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(tuán)隊(duì)在先進(jìn)邏輯工藝可靠性問(wèn)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(huì)影響到器件的使用，并隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)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(wèn)題后，器件性能受到影響，同樣NMOS也會(huì)有類似的問(wèn)題，假如這種問(wèn)題發(fā)生在像高密度的SRAM應(yīng)用中，會(huì)嚴(yán)重影響 static noise margin （SNM） and write noise margin （WNM） 。

圖1 PMOS NBTI的原理，和對(duì)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(wèn)題之一，微電子所團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)統(tǒng)一的物理和統(tǒng)計(jì)緊湊模型，可以預(yù)測(cè)BTI對(duì)不同工藝節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)期老化預(yù)測(cè)和工藝統(tǒng)計(jì)變量（TSV）的影響，實(shí)現(xiàn)cycle to cycle/device to device的可靠性評(píng)估。

該模型基于2/4態(tài)的缺陷中心（DC）理論，針對(duì)缺陷的物理特性（如能級(jí)分布、占據(jù)概率等）建模。通過(guò)TCAD仿真驗(yàn)證和對(duì)鰭狀場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）、平面晶體管等可靠性實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)態(tài)時(shí)間演化和動(dòng)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(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）流程提升到下一代技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

隨著節(jié)點(diǎn)的提升，Design for reliability 變得越來(lái)越重要，因?yàn)橐淮瘟髌O(shè)計(jì)價(jià)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(jì)中，顯得尤其重要。同時(shí)，如果有了這個(gè)武器，設(shè)計(jì)帶來(lái)的附加價(jià)值和壽命就會(huì)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(guó)防應(yīng)用等產(chǎn)品都會(huì)遇到生命週期可靠性的問(wèn)題，因此，在這個(gè)層面，基于半導(dǎo)體廠工藝的模型開發(fā)是重中之重，同時(shí)如何和EDA廠商合作，獲得接近產(chǎn)品實(shí)際特性的仿真結(jié)果也有很多協(xié)同工作要做。

有一點(diǎn)可以確認(rèn)，模型從業(yè)人員通過(guò)模型二次開發(fā)的核心價(jià)值來(lái)獲得獨(dú)特的設(shè)計(jì)這個(gè)角度去看，相信將來(lái)會(huì)有很多基于模型擴(kuò)展基礎(chǔ)上的小而美的設(shè)計(jì)公司創(chuàng)立，因?yàn)闅W洲已經(jīng)有很多創(chuàng)新公司值得我們借鑒。

編輯：jq