【技术】当前集成电路器件面临的可靠性挑战和建模解决方案介绍

时间： 2018-11-20 来源：Keysight

2018年3月20日在北京召开的电子设计创新大会是为设计工程师和系统集成商提供关于通信、计算机、RFID、无线、导航、航空航天及相关市场最新射频/微波和高速数字系统技术交流的研讨论坛，重点关注高频/高速电子设计中所涉及到的从元器件表征到系统集成等关键问题。

在EDI会议的报告会中是德科技工程师交流了当前集成电路器件可靠性建模和评估的解决方案和现状。目前在器件建模领域面临着1)Vdd的降低将导致摆幅限区的缩小；2)老化效应的表征；3)ICs在接近或超过极端条件下工作运行；4)代工厂提供不同的建模工具/模型或根本没有该器件模型；5)期待有模型支持老化效应的表征且与现有的SPICE仿真器兼容等五方面的仿真技术挑战。随着芯片制造工艺持续按照比例缩小，可靠性建模用来检验晶体管设计是否满足微电子器件性能的严苛要求，因为电场强度和电流密度的增加将会降低器件的工作寿命，同时新一代器件引入了新的制造工艺、材料和结构，这些为制造芯片的可靠性评估带来了新的挑战。

图1 热载流子注入(HCI)直接影响着器件的热载流子衰减效应

图2 MOS器件面临的偏压温度不稳定性(BTI)问题

图3 在应力时间的条件下Id饱和电流的衰减效应

图1，图2和图3分别介绍了MOS器件所面临的由热载流子注入(HCI)导致的热载流子衰减效应、偏压温度不稳定性(BTI)问题和应力在时间下Id饱和电流衰减效应等面临的挑战性问题。目前KEYSIGHT在BTI建模和表征方面可实现超快速1-μs BTI表征、交流应力BTI测量和定时执行的BTI表征方式，测试结果详情如下图4所示，MOS器件与时间相关电介质击穿(TDDB)可分为NMOS器件漏极多击穿点、硬性和软性击穿、持续电压或应力引起栅极漏电流三个方面的评估(图5所示)。

图4 超快速1-μs BTI表征、交流应力BTI测量和定时执行的BTI表征方式

图5 与时间相关电介质击穿(TDDB)三方面的测试评估

是德科技在器件可靠性仿真和分析流程可以分为新度仿真(衰减程度)，应力仿真和老化仿真三个流程。应力仿真由老化模型的瞬态效应仿真、器件偏压条件下老化模型计算衰减因子和因HCI，BTI等带来的输出衰减效果三个步骤组成；老化仿真流程分为将衰减变换到模型的参数，再对改进后的器件模型的网表文件进行仿真。基于伯克利相关工艺的可靠性建模工具(BERT)来描述每种器件老化效应，建立起新一代器件的可靠性模型，如果应力时间足够长，热载流子注入模型可以提前展现出Id的电流饱和效应，BTI模型也可以考虑使用物理恢复效果和恢复模型两种探究方法。

图6 Cadence-RelXpert/Spectre工具对FinFET晶体管的特性表征仿真

采用的Synopsys公司MOSRA工具内置有器件模型，器件建模分为专用型和开放型两种建模方案，其中开放型易于使用，MOSRA API不仅可用来定制MOS老化模型的设计，还能对器件的HCI，BTI（部分恢复）和TDDB效应进行建模。基于工艺库现有的参数数据，添加软件附加设置的可靠性信息来建立衰减表征模型，最终使用模拟器(Cadence，Mentor，Synopsys)对可靠性API模型来仿真，最终向PDK添加降级模型，该方式同时支持主要的EDA设计环境，目前主流的器件可靠性仿真流程如图7所示。

图7 器件可靠性的仿真流程示意图

通过交流总结，我们可以了解到当几何器件工艺尺寸缩小并采用新制造材料时，IC的可靠性会随着降低，BTI将变成更加需要考虑的影响因素，其恢复效果难以进行定性衡量并使用模型化来评定。同时，本文介绍了最新的可靠性模拟流程和建模方法，是德科技可以提供可靠的一站式解决方案，从硬件测量、建模软件到技术咨询一系列的服务。

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