芯耀
与非AI
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1.概述
在28nm及以下先进工艺节点中，MOS管老化效应是数字芯片后端可靠性签核的核心刚需问题。芯片长期工作过程中，晶体管受电、热应力持续作用，器件性能会逐步退化，引发时序恶化、功耗异常，严重时将导致芯片功能失效，是与EM、IR Drop并列的关键签核检查项。
芯片老化主要包含四类核心物理机制。NBTI仅作用于PMOS管，器件长期高温负偏导通时，Si/SiO₂界面Si-H键断裂，产生界面陷阱造成性能退化，该效应具备可恢复性，退化程度与信号占空比密切相关。PBTI主要影响高K金属栅工艺下的NMOS管，栅极正偏压会使电子被高K介质缺陷捕获，引发阈值电压漂移，是先进工艺新增的核心老化问题。HCI以NMOS管为主要影响对象，晶体管翻转瞬间，漏端强横向电场加速载流子形成热载流子，注入栅氧形成陷阱缺陷，退化程度与电路翻转率、工作频率正相关。TDDB是不可逆硬失效，长期电场应力会让栅氧缺陷持续累积，最终形成导电通路，造成栅氧击穿、栅极短路。
各类老化效应最终会改变器件核心电学参数，引发性能衰减：MOS管阈值电压绝对值整体增大，载流子迁移率下降，导致导通驱动电流减小、单元驱动能力减弱；同时界面缺陷与介质损伤会大幅提升亚阈值漏电和栅极漏电，造成芯片静态功耗上升。
老化效应对后端设计与时序签核影响极大。器件驱动衰减会使标准单元延时显著增加，芯片长期工作后关键路径延时可提升10%~20%，若无充足时序裕量，原本合规的建立时序会出现违例，导致芯片后期功能失效。同时，漏电升高会让芯片静态功耗超标，超出设计功耗预算。 为解决老化问题，后端设计形成了成套应对方案。时序分析阶段通过延时降额为建立时序预留老化裕量；采用集成老化退化参数的专用时序库，让工具在综合、布线阶段主动优化老化敏感路径；结合SAIF、TCF文件获取信号翻转与占空比数据，精准量化老化影响。同时可通过逻辑重构优化关键路径电平占空比，搭配冗余电路设计，从源头缓解器件老化，保障芯片全生命周期工作稳定。
2.四种老化机制
2.1NBTI（负偏置温度不稳定性）
主要影响PMOS管。当PMOS栅极施加负偏压且处于高温环境时，硅-氧化层界面处的Si-H键在空穴作用下断裂，释放的氢原子扩散并留下界面陷阱，捕获空穴后导致阈值电压绝对值增大。该效应具有可恢复性，偏压移除或反转时部分性能可恢复，退化程度与信号占空比密切相关。
在半导体制造中，Si/SiO₂界面会因晶格结构中断，使界面硅原子无法完整成键，产生大量电学活性极强的硅悬挂键。悬挂键会在器件禁带中引入界面态，持续捕获、释放载流子，造成晶体管阈值电压漂移、载流子迁移率下降，同时产生器件噪声，严重破坏MOS管电学性能。
为解决该缺陷，芯片前段工艺会采用氢钝化技术。在400℃-450℃高温退火环节，通过氢气、氨气或含氢薄膜释放活性氢原子，扩散至界面与硅悬挂键结合，形成稳定的Si-H共价键。该过程可彻底中和悬挂键的电学活性，消除界面缺陷，保证MOS管初始工作性能稳定。
但Si-H键键能较低、结构稳定性差，存在天然工艺隐患。芯片工作时的高温环境、PMOS负偏压产生的强电场，以及热载流子冲击，都会打断Si-H键，导致氢原子逃逸、悬挂键重新激活。这也是NBTI、HCI等MOS管老化效应的核心物理根源。
2.2PBTI（正偏置温度不稳定性）
主要影响采用High-k金属栅工艺的NMOS管。栅极正偏压使电子被捕获到High-k介质层的缺陷中，引起阈值电压漂移。与NBTI不同，PBTI通常不在界面处产生，去除应力后恢复程度较高。
先进工艺High-k栅介质的缺陷主要分为体缺陷与界面缺陷两大类，是引发PBTI、TDDB等器件老化失效的核心原因。
体缺陷包含三类：一是氧空位，由介质沉积、退火氧缺失形成，作为主要电子陷阱，捕获NMOS正偏电压下的电子，造成阈值电压漂移，是PBTI效应的核心成因；二是晶界，多晶结构的晶粒边界存在大量缺陷，会加速导电细丝形成，诱发栅氧TDDB软硬击穿；三是工艺杂质与固定电荷，会造成平带电压漂移，通过库仑散射降低载流子迁移率。
界面缺陷直接影响栅硅界面特性：晶格失配、键断裂产生的界面态，会引发C-V曲线滞回、增大亚阈值摆幅，削弱载流子迁移率；氧空位扩散形成的近界面缺陷，会导致平带电压漂移、加剧栅极漏电；介质内可动离子形成的慢界面态，会造成电容曲线畸变、频散异常，最终劣化MOS管开关性能，影响芯片时序与可靠性。
2.3HCI（热载流子注入）
主要影响NMOS管。当漏源电压较高时，沟道载流子在强横向电场下加速成为“热载流子”，撞击硅-氧化层界面产生电子-空穴对，部分载流子注入氧化层被捕获，形成界面态和氧化层陷阱。该效应主要发生在晶体管开关翻转瞬间，与电路翻转率和工作频率高度相关。
2.4TDDB（时间依赖介质击穿）
影响栅氧化层。长期电场应力使栅氧层内部缺陷逐渐累积形成导电通路，最终导致栅氧层灾难性击穿，形成栅极短路。属于永久性、不可恢复的硬失效。
3.老化效应库文件和仿真机制
在 Foundry 交付的 PDK 中，老化模型文件并不只有单一格式，而是根据仿真工具（Spectre/HSPICE）和 EDA 流程（模拟 RelXpert / 数字 STA）的不同，分为输入模型文件和仿真输出文件两大类。如下表格根据网络内容整理，仅供参考。
4结语
AI芯片普遍采用先进HKMG工艺，算力密度高、长期满载运行，功耗与结温居高不下，大幅加速NBTI、PBTI、HCI老化。AI加速器内大量寄存器、SRAM、MAC阵列存在固定占空比与持续翻转，老化带来阈值漂移、时序恶化，易引发算力误差与功能失效，且芯片采购成本高、服役周期要求长，老化签核成为后端必做检查。
