基于偏置溫度不穩(wěn)定(BTI)的技術(shù)

最近，中科院微電子研究所劉明院士、李泠研究員團隊在先進邏輯工藝可靠性問題的緊湊模型取得最新研究成果，此研究成果以題為“A Unified Physical BTI Compact Model in Variability-Aware DTCO Flow： Device Characterization and Circuit Evaluation on Reliability of Scaling Technology Nodes”的文章入選2021 VLSI Technology。

BTI效應(yīng)會影響到器件的使用，并隨著技術(shù)節(jié)點的降低，BTI逐漸成為器件可靠性的瓶頸，因此如何降低BTI效應(yīng)是器件可靠性的重要研究方向。下圖是PMOS碰到BTI問題后，器件性能受到影響，同樣NMOS也會有類似的問題，假如這種問題發(fā)生在像高密度的SRAM應(yīng)用中，會嚴(yán)重影響 static noise margin （SNM） and write noise margin （WNM） 。

圖1 PMOS NBTI的原理，和對器件性能的影響

在這種背景下，偏置溫度不穩(wěn)定（BTI）效應(yīng)成為集成電路（IC）器件可靠性的關(guān)鍵問題之一，微電子所團隊開發(fā)了一個統(tǒng)一的物理和統(tǒng)計緊湊模型，可以預(yù)測BTI對不同工藝節(jié)點的器件及電路（低至14nm）的影響，包含復(fù)雜的應(yīng)力/恢復(fù)模式表征、超長期老化預(yù)測和工藝統(tǒng)計變量（TSV）的影響，實現(xiàn)cycle to cycle/device to device的可靠性評估。

該模型基于2/4態(tài)的缺陷中心（DC）理論，針對缺陷的物理特性（如能級分布、占據(jù)概率等）建模。通過TCAD仿真驗證和對鰭狀場效應(yīng)晶體管（FinFET）、平面晶體管等可靠性實驗測試結(jié)果的校準(zhǔn)，成功地嵌入了BSIM-CMG通用模型，用于器件及電路的動態(tài)時間演化和動態(tài)電壓縮放分析。這種物理的、可變性的和具有耐久性感知的緊湊模型有潛力將VLSI可靠性設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）流程提升到下一代技術(shù)節(jié)點。

隨著節(jié)點的提升，Design for reliability 變得越來越重要，因為一次流片設(shè)計價格不菲，很多中小企業(yè)禁不起幾輪流片失敗。因此，如何把BTI等可靠性模型嵌入現(xiàn)有設(shè)計中，顯得尤其重要。同時，如果有了這個武器，設(shè)計帶來的附加價值和壽命就會明顯提高。

隨著電子產(chǎn)品應(yīng)用的廣泛，在不同領(lǐng)域，比如汽車、醫(yī)療、工業(yè)、航天天空及國防應(yīng)用等產(chǎn)品都會遇到生命週期可靠性的問題，因此，在這個層面，基于半導(dǎo)體廠工藝的模型開發(fā)是重中之重，同時如何和EDA廠商合作，獲得接近產(chǎn)品實際特性的仿真結(jié)果也有很多協(xié)同工作要做。

有一點可以確認(rèn)，模型從業(yè)人員通過模型二次開發(fā)的核心價值來獲得獨特的設(shè)計這個角度去看，相信將來會有很多基于模型擴展基礎(chǔ)上的小而美的設(shè)計公司創(chuàng)立，因為歐洲已經(jīng)有很多創(chuàng)新公司值得我們借鑒。

編輯：jq