一种集成电路老化失效预警方法及电路与流程

本发明属于集成电路失效检测技术领域，具体涉及一种集成电路老化失效预警方法及电路。

背景技术：

工艺尺寸的急剧缩小，使得数字电路的性能得到了大幅度的提高，但是与此同时，也给数字电路的可靠性问题带来了更多新的挑战。纳米工艺条件下，老化是影响数字电路可靠性的主要问题之一，老化会导致晶体管阈值电压升高，逻辑门单元反转速度减慢，电路时延增大，导致时序违例的发生，最终引发电路失效。因此老化问题受到越来越多的关注，老化失效预测的研究也越来越多。

老化失效预测是需要一个连续长期的测试过程，目前关于该问题的解决方案主要有两种：基于老化传感器的在线监测和基于预兆单元的老化检测。基于老化传感器的在线监测方法，插入老化传感器，持续监测路径是否有时序违例发生，但是老化传感器只能在电路发生违例时做出判断，不能度量电路正常工作中的老化程度。

基于预兆单元的老化检测方法是在电路中插入两条检测路径，一条受到老化效应的影响，一条不受到老化效应的影响作为参考路径，通过选取有效参数，通过检测参数的改变来度量电路的老化程度。但是由于检测路径和载体电路在实际工作中的老化程度不一致，因此仅用检测路径的参数度量载体电路的老化程度会导致度量不准确，另外，设计的检测路径只能度量载体电路的老化程度，无法对载体电路的老化失效情况进行有效预警。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种集成电路老化失效预警方法及电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种集成电路老化失效预警方法，包括：

对载体电路和预警电路进行老化仿真，获取所述载体电路失效时所述预警电路的检测结果，取小于所述检测结果的值作为失效阈值；

将所述载体电路和所述预警电路置于同一老化环境中，按照预设的检测频率定期检测，获取所述预警电路的检测结果；

将所述检测结果与所述失效阈值进行比较，若所述检测结果大于或等于所述失效阈值，则判定所述载体电路即将老化失效，并产生预警信号；

其中，所述检测结果为所述预警电路中第一环形振荡器与第二环形振荡器的频率差值，所述第一环形振荡器与所述载体电路保持同步老化，所述第二环形振荡器保持不被老化。

在本发明的一个实施例中，所述第一环形振荡器与所述第二环形振荡器的结构相同。

在本发明的一个实施例中，所述对载体电路和预警电路进行老化仿真，包括：

基于nbti老化效应，选取温度、电压作为加速老化应力条件，对所述载体电路和所述预警电路进行老化仿真。

本发明提供了一种集成电路老化失效预警电路，包括：

定时控制模块，用于产生预设检测频率信号；

译码器，连接所述定时控制模块，所述译码器根据所述预设检测频率信号产生控制信号；

检测模块，连接所述译码器，所述检测模块根据所述控制信号进入检测模式，获取检测频率；

数据处理模块，连接所述检测模块，所述数据处理模块用于根据所述检测频率得到检测结果，并将所述检测结果与失效阈值进行比较，当所述检测结果大于或等于失效阈值时产生预警信号；

电源控制模块，连接所述译码器，所述电源控制模块根据所述控制信号对所述检测模块和所述数据处理模块进行供电。

在本发明的一个实施例中，所述检测模块包括第一环形振荡器和第二环形振荡器，其中，

所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器均连接所述译码器；

所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器的结构相同，均包括依次连接的奇数个异或门和一个与门；

所述第一环形振荡器与载体电路保持同步老化，其振荡频率作为第一检测频率；

所述第二环形振荡器保持不被老化，其振荡频率作为第二检测频率。

在本发明的一个实施例中，所述数据处理模块包括：

第一放大器，连接所述第一环形振荡器，所述第一放大器用于对所述第一检测频率进行放大；

第二放大器，连接所述第二环形振荡器，所述第二放大器用于对所述第二检测频率进行放大；

减法器，连接所述第一放大器和所述第二放大器，所述减法器用于获取放大后第一检测频率与放大后第二检测频率的频率差值；

频率比较器，连接所述减法器，所述频率比较器用于比较所述频率差值与所述失效阈值的大小，并当所述频率差值大于或等于所述失效阈值时产生预警信号。

在本发明的一个实施例中，所述电源控制模块包括：

第一电源模块，与所述第一环形振荡器连接，所述第一电源模块用于根据所述控制信号对所述第一环形振荡器进行供电；

第二电源模块，与所述第二环形振荡器连接，所述第二电源模块用于根据所述控制信号对所述第二环形振荡器进行供电；

第三电源模块，与所述数据处理模块连接，所述第三电源模块用于根据所述控制信号对所述数据处理模块进行供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的集成电路老化失效预警方法，通过加速老化仿真先获得失效阈值，通过将失效阈值与预警电路的检测结果进行比较，可以实现对载体电路老化失效情况进行有效预警。

2、本发明的集成电路老化失效预警方法，通过在线监测预警电路中两个环形振荡器的频率差，用以度量载体电路正常工作时的老化程度，由于第一环形振荡器与载体电路保持同步老化，第二环形振荡器保持不被老化，因此度量更准确；

3、本发明的集成电路老化失效预警电路，两个环形振荡器结构相同，使得工艺偏差影响降到最小，而且选择环形振荡器作为检测模块，面积消耗较小。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种集成电路老化失效预警方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种集成电路老化失效预警电路的结构框图；

图3是本发明实施例提供的一种集成电路老化失效预警电路的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的预警电路中获得检测结果的电路结构示意图。

附图标记说明

1-定时控制模块；2-译码器；3-检测模块；31-第一环形振荡器；32-第二环形振荡器；4-数据处理模块；41-第一放大器；42-第二放大器；43-减法器；44-频率比较器；5-电源控制模块；51-第一电源模块；52-第二电源模块；53-第三电源模块。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种集成电路老化失效预警方法及电路进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种集成电路老化失效预警方法的流程图。如图所示，本发明实施例的集成电路老化失效预警方法包括：

s1：对载体电路和预警电路进行老化仿真，获取所述载体电路失效时所述预警电路的检测结果，取小于所述检测结果的值作为失效阈值；

s2：将所述载体电路和所述预警电路置于同一老化环境中，按照预设的检测频率定期检测，获取所述预警电路的检测结果；

s3：将所述检测结果与所述失效阈值进行比较，若所述检测结果大于或等于所述失效阈值，则判定所述载体电路即将老化失效，并产生预警信号；

其中，检测结果为预警电路中第一环形振荡器与第二环形振荡器的频率差值，第一环形振荡器与载体电路保持同步老化，第二环形振荡器保持不被老化。

在本实施例中，为了留有一定预警裕量，在老化仿真时，取小于所述检测结果的值作为失效阈值，优选地，取所述检测结果的95％-99％作为失效阈值。

在纳米级cmos工艺下，nbti(negativebiastemperatureinstability，负偏压温度不稳定性)效应已经成为影响芯片可靠性的关键因素，在nbti效应的影响下，环形振荡器的频率会持续下降，因此选择环形振荡器在老化影响下的频率改变值作为老化度量参数。

在本实施例中，第一环形振荡器与第二环形振荡器的结构相同，选择两个结构相同的环形振荡模块，可以消除工艺偏差对差值检测的影响。第一环形振荡器与载体电路保持同步老化，第二环形振荡器保持不被老化，作为第一环形振荡器的参考。

具体地，对载体电路和预警电路进行老化仿真，包括：

基于nbti老化效应，选取温度、电压作为加速老化应力条件，对所述载体电路和所述预警电路进行老化仿真。

目前一些芯片级可靠性预测工具可以模拟芯片在寿命结束时的故障率。利用可靠性预测工具，基于nbti老化效应，选取温度，电压作为加速老化应力条件，进行加速老化仿真，以获得在芯片寿命结束时，预警电路中两个环形振荡器的频率差值，作为判定载体电路老化失效的阈值，也是预警电路中频率比较器的一个输入值。

本发明实施例的集成电路老化失效预警方法，通过加速老化仿真先获得失效阈值，通过将失效阈值与预警电路的检测结果进行比较，可以实现对载体电路老化失效情况进行有效预警。

本发明实施例的集成电路老化失效预警方法，通过在线监测预警电路中两个环形振荡器的频率差，用以度量载体电路正常工作时的老化程度，由于第一环形振荡器与载体电路保持同步老化，第二环形振荡器保持不被老化，因此度量更准确。

实施例二

请参见图2-图4，图2是本发明实施例提供的一种集成电路老化失效预警电路的结构框图；图3是本发明实施例提供的一种集成电路老化失效预警电路的结构示意图；图4是本发明实施例提供的预警电路中获得检测结果的电路结构示意图。如图所示，本发明实施例的集成电路老化失效预警电路，包括：

定时控制模块1，用于产生预设检测频率信号；

译码器2，连接定时控制模块1，译码器2根据预设检测频率信号产生控制信号；

检测模块3，连接译码器2，检测模块3根据控制信号进入检测模式，获取检测频率；

数据处理模块4，连接检测模块3，数据处理模块4用于根据检测频率得到检测结果，并将检测结果与失效阈值进行比较，当检测结果大于或等于失效阈值时产生预警信号；

电源控制模块5，连接译码器2，电源控制模块5根据控制信号对检测模块3和数据处理模块4进行供电。

在本实施例中，集成电路老化失效预警电路根据定时控制模块1产生的预设检测频率信号，切换一般老化模式和检测模式两种工作模式。在检测模式下，预警电路获取检测结果，并将检测结果与失效阈值进行比较，判断电路老化失效情况，其中，所述检测结果为所述预警电路中第一环形振荡器与第二环形振荡器的频率差值。在一般老化模式下，预警电路和载体电路处于同一老化状态，进行正常的电路老化。

具体地，定时控制模块1可以由两个计数器构成。设置第一计数器的最大计数值为n，当第一计数器计数到n-1时，输出一个高电平，作为检测开始信号，然后第一计数器开始新一轮计数。设置第二计数器的最大计数值为m(m<<n)，将检测开始信号作为第二计数器的使能信号，当检测开始信号输出高电平，第二计数器开始计数，当第二计数器计数到m-1时，输出一个高电平，作为检测结束信号，等待下一个检测开始信号的到来。这里设定的n和m都为整数，n的值代表了预警电路在线监测的检测频率，m的值代表了预警电路每次检测的时间长度。

检测开始信号和检测结束信号通过译码器2控制检测模块3进入检测模式，其他状态下检测模块3都为一般老化模式。在本实施例中，检测模块3包括第一环形振荡器31和第二环形振荡器32，其中，第一环形振荡器31和第二环形振荡器32均连接译码器2；第一环形振荡器31和第二环形振荡器32的结构相同，均包括依次连接的奇数个异或门和一个与门；第一环形振荡器31与载体电路保持同步老化，其振荡频率作为第一检测频率；第二环形振荡器32保持不被老化，其振荡频率作为第二检测频率。第一环形振荡器31和第二环形振荡器32的结构相同，可以将工艺偏差影响降到最小，而且选择环形振荡器作为检测模块3，面积消耗较小。

请参见表1，表1为本实施例译码器2的控制实现情况，对译码器2的控制实现情况说明如下：

表1为译码器的控制实现情况

译码器2控制检测模块3和电源模块5，表1中x表示信号无效，具体地：

当译码器2输入信号为0时，为一般老化模式，译码器2的输出信号s为1，输出信号s_power为1，输出信号r_power为0，输出信号m_power为0。此时，第一环形振荡器31上电，第二环形振荡器32和数据处理模块4为断电。第一环形振荡器31的输入信号s为1，表示此时第一环形振荡器31处于负偏置状态，实现最大程度老化。在该模式下，第一环形振荡器31和载体电路保持同步老化，第二环形振荡器32和数据处理模块4断电以实现保持不被老化，使得检测结果更加准确。

当译码器输入信号为1时，为检测模式，译码器2的输出信号s为0，输出信号r为0，输出信号s_power为1，输出信号r_power为1，输出信号m_power为1。此时，第一环形振荡器31、第二环形振荡器32和数据处理模块4上电。第一环形振荡器31的输入信号s为0，第二环形振荡器32的输入信号r为0，表示第一环形振荡器31和第二环形振荡器32都处于振荡状态，第一环形振荡器31和第二环形振荡器32都保持上电也是为了保持老化状态相同。

值得说明的是，第一环形振荡器31和第二环形振荡器32中异或门的个数越大，频率检测的精度越高，但同时面积消耗也越大，在实际情况中，需要综合考虑检测精度和面积消耗的因素。当信号s和信号r为1时，表示环形振荡器处于负偏置模式，当信号s和信号r为0时，表示环形振荡器处于振荡模式。

进一步地，数据处理模块4包括：第一放大器41，连接第一环形振荡器31，第一放大器41用于对第一检测频率进行放大；第二放大器42，连接第二环形振荡器32，第二放大器42用于对第二检测频率进行放大；减法器43，连接第一放大器41和第二放大器42，减法器43用于获取放大后第一检测频率与放大后第二检测频率的频率差值；频率比较器44，连接减法器43，频率比较器44用于比较频率差值与失效阈值的大小，并当频率差值大于或等于失效阈值时产生预警信号。

在检测模式下，第一环形振荡器31和第二环形振荡器32都处于振荡状态，通过第一放大器41和第二放大器42对经过第一环形振荡器31和第二环形振荡器32获得的第一检测频率和第二检测频率进行放大，并将第一检测频率和第二检测频率输入减法器43，获得本次检测周期内，受到老化影响的第一环形振荡器31和未受到老化影响的第二环形振荡器32的频率差值。将该频率差值输入频率比较器44，频率比较器44的两个输入分别为：频率差值和失效阈值。如果频率差值大于或等于失效阈值，则表明载体电路即将老化失效，那么输出预警信号，否则信号保持不变，等待下一次检测模式到来。

进一步地，电源控制模块5包括：第一电源模块51，与第一环形振荡器31连接，第一电源模块51用于根据控制信号s_power对第一环形振荡器31进行供电；第二电源模块52，与第二环形振荡器32连接，第二电源模块52用于根据控制信号r_power对第二环形振荡器32进行供电；第三电源模块53，与数据处理模块4连接，第三电源模块53用于根据控制信号m_power对数据处理模块4进行供电。

在本实施例中，第一电源模块51、第二电源模块52和第三电源模块53的结构相同，以第一电源模块51为例对其进行说明，其结构主要包括两个反相器，一个pmos管和一个nmos管。通过译码器2的输出信号s_power，控制其供电和断电。当译码器2的输出信号s_power为1，此时pmos管和nmos管同时打开，第一电源模块51和第一环形振荡器31构成通路，实现供电。当译码器2的输出信号s_power为0，此时pmos管和nmos管同时断开，第一电源模块51和第一环形振荡器31无法构成通路，实现断电。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。