Análise e mitigação dos efeitos da eletromigração em interconexões metálicas de circuitos integrados

Abstract

A redução contínua das dimensões dos circuitos integrados e, consequentemente, de suas interconexões resultam em um grande desafio para a confiabilidade dos circuitos. Novos componentes de falha são esperados pelo aumento da densidade de interconexões, número de camadas e consumo de energia. Eletromigração é um processo onde, devido a interação entre elétrons e íons de metal submetidos a altas densidades de corrente provoca o transporte de partículas de um ponto a outro de uma interconexão. Este trabalho apresenta um estudo dos efeitos da eletromigração nas interconexões de circuitos integrados digitais, visando o entendimento de seu comportamento e buscando estratégias de projeto para mitigar tais efeitos. Foram utilizados diversos circuitos de benchmarks para os experimentos feitos neste trabalho. Estes experimentos consistem em analisar os limites de eletromigração aceitáveis para um determinado tempo de vida útil do circuito. Após esta etapa de análise, um fluxo alternativo de projeto visando a mitigação da eletromigração foi apresentado e aplicado nestas interconexões críticas. Para aplicação do método proposto existem alguns contrapontos, intrínsecos ao projeto de circuitos digitais. Tendo em vista que a correção dos efeitos de eletromigração altera características físicas das interconexões, parâmetros como capacitância, atraso, comprimento de fio e área utilizada podem sofrer alterações e prejudicar características elétricas e de temporização dos circuitos. Além disso, o tempo necessário para aplicação do método não pode ser desconsiderado. Como resultado deste método foi possível reduzir o impacto da eletromigração em todas as interconexões analisadas, chegando a uma redução de até 83% no fluxo de corrente elétrica, em alguns casos. Em outra perspectiva, as demais características dos circuitos tais como capacitância, área e comprimento de fio não sofreram impacto significativo após aplicação do método de correção de eletromigração. Por fim, devido a necessidade de interação com arquivos e customizações do fluxo, o tempo de execução do método envolve trabalho manual não automatizado, o que dificulta mensurar o tempo total de execução do método. Em trabalhos futuros, planeja-se a automação completa do método de mitigação dos efeitos de eletromigração.

The continuous reduction of the dimensions of the integrated circuits and, consequently, their interconnections result in a great challenge for the reliability of the circuits. New fault components are expected by increasing interconnect density, number of layers, and power consumption. Electromigration is a process where, due to the interaction between electrons and metal ions subjected to high current densities causes the transport of particles from one point to another of an interconnection. This work presents a study of the effects of electromigration in the interconnections of digital integrated circuits, aiming the understanding of its behavior and searching for design strategies to mitigate such effects. Several benchmark circuits were used for the experiments done in this work. These experiments consist of analyzing the limits of electromigration acceptable for a certain lifetime of the circuit. After this stage of analysis, an alternative flow of project aimed at the mitigation of electromigration was presented and applied in these critical interconnections. For application of the proposed method there are some counterpoints, intrinsic to the design of digital circuits. Considering that the correction of the effects of electromigration changes physical characteristics of the interconnections, parameters such as capacitance, delay, wire length and area used can undergo changes and impair electrical and timing characteristics of the circuits. In addition, the time required for application of the method can not be disregarded. As a result of this method it was possible to reduce the impact of the electromigration in all analyzed interconnections, reaching a reduction of up to 83% in the electric current flow, in some cases. In another perspective, the other characteristics of the circuits such as capacitance, area, wire length did not suffer significant impact after application of the electromigration correction method. Finally, due to the need for interaction with files and customizations of the flow, the execution time of the method involves non-automated manual work, which makes it difficult to measure the total execution time of the method. In future work, it is planned to fully automate the method of mitigating the effects of electromigration.