緩解由NBTI效應引起的電路老化研究

王威猛

摘要：隨著科學技術的進步，晶體管尺寸不斷逼近物力極限，使得NBTI（ （Negative Bias Temperature Instability））效應成為影響集成電路老化的主要因素。現有很多方法緩解電路的NBTI效應，如門替換、輸入向量控制等。針對兩種方法的優缺點，如何避免每種方法的缺點而盡可能地發揮其最大的優勢成為研究的重點。

關鍵詞：NBTI效應；電路老化；門替換；輸入向量控制

中圖分類號：TN407 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0263-02

Abstract： With the advancement of science and technology， the transistor size is approaching the physical limit， making the NBTI （Negative Bias Temperature Instability） effect a major factor affecting the aging of integrated circuits. There are many methods to mitigate the NBTI effects of circuits， such as gate replacement， input vector control， and so on. In view of the advantages and disadvantages of the two methods， how to avoid the shortcomings of each method and maximize its advantages has become the focus of research.

Key words： NBTI effect； circuit aging； gate replacement； input vector control

晶體管制造工藝進入納米級別后，老化成為影響集成電路可靠性的主要原因。在晶體管的工藝尺寸低于45nm時，負偏置溫度不穩定性（ negative bias temperature instability，NBTI） 效應成為影響電路老化的主要因素[1]。當PMOS晶體管處于負偏置（即，Vgs = -Vdd）時，在電場力的左右下，晶體管表面的Si-H鍵發生斷裂，產生大量的正電離子，導致閾值電壓升高，發生NBTI效應。而當Vgs = Vdd時，在反電場力的作用下，部分Si-H鍵又重新組合，使得閾值電壓降低，老化得到緩解。在很長一段時間內，這種閾值電壓升高可能會導致PMOS器件的延遲顯著增加，電路速度降低約10%-20%[2]，甚至有可能導致電路功能故障[3]。 因此，緩解NBTI效應對提高電路可靠性的影響非常重要。

關于NBTI的早期研究主要集中在閾值電壓退化的分析以及半導體器件驅動電流的影響上。后來，許多學者研究了NBTI建模和緩解技術。提出了電路級NBTI退化分析模型，并提出了考慮NBTI退化的靜態時序分析（STA）技術。基于NBTI的電路性能降級模型和STA技術，學者們已經經研究了可以減輕NBTI影響的設計技術。包括在電路設計之初就執行的門替換[4，5，6，7]（gate replace）方法，以及在電路老化緩解階段實施的輸入向量控制方法[8，9，10]（input vector control）。由于電路并不是一直處于運轉狀態，完全可以在電路待機時使用以上方法對其進行老化防護，緩解其老化以保證電路在壽命年限里不因老化而引發電路的可靠性問題。

1 方法介紹

1.1 門替換方法

在電路設計之初，將容易被老化感知的邏輯門進行替換，使能夠在電路待機時能夠處于老化緩解階段。具體方法就是對容易老化的門的扇入門進行替換，為其增加一個Sleep信號，當電路正常工作時，sleep=0，不影響電路正常工作，當電路待機時，Sleep=1，此時的Sleep信號用來緩解電路老化。圖1為使用門替換方法緩解NBTI效應的實例。

1.2 輸入向量控制方法

輸入向量控制方法是在電路待機時，在電路的輸入端輸入控制向量，使電路中的老化敏感門的輸入都為1，處于NBTI恢復階段，從而達到緩解電路老化的目的。輸入向量控制方法與門替換方法類似，都是為了將處于待機狀態時的老化敏感門的輸入控制為1，但是兩個方法實施的階段不同，門替換方法是在電路的設計之初就對其進行替換，而輸入向量控制方法則是在電路已經工作之后。圖2為輸入向量控制方法的一個具體實例。

當圖2中的電路處于待機模式時，在其輸入端輸入控制向量01111，電路中的絕大多數邏輯門的輸入都為1，使得整個電路處于最佳老化緩解階段。輸入向量控制方法相比較門替換方法而言能減小電路的面積開銷，尤其是當電路比較小的時候，能獲得更好的優化效果。但是當電路規模變大時，邏輯門的數量變多，輸入向量對電路的控制能力減弱。由圖2可知，電路中并不是所有的邏輯門的輸入都為1，邏輯門G0和G1的一個輸入引腳為0，因此輸入向量控制方法并不適合大規模集成電路的老化仿防護。

2 總結

根據門替換方法與輸入向量控制方法的優缺點可知，單獨使用其中一種方法很難讓電路處于最佳的老化防護狀態。因此，我們可以將兩個方法結合使用，既能最大化的防護電路老化，又能減小面積開銷。但是，要避免兩個方法相互干擾問題，因為門替換方法會改變邏輯門的輸出，而邏輯門的輸入輸出一旦發生變化時，會破壞輸入向量對電路的控制，甚至會完全打亂輸入向量控制方法對電路的老化防護，所以門替換方法與輸入向量控制方法結合使用時，如何避免兩個方法相互干擾是一個不容忽視的問題。

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【通聯編輯：唐一東】