从传统电路检查到先进可靠性验证的最佳实践

作者：明导公司 Matthew Hogan

集成电路可靠性——新兴的竞争因素

可靠性验证正获得越来越多的关注。器件和导体愈加小巧，器件氧化层越来越薄，电源域的数量快速增长。数字内容的显著增加正渗透到汽车、医疗和通信领域对可靠性要求较高的应用中。

集成电路可靠性的技术和市场推动因素

最早的可靠性检查是对集成电路版图进行目测，确定哪些结构可能出问题，然后进行调整。这种方法不再奏效。设计工作量大，而且非常复杂，人工检查方法太不可靠。竞争环境要求设计人员根据仿真和经验，采用技术节点留出明显的余量，优化性能、占用空间和可靠性。

相比预防外部因素（例如静电放电）引起的重大故障，设计人员现在必须处理好更不易察觉的设备退化。与快速明显的硬故障不同，这些可靠性故障随着时间的推移而逐渐显现出来，通常难以预测。一旦某件产品被认为并不可靠，便可能很难改变市场对它的看法。

行业内目前正在更仔细地研究集成电路可靠性问题，以确定需要注意的方面并事先了解其对设计余量的影响。美国静电放电协会 (ESD Association) 撰写了一份关于静电放电检查的技术报告[1]，旨在帮助行业做好更充分的准备来处理设计过程中常见的静电放电问题。Reliability Simulation Council 也在研究其它方法来提高集成电路设计的可靠性。

更换代工厂或改用不同的工艺节点可能有损专门方法的效率。在这些关键时候，一套严格完善的最佳操作方法对于维持生产力和推动力至关重要。

集成电路可靠性检查

重要的可靠性设计 (DFR) 问题包括：

    时间相关介质击穿 (TDDB)
    负偏压温度不稳定性 (NBTI)
    热载流子注入 (HCI)
    阈值电压偏移 (Vt)
    电迁移 (EM)
    电过应力 (EOS)
    闩锁效应（Latch-up）

本文并不逐一详细解释这些机制。我们将讨论一种普遍的集成电路设计可靠性检查方法，并举例说明这种方法如何应用于 TDDB 和 NBTI。这种检查方法灵活，自动，还能以类似的方式进行其它检查。

传统方法

添加识别层

对于传统设计规则检查 (DRC) 工具，设计人员必须通过在版图上添加识别层，确定需要进行可靠性检查的实际位置。识别层用以确定需要通过具体检查来确认适当的 DFR 方法的实际区域，而不是将要实现的实际功能。

添加识别层是一个单调乏味且容易出错的手动过程。识别层也增加了 DRC 工作量（延长了整体周期时间），并且难以维护。由于存在这些缺点，识别层无法充分确保设计具备当今竞争市场所需的可靠性。

SPICE 仿真

一些可靠性检查需要了解电路中每个节点的电压。传统方法采用 SPICE 仿真，提供每个节点的电压和电流，因为电路由一系列支持对所有预期的工作模式进行仿真的向量推动。但是，SPICE 仿真特别耗时，需要大量的时间和洞察力来恰当地解释和评估产生的波形。为了确保充足的覆盖面，测试向量通常由自动覆盖工具产生。由于产生了众多向量，因此在依赖人工评估技术时很容易漏掉某个问题。

可升级的解决方案的特色

设计人员需要一个强大的可升级自动化物理验证 (PV) 解决方案，帮助各个经验水平的设计人员在设计中整合可靠性检查的最佳做法。

一款可升级的可靠性验证解决方案必须能够：

    体现物理系统的特色，并按照一套定义明确的最佳方法或规则进行验证，
    尽量避免完整模拟，以节省时间和计算资源，
    让具有专长的工程师能够按照专业的可靠性设计方法来验证设计。

为了完成这些任务，可升级的可靠性验证工具需要一些对于物理验证过程来说新出现的关键功能：

    通过网表的规则支持拓扑识别，确定需要检查的物理结构，
    支持传递/连接的规则，从而在需要检查的结构之间建立特定关系，
    能够评估应用于前两个工艺结果的物理规则，
    能够与常用的物理验证流程相整合，简化信息交流过程。

桥接观点

可靠性检查的关键难题在于架起设计过程中逻辑观点与物理观点之间差异的桥梁。逻辑和模拟设计人员通常考虑原理图和 Verilog 描述。而物理（班图）设计人员则考虑几何结构、宽度、长度、特征间隔等等。他们使用的工具也会相应变化。可靠性检查需要结合这些观念，因此给这些工具和使用工具的工程师都带来了挑战。

对于许多可靠性检查而言，问题在于确定班图中的哪些地方需要检查。因为没有方法来缩小范围，大多数设计会产生大量误报。像识别层这样只以物理观点操作的解决方案很有限。更好的解决方案应该可以让设计人员现在网表里指定需要检查的区域，然后在版图中相应的区域进行必要的物理测量。

除了拓扑识别之外，设计人员还需要在整个设计过程中追踪逻辑和物理关系。例如，要检测因不正确的电压域交叉导致违反栅击穿电压限制的情况，设计人员必须能够在静态模式下向设计中的所有节点传递供应电压（以避免耗时的模拟）。之后，设计人员可以使用拓扑识别来消除原本拥有多个电源域连接的结构（例如电平转换电路），消除误报并且得到快速高效的结果。