Guasti dei circuiti VLSI

Guasti dei circuiti VLSI
Alcune cause di guasto
 Elettromigrazione
 Self-Heating
 Portatori caldi
 Rottura degli ossidi
 Latch-up
 Total Ionizing Dose
 Single Event Effects
Elettromigrazione
 Il flusso di elettroni genera lo spostamento degli atomi di
metallo che compongono le interconnessioni
 L'elettromigrazione causa dei guasti di tipo “open circuits”
 Dipende dalla densità di corrente J
 La dipendenza dalla temperatura è esponenziale
Test di elettromigrazione(1/3)
Test di elettromigrazione(2/3)
Test di elettromigrazione(3/3)
Self Heating
 Il flusso di corrente attraverso le interconnessioni genera
calore
 L'ossido che circonda le interconnessioni è un isolante
termico, quindi il calore tende a rimanere confinato nel
metallo
 l'aumento della temperatura fa aumentare la resistenza
 al massimo: J < 15 mA /
m2
Portatori caldi
 I campi elettrici nel canale possono fornire ai
portatori molta energia
 questi portatori “caldi” possono “saltare” nell'ossido
di gate e rimanere intrappolati
 l' accumulo di cariche nell'ossido modifica la
tensione di soglia Vt dei transistor
 le modifiche di Vt possono impedire ai transistor di
funzionare correttamente
 Una scelta opportuna di VDD permette di limitare tale
fenomeno
Portatori caldi
fenomeno di riscaldamento dei portatori fino a raggiungere I'
energia necessaria per essere iniettati nell'ossido di gate.
Portatori caldi
Degradazione delle caratteristiche di trasferimento dei
transistori MOS per effetto dell'iniezione di elettroni caldi
nell'ossido di gate
Rottura degli ossidi
 La contrazione delle dimensioni dei dispositivo
comporta un incremento dei campi elettrici
 Per quanto riguarda gli strati di ossido, ciò aumenta lo
stress cui sono sono sottoposti e di conseguenza il
pericolo di rottura.
 Questa situazione è aggravata dalla contrazione dello
spessore degli ossidi
 Per caratterizzare la qualità degli ossidi, si è soliti
ricorrere a degli istogrammi che rappresentano
probabilità di rottura in funzione del campo elettrico
applicato.
Rottura degli ossidi
Rottura degli isolanti usati nei microcircuiti MOS in
funzione della tensione
Rottura degli ossidi
 La rottura non dipende solamente dal campo elettrico
applicato ma anche dalla corrente
 non esiste una soglia di campo al di sotto della quale
l'ossido non si rompe;
 essa è sempre un fenomeno d'affaticamento che
richiede un certo “tempo” (BR) che, per quanto detto al
punto a, dipende sia dal campo elettrico che dalla
corrente.
 una miglior caratterizzazione degli ossidi nei confronti
della rottura può essere effettuata misurando la
quantità di carica che scorre attraverso di essi
Latch Up
 Provoca un corto circuito tra alimentazione e massa
 Può
 distruggere il circuito o
 provocare un malfunzionamento generale.
 Viene controllato sia con accorgimenti in ase di
processo, sia a livello circuitale
 È causato dai componenti parassiti presenti per tutti i
processi CMOS
Latch Up
Schema dei parassiti per un inverter CMOS
Circuito Equivalente
Passi del Latch Up
1. La corrente nel substrato fa aumentare Vsub
2. Se Vsub > 0.7 V. si accende il transistor npn
3. Scorre corrente in Rw
4. Se Vbe < -0.7 V si accende il transistor pnp
5. I terminali vanno ad una tensione di 4 V ed il flusso di
corrente tende a bruciare il circuito.
Total Ionizing Dose
Le particelle ionizzanti provocano:
 Intrappolamentodi cariche in strati di
SiO2,
 aumento della densità di stati
superficiali all’interfaccia Si –SiO2
Effetti
 Threshold voltage shift,
 parasitic leakage currents,
 mobility degradation
Total Ionizing Dose
gate-to-source bias [V]
congate
con
gate
Norm. drain current [A/m]
Leakage
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.E-04
1.E-05
0k
1.E-06
100k
500k
1.E-07
1.E-08
1.E-09
1.E-10
1.E-11
VG = 1.32V
20 rad/s
130 nm bulk CMOS
Effetto della TID
Total Ionizing Dose
Cariche nell’ossido
 Le lacune intrappolate nell’ossido danno origine a
variazione negativa ΔVOT della tensione di soglia
Dove
q = carica elettrone
COX = capacità dell’ossido per unità di area dell’ossido
ΔNOT = densità di lacune intrappolate nell’ossido
Interface traps
Detta la ΔQIT carica intrappolata all’interfaccia si ha:
Variazione di VT
• Nei PMOS i due
contributi si sommano
 Negli NMOS

Bassa dose: diminuzionedi
VT(domina il contributo della
carica positiva intrappolata
nell’ossido)

Dose elevata: aumentodi VT
(domina il contributo delle
cariche negative intrappolate
all’interfaccia)
Single Event Effects
L’interazione tra I dispositivi CMOS e le radiazioni
possono innescare una serie di eventi singoli. I più noti
sono:
 Single Event Upset (SEU)
 Multiple Bit Upset (MBU)
 Single Event Transient (SET)
 Single Event Latch-Up (SEL)
 Single-event burnout (SEB)
Single Event Effects
Interazione tra particella e dispositivo:
Single Event Upset
Avviene in un elemento di memoria:
Multiple-bit upset
Nucleon-Induced MBU
Maiz et al.
 Coinvolge più
elementi di
memoria
Tosaka et al.
Kawakami et al.
Hubert et al.
 Aumenta con
la diminuzione
delle
dimensioni dei
dispositivi
from Seifert, et al., Intel. IRPS, 2006.
Single Event Transient
Con la diminuzione delle dimensioni geometriche, e quindi della
quantità di carica critica assumono importanza anche gli spike
causati dalle radiazioni nella logica combinatoria
Single Event Transient
Il fenomeno è limitato da tre fattori:
 Timing Masking Factor: lo spike
deve essere campionato da un FF
 Logic Masking Factor: il valore di
spike non deve essere
mascherato dalle operazioni
logiche successive
 Electrical Masking Factor: dipende
dal filtraggio elettrico delle porte a
valle