芯片设计问题须知及设计策略

长期可靠性的问题，比如电子迁移（EM）失效机制，历来属于晶圆厂的处理范畴。但随着纳米设计中可靠性实现的愈加困难，对设计人员而言，不能再把问题扔给制造甩手不管了。设计领域也必须做出努力以获得更具有鲁棒性的版图。

　　电流密度过高导致金属原子逐渐置换，这时就会产生电子迁移问题。当很长时间内在同一个方向有过多电流流过时，在互连线上会开始形成空洞（Void，原子耗尽时出现）和小丘（hillock，原子积聚时产生）。足够多的原子被置换后，会产生断路或短路。当小丘触及邻近的互连线时，短路出现，从而引起芯片失效。

　　减少电子迁移的方法之一是提取互连的寄生阻抗，并把它输入到一个仿真工具中，计算流经每根金属线的电流。利用互连每一部分的宽度信息，就有可能计算电流密度并由低到高进行分类。然后生成一个彩色图覆盖在版图上，由此标注出电流密度最高的各个区域。

　　首先处理电流密度最高的区域，可以加宽互连金属线，增加通孔，降低电流密度。

　　一旦对版图做了修改，设计人员可以再进行一次寄生阻抗提取，重新仿真结果。通过这种方法，应该可以看到造成电子迁移的电流密度有所下降。

　　应该：

　　1．执行EM分析，确认存在EM问题的金属线。在最终版图上执行寄生阻抗提取，再把寄生阻抗值，以及该部分的宽度和位置等信息输入到一个仿真工具中。仿真生成一个电流密度图，覆盖在最初的版图上。

　　2．执行寄生阻抗提取时，考虑到金属宽度的变化。许多晶圆厂都提供寄生阻抗提取时的这种变化的建模机制。

　　3．考虑到提取时的厚度变化。金属厚度的变化会引起寄生阻抗值的变化，故必须考虑在内。

　　4．执行仿真，计算整个芯片版图的电流密度。对每一层，确定电流密度阈值，以便获得对应用产品来说可接受的平均失效时间。

　　5．加宽电流密度过高的金属线。

　　6．在版图上进行通孔双置（VIA doubling）以减少寄生阻抗，从而减小电流密度。

　　7．重新执行寄生阻抗提取、仿真和可视化，以观察版图修正是否已降低了最严重区域的电流密度。如果版图修正已把电流密度降至一个可接受的程度，设计就算完成了。

　　图1：加宽金属线和增加过孔以降低电流密度。

　　不应该：

　　1．遗漏EM分析的执行。若未经检测，会引起性能下降，以后可能导致芯片失效。

　　2．把金属填充任务扔给晶圆厂做。金属填充很重要，能够提高设计的平面性，而且，如果正确完成的话，还可以把厚度变化降至最小。

　　3．执行无厚度和宽度变化的寄生阻抗提取。这会让提取产生错误，导致电流密度计算的错误。

　　4．在增加金属填料之前就通过厚度计算执行寄生提取。正确的步骤是首先插入金属填料，再改变宽度和厚度来执行提取。

　　5．不采用通孔双置。由于应力迁移（Stress migration）可能导致通孔中沉积的金属更少，这会增大不良通孔中的阻抗，使电流密度更高。

　　6．使用平坦仿真引擎（flat simulation engine）。利用分层架构将大幅度改善仿真时间，减少内存使用。

　　7．计算电流密度时忽略晶体管效应。由于流经一个网格的电流量取决于寄生参数及相关元件，故在执行EM分析时进行晶体管级的仿真是很重要的。