芯片的設(shè)計問題、注意事項及設(shè)計策略

長期可靠性的問題，比如電子遷移（EM）失效機制，歷來屬于晶圓廠的處理范疇。但隨著納米設(shè)計中可靠性實現(xiàn)的愈加困難，對設(shè)計人員而言，不能再把問題扔給制造甩手不管了。設(shè)計領(lǐng)域也必須做出努力以獲得更具有魯棒性的版圖。

電流密度過高導(dǎo)致金屬原子逐漸置換，這時就會產(chǎn)生電子遷移問題。當(dāng)很長時間內(nèi)在同一個方向有過多電流流過時，在互連線上會開始形成空洞（Void，原子耗盡時出現(xiàn)）和小丘（hillock，原子積聚時產(chǎn)生）。足夠多的原子被置換后，會產(chǎn)生斷路或短路。當(dāng)小丘觸及鄰近的互連線時，短路出現(xiàn)，從而引起芯片失效。

減少電子遷移的方法之一是提取互連的寄生阻抗，并把它輸入到一個仿真工具中，計算流經(jīng)每根金屬線的電流。利用互連每一部分的寬度信息，就有可能計算電流密度并由低到高進(jìn)行分類。然后生成一個彩色圖覆蓋在版圖上，由此標(biāo)注出電流密度最高的各個區(qū)域。

首先處理電流密度最高的區(qū)域，可以加寬互連金屬線，增加通孔，降低電流密度。

一旦對版圖做了修改，設(shè)計人員可以再進(jìn)行一次寄生阻抗提取，重新仿真結(jié)果。通過這種方法，應(yīng)該可以看到造成電子遷移的電流密度有所下降。

應(yīng)該：

1．執(zhí)行EM分析，確認(rèn)存在EM問題的金屬線。在最終版圖上執(zhí)行寄生阻抗提取，再把寄生阻抗值，以及該部分的寬度和位置等信息輸入到一個仿真工具中。仿真生成一個電流密度圖，覆蓋在最初的版圖上。

2．執(zhí)行寄生阻抗提取時，考慮到金屬寬度的變化。許多晶圓廠都提供寄生阻抗提取時的這種變化的建模機制。

3．考慮到提取時的厚度變化。金屬厚度的變化會引起寄生阻抗值的變化，故必須考慮在內(nèi)。

4．執(zhí)行仿真，計算整個芯片版圖的電流密度。對每一層，確定電流密度閾值，以便獲得對應(yīng)用產(chǎn)品來說可接受的平均失效時間。

5．加寬電流密度過高的金屬線。

6．在版圖上進(jìn)行通孔雙置（VIA doubling）以減少寄生阻抗，從而減小電流密度。

7．重新執(zhí)行寄生阻抗提取、仿真和可視化，以觀察版圖修正是否已降低了最嚴(yán)重區(qū)域的電流密度。如果版圖修正已把電流密度降至一個可接受的程度，設(shè)計就算完成了。

不應(yīng)該：

1．遺漏EM分析的執(zhí)行。若未經(jīng)檢測，會引起性能下降，以后可能導(dǎo)致芯片失效。

2．把金屬填充任務(wù)扔給晶圓廠做。金屬填充很重要，能夠提高設(shè)計的平面性，而且，如果正確完成的話，還可以把厚度變化降至最小。

3．執(zhí)行無厚度和寬度變化的寄生阻抗提取。這會讓提取產(chǎn)生錯誤，導(dǎo)致電流密度計算的錯誤。

4．在增加金屬填料之前就通過厚度計算執(zhí)行寄生提取。正確的步驟是首先插入金屬填料，再改變寬度和厚度來執(zhí)行提取。

5．不采用通孔雙置。由于應(yīng)力遷移（Stress migration）可能導(dǎo)致通孔中沉積的金屬更少，這會增大不良通孔中的阻抗，使電流密度更高。

6．使用平坦仿真引擎（flat simulation engine）。利用分層架構(gòu)將大幅度改善仿真時間，減少內(nèi)存使用。

7．計算電流密度時忽略晶體管效應(yīng)。由于流經(jīng)一個網(wǎng)格的電流量取決于寄生參數(shù)及相關(guān)元件，故在執(zhí)行EM分析時進(jìn)行晶體管級的仿真是很重要的。