧化层老化增加了晶体管的阈值电压，进而增加他们的输入输出的延迟。

2 集成电路老化监测

完整的老化监测由两个独立的部分：热载体注射监测和负偏压温度不稳定性监测。我们通过热载体注射和负偏压温度不稳定性引起的输入输出响应延迟，评估热载体注射效应和负偏压温度不稳定性的影响。

2.1 “年龄代码”的意义

由于栅氧化层老化的影响，在传播周期内将阻碍信号在反相器链中传播。由于电路不断老化，越来越多的反相器将不会察觉到一个时钟周期信号的变化。因此，电路受到热载体注射和负偏压温度不稳定性效应影响老化程度的信息，可以通过相应的“年龄代码”表示。

例如，在一个检测器由4个反向器和4位寄存器组成，0100表示信号成功通过所有4反相器的“年龄代码”，即电路没有老化；代码0101表示信号没有通过最后一个反相器；代码0111表示最后的两个反相器等，这就是它们相应的年龄[4]。

2.2 负偏压温度不稳定性监测

负偏压温度不稳定性监测时，正常使用寿命操作期间的输入是地（也就是0）。因此，反相器将是负偏置PMOS晶体管。在热载体注射的情况下，当你想读取状态，首先要提高传播周期的一个时钟周期的输入。在同一周期可以使寄存器扫描负偏压温度不稳定性，在下一个时钟边缘“负偏压温度不稳定性年龄代码”将被在相应的寄存器。这样，该代码是“几乎”可以从寄存器中读出。这里明确的周期是不需要的，因为反相器链在年龄周期内状态是不会变化的。

2.3 热载体注射监测

集成电路正常工作时，热载体注射监测器的输入端接到高电平（Vdd），因此，翻转触发器状态在每个时钟的上升沿改变，集成电路剩下的反相器频繁的改变它输出信号的电平，这时热载体注射在这时会有最大的影响。我们就监测此时信号的延迟，将它记录下来。把“热载体注射年龄代码”存放在一组寄存器中。该寄存器首先将热载体注射监测器的输入端降到零至少2个时钟周期（命名为清零周期），然后恢复到Vdd为一个时钟周期（命名为传播周期）。在传播周期中寄存器是通过热载流子注入输入，“热载流子注入年龄代码”写在下一个时钟边缘。这样“热载流子注入年龄代码”几乎可以从寄存器读出[5]。

3 结 语

在本文中，我们提出了一个新的集成电路老化监测，旨在观察电路老化即预测电路故障。它是由于晶体管负偏压温度不稳定性和热载体注射造成栅氧化层降解从而增加输入输出响应延迟。最直观的老化影响是栅氧化层降解，并且随着技术尺寸的不断变小，这种影响还会变得更加明显。

本文提出的方案相比其他的解决方案主要优点是使用和设计的简单性、灵活性。主要缺点是功耗，因为检测模块必须实时运行。该老化监测在微处理器中是特别有用的，不同的监测模块可以观察到不同的电路元件老化。其次，温度是一个不容忽视的问题，监测模块附近有无热源会有两种完全不同的结果。温度的增加会增加的输入输出的延迟，可能会影响结果，这是监测模块必须分散在整个集成电路的原因之一。

参考文献

[1]贺梅.半导体器件的老化试验[J]. 世界导弹与航天，1988（9）：22-24.

[2] C. Schluender. Device reliability challenges for modern semiconductor circuit design[R]. 2009.

[3]严鲁明.数字电路老化失效预测与防护技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[4]徐勇军.集成电路功耗估计及低功耗设计[D].北京：中国科学院研究生院（计算技术研究所），2006.

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